GESTION TECHNIQUE DES CRUES

Modèle de prévision

et de gestion des crues

optimisAtion des opérations des aménagements

hydroélectriques à accumulation

pour la réduction des débits de crue

1 Introduction 1

1.1 Préambule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Les crues dans le monde et en Suisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.3 Protection contre crues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3.1 Mesures passives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3.2 Mesures actives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3.3 Gestion des crues par des retenues existantes . . . . . . . . . . . . . 5

1.4 Contexte du travail de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5 Objectifs du travail de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.6 Organisation du document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Modèles de prévision hydrologique 9

2.1 Objectifs et potentialités de la prévision de débit . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Prévision de débit à grande échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2.1 Modèles basés sur la résolution des équations hydrodynamiques . . . 11

2.3 Prévision de débit à moyenne échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.1 Réseaux de neurones artificiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.2 Modèles statistiques - lissage et décomposition . . . . . . . . . . . . 18

2.3.3 Modèles statistiques - régressions multiples . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3.4 Modèles statistiques - ARIMA ou Box-Jenkins . . . . . . . . . . . . 26

2.3.5 Modèles statistiques - ARMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.6 Modèles adaptatifs - filtre de Kalman . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3.7 Modèles conceptuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3.8 Modèles conceptuels spatialement distribués . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4 Prévision de débit à petite échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.4.1 Reconnaissance de scénarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4.2 Radars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.5 Commentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3 Optimisation des systèmes dynamiques dédiés 41

3.1 Préambule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2 Bases théoriques de l’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2.2 Méthodes d’optimisation simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3 Optimisation des ouvrages d’accumulation : formulation typique . . . . . . . 44

3.4 La programmation linéaire et ses extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

.5 Programmation non linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.6 Programmation dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.7 Intelligence artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.7.1 Algorithmes évolutifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.7.2 Réseaux de neurones artificiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.7.3 Logique floue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.7.4 Systèmes experts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.8 Autres méthodes dédiées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.9 Commentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4 Modèle hydrologique semi-distribué 59

4.1 Remarques préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2 Concept de modélisation hydrologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.2.1 Modélisation semi-distribuée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.2.2 Concept hydrologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.3 Modèles hydrologiques conceptuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.3.1 Modèle de fonte de neige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.3.2 Réservoir linéaire de neige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.3.3 Modèle de fonte glaciaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3.4 Réservoir linéaire de glace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3.5 Réservoir-sol : modèle SOCONT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3.6 Transfert de débit dans un cours d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.3.7 Comportement typique d’un sous-bassin versant . . . . . . . . . . . . 72

4.4 Fonctionnement opérationnel du modèle hydrologique et hydraulique . . . . 72

4.4.1 Logiciel Routing System II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.5 Spatialisation des variables météorologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.5.1 Spatialisation des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.5.2 Spatialisation des prévisions des précipitations . . . . . . . . . . . . 77

4.5.3 Spatialisation des prévisions des températures . . . . . . . . . . . . . 78

4.6 Calage et validation du modèle hydrologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.6.1 Paramètres de calage de GSM-SOCONT . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.6.2 Critères d’évaluation du modèle hydrologique . . . . . . . . . . . . . 82

4.6.3 Procédure de calage du modèle hydrologique . . . . . . . . . . . . . . 83

4.6.4 Choix des données de commande et de contrôle . . . . . . . . . . . . 86

4.7 Procédure de mise à jour du modèle hydrologique . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.7.1 Provenance des incertitudes et stratégies de correction . . . . . . . . 89

4.7.2 Algorithme de filtrage des variables d’état du modèle hydrologique . 91

4.7.3 Illustration du fonctionnement de l’algorithme de filtrage . . . . . . . 93

4.8 Application au bassin versant du Rhône . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.8.1 Calage des sous-bassins versants non perturbés . . . . . . . . . . . . 96

4.8.2 Calage des sous-bassins versants perturbés . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.8.3 Validation des sous-bassins versants non perturbés . . . . . . . . . . 102

4.8.4 Validation des sous-bassins versants perturbés . . . . . . . . . . . . . 105

4.8.5 Estimation de l’incertitude du modèle hydrologique . . . . . . . . . . 111

4.8.6 Simulations avec mise à jour du modèle hydrologique . . . . . . . . . 115

4.9 Commentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5 Fonctionnement des aménagements hydroélectriques 123

5.1 Remarques préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.2 Fonctionnement des aménagements hydroélectriques . . . . . . . . . . . . . 123

5.2.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.2.2 Marché de l’électricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

5.2.3 Aménagements au fil de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.2.4 Aménagements à accumulation à haute chute . . . . . . . . . . . . . 130

5.3 Les aménagements à accumulation du Valais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5.3.1 Situation sur le bassin versant du Rhône . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.3.2 Les aménagements du Valais en chiffres . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5.4 Reconstitution des séries temporelles de turbinage et pompage . . . . . . . . 143

5.4.1 Contexte politique du projet et données à disposition . . . . . . . . . 143

5.4.2 Aménagement Grande Dixence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

5.4.3 Aménagement Emosson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.4.4 Aménagement Mauvoisin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.4.5 Aménagement Mattmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.4.6 Aménagement Gougra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

5.4.7 Aménagement Salanfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

5.4.8 Aménagement Pallazuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

5.4.9 Aménagement Lienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

5.4.10 Aménagement Lötschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

5.4.11 Aménagement Bitsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

5.5 Générateur stochastique de turbinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

5.5.1 Génération de séries journalières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

5.5.2 Désagrégation en séries horaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

5.6 Commentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

6 Modèle d’optimisation 163

6.1 Remarques préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.2 Objectifs et contraintes de l’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.3 Optimisation de la gestion d’un aménagement hydroélectrique lors des crues 165

6.3.1 Estimation du volume entrant dans une retenue . . . . . . . . . . . . 165

6.3.2 Estimation du volume disponible dans une retenue . . . . . . . . . . 166

6.3.3 Optimisation locale - définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

6.3.4 Maximisation de l’adduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

6.3.5 Exemple de résolution du problème : l’aménagement de Mattmark . 168

6.4 Optimisation de la gestion de plusieurs aménagements lors des crues . . . . 171

6.4.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6.4.2 Définition du problème d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

6.4.3 Fonctions de coût . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

6.4.4 Variables et espace des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

6.4.5 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

6.5 Algorithme d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

6.5.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

6.5.2 Concept de l’algorithme d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

6.5.3 Commentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

6.6 Application à un système idéal avec réservoirs multiples . . . . . . . . . . . 181

6.6.1 Description du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

6.6.2 Analyse paramétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

6.6.3 Espace des solutions à 2 dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

6.6.4 Validation de l’algorithme d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . 186

6.6.5 Concept de borne inférieure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

6.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

LE LIEN :

http://biblion.epfl.ch/EPFL/theses/2007 ... TH3711.pdf