Modélisation numérique hydraulique (1D, 2D, 3D)

Les rivières sont des composantes complexes du paysage naturel. Prenant naissance sous forme de petits ruisseaux en altitude, elles s’écoulent vers l’aval sous l’effet de la gravité jusqu’à leur embouchure en mer. Tout au long de ce parcours, un large éventail de facteurs — dont le climat, la nature des sédiments, la végétation riveraine, la pente du lit et le débit — évoluent de façon progressive et exercent une influence directe sur la dynamique fluviale. Des éléments saisonniers comme la glace fluviale, les embâcles et les périodes de migration des poissons contribuent également à cette complexité.

En plus de ces composantes naturelles, les rivières sont aussi modifiées par des interventions humaines. Des ouvrages comme les barrages, ponceaux, ponts, stations de pompage et usines de traitement des eaux usées – de même que les rejets agricoles et municipaux peuvent altérer les régimes d’écoulement et modifier la composition physico-chimique de l’eau, souvent avec des effets indésirables.

Compte tenu de la complexité et de l’interdépendance des processus fluviaux, les problématiques particulières — comme l’érosion riveraine dans une boucle de méandre — ne peuvent pas être évaluées isolément. Par exemple, une solution conçue pour réduire l’érosion peut avoir des répercussions inattendues sur la dynamique de la glace, le transport sédimentaire ou les inondations ailleurs dans le réseau.

Utilisée par des ingénieurs hydrauliques expérimentés, la modélisation numérique hydrodynamique constitue un puissant outil diagnostique permettant d’analyser les causes fondamentales d’un problème donné. Les résultats obtenus orientent ensuite le développement de solutions ciblées qui tiennent compte de la complexité et du comportement intégré des systèmes fluviaux. Ces solutions peuvent être raffinées et testées directement dans le modèle, ce qui permet de cerner et de corriger les problèmes potentiels avant leur mise en œuvre sur le terrain.

Chez Avizo, nous possédons l’expertise nécessaire pour relever une grande diversité de défis en modélisation hydrodynamique. En fonction de la complexité du problème et des exigences propres à chaque projet, nos spécialistes collaborent étroitement avec les clients afin de déterminer l’approche de modélisation offrant le meilleur rendement, selon des facteurs comme le niveau de précision et le budget disponible. Le tableau ci-dessous présente les types d’applications pour lesquelles les modèles numériques 1D, 2D et 3D sont les mieux adaptés.

Pour en savoir plus sur les niveaux de complexité des approches de modélisation que nous proposons, veuillez consulter les liens ci-dessous:

• Modélisation hydraulique unidimensionnelle (1D)
• Modélisation hydraulique bidimensionnelle (2D)
• Modélisation hydraulique tridimensionnelle (3D)

Tableau comparatif modélisations

Modélisation hydraulique unidimensionnelle (1D)

Modélisation 1D

Les modèles hydrauliques unidimensionnels (1D) fournissent des valeurs moyennes pour des paramètres hydrodynamiques clés tels que la profondeur d’eau, la vitesse d’écoulement, la contrainte de cisaillement au lit et l’élévation de la surface libre. Représentant historiquement l’approche de modélisation la plus utilisée, les modèles 1D demeurent une excellente option pour les applications portant principalement sur les niveaux d’eau, les profondeurs d’écoulement et le comportement général de l’écoulement.

Ces modèles sont particulièrement bien adaptés pour évaluer l’impact d’ouvrages hydrauliques — tels que les ponceaux, ponts, barrages et déversoirs — sur les niveaux d’eau et les caractéristiques globales de l’écoulement. Des outils spécialisés existent aussi pour simuler les processus de glace fluviale – notamment la formation et le transport de frasil, l’établissement du couvert de glace, et l’effet de la glace sur la résistance à l’écoulement et les niveaux de crue. De plus, des outils numériques comme FishXing permettent d’optimiser la conception des ponceaux afin de faciliter le passage du poisson, ce qui permet à Avizo de proposer des solutions adaptées aux limitations biologiques d’espèces cibles précises (par exemple, les seuils de vitesse et l’endurance de nage).

Fonctionnalités typiques des modèles hydrauliques 1D (HEC-RAS, River1D, FishXing) :

• Estimation des élévations de la surface libre, des profondeurs moyennes, des vitesses et des contraintes de cisaillement sur le lit et les berges
• Simulation sous conditions :
  • d’écoulement permanent (débit constant dans le temps)
  • d’écoulement transitoire (débit variable dans le temps, ex. hydrogrammes)
• Évaluation des impacts hydrauliques des ponts, ponceaux, déversoirs et autres ouvrages
• Simulation de l’influence des couverts de glace sur l’hydraulique fluviale
• Analyse des impacts des embâcles sur les niveaux de crue
• Estimation de l’inondation des plaines et des niveaux d’eau en crue
• Estimation des taux de transport sédimentaire global et évaluation des problèmes de sédimentation

Les modèles 1D demeurent une option fiable et rentable pour de nombreuses problématiques d’ingénierie courantes et pour les évaluations requises par la réglementation.

Modélisation hydraulique bidimensionnelle (2D)

Avec l’accès croissant à des ressources informatiques performantes et à des données topobathymétriques de haute résolution issues du LiDAR aérien et de levés bathymétriques, la modélisation hydrodynamique bidimensionnelle (2D) grandit rapidement en popularité. Comparativement aux modèles 1D, les modèles 2D offrent une meilleure résolution spatiale et des prédictions plus précises des profondeurs, des champs de vitesse et des contraintes de cisaillement, à l’échelle du cours d’eau et de la plaine inondable.

Les progrès récents des logiciels de modélisation — comme le module BASEMESH pour QGIS (Telemac) — ont considérablement réduit le temps et les efforts nécessaires à la mise en place d’un modèle 2D. Dans bien des cas, les clients peuvent désormais bénéficier de la précision accrue des modèles 2D à un coût et dans un délai comparable à ceux des modèles 1D.

Les modèles hydrodynamiques 2D sont particulièrement adaptés aux applications où la variabilité spatiale de l’écoulement est importante, ou lorsqu’il est nécessaire de représenter en détail les interactions entre l’écoulement et la morphologie du lit.

Applications typiques des modèles hydrauliques 2D (HEC-RAS 2D, Telemac2D, SRH-2D, Delft3D) :

• Simulation de scénarios d’inondation en eau libre selon les conditions climatiques actuelles et futures
• Estimation spatialisée de la profondeur d’écoulement, de la vitesse et des contraintes de cisaillement pour appuyer les analyses hydrogéomorphologiques
• Étude des processus de transport sédimentaire, incluant la charge de fond et la charge en suspension
• Évaluation des effets des projets de restauration riveraine sur la qualité de l’habitat aquatique pour les poissons et autres espèces
• Analyse du mélange de contaminants dans les rivières, les lacs et les estuaires, y compris :
  • Sédiments en suspension
  • Apports en nutriments (ex. : phosphore et azote issus du ruissellement agricole, des engrais ou des eaux usées)
• Rejets d’eaux chaudes et stratification thermique
• Compréhension des écoulements et des processus de mélange induits par le vent dans les lacs et les milieux estuariens

La modélisation 2D constitue une solution équilibrée pour les clients dont les besoins nécessitent une précision spatiale accrue, sans pour autant exiger une représentation des variations de l’écoulement en profondeur.

Modélisation hydraulique tridimensionnelle (3D)

La modélisation hydraulique tridimensionnelle (3D) offre la représentation la plus détaillée et la plus précise des dynamiques d’écoulement dans les rivières, les lacs et les ouvrages hydrauliques. Contrairement aux modèles 1D et 2D, les modèles 3D résolvent le champ d’écoulement non seulement dans les directions longitudinale et latérale, mais également dans la direction verticale, ce qui permet de simuler les gradients verticaux de vitesse, la stratification induite par la densité et les phénomènes de recirculation. Ces caractéristiques rendent les modèles 3D particulièrement adaptés à l’étude d’environnements hydrauliques complexes où les effets de flottabilité, la turbulence et le mélange vertical jouent un rôle important.

Il existe deux approches principales en modélisation hydrodynamique 3D, chacune convenant à un niveau de complexité et à des besoins de projet différents :

Modélisation 3D simplifiée par couches

Dans cette approche, la colonne d’eau est divisée en un nombre restreint de couches verticales (généralement entre 3 et 10), ce qui permet de capturer les principales caractéristiques tridimensionnelles sans engendrer des coûts de calcul prohibitifs. Cette méthode représente un compromis efficace entre les modèles 2D et les modèles 3D complets (voir ci-dessous) et convient aux systèmes fluviaux dans lesquels les structures d’écoulement verticales sont importantes, sans nécessiter une résolution verticale complète.

Applications typiques de la modélisation 3D simplifiée (Telemac3D, Delft3D):

• Modélisation de la dynamique hydrogéomorphologique et des structures de flux secondaires dans les méandres
• Étude de la stratification thermique ou saline dans les rivières, lacs et estuaires
• Simulation des interactions entre vagues et courants en zones côtières ou littorales
• Évaluation du transport de contaminants et du mélange vertical
• Analyse du potentiel d’affouillement autour des piles de ponts et autres infrastructures

Modélisation avancée en dynamique des fluides (CFD – OpenFOAM)

Cette approche plus détaillée consiste à discrétiser le domaine d’écoulement en un grand nombre de couches verticales et à résoudre l’ensemble des équations tridimensionnelles, instationnaires et gouvernant l’écoulement. Les modèles CFD permettent de simuler avec une grande précision des environnements d’écoulement complexes et transitoires, ce qui les rend idéaux pour diagnostiquer et optimiser la performance d’ouvrages hydrauliques.

Services CFD offerts par Avizo :

• Analyse de l’écoulement dans et autour des passes à poissons, déversoirs, stations d’épuration, chambres de mélange et ouvrages de protection côtière
• Simulation des zones de recirculation et de séparation d’écoulement
• Modélisation de l’entraînement d’air (présence de bulles) et de la cavitation
• Circulation induite par des gradients de densité thermique ou saline (ex. : refuges thermiques pour les espèces d’eau froide comme le saumon de l’Atlantique)
• Prédiction des champs tridimensionnels de vitesse, de pression et de turbulence
• Évaluation des contraintes hydrodynamiques sur les éléments structuraux
• Simulation du transport et du mélange de contaminants avec un niveau de détail élevé
• Modélisation des phénomènes d’écoulement induits par la flottabilité
• Production de visualisations et animations de haute qualité pour la restitution aux parties prenantes, les rapports et la communication publique