SIMBA
SIMBA, le simulateur de barrage pour la formation des ... - CFBR
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Colloque CFBR-SHF: «Dimensionnement et fonctionnement des évacuateurs de crues», 20-21 janvier 2009, Lyon – L. Del Gatto & Eric Demay<br />
<strong>SIMBA</strong><br />
LE SIMULATEUR DE BARRAGE POUR LA FORMATION DES<br />
EXPLOITANTS A LA GESTION DES OUVRAGES<br />
HYDRAULIQUES EN CRUE<br />
Dam simulator for training operators in the management of<br />
hydraulic structures during a flood<br />
Laurent Del Gatto, Pierre Mazingue<br />
EDF DPIH, Centre d'Ingénierie Hydraulique<br />
Le Bourget du Lac<br />
Tél: +33 (0)4 79 60 61 13, e-mail: laurent.del-gatto@edf.fr, pierre.mazingue@edf.fr<br />
Eric Demay<br />
EDF R&D, Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement<br />
Chatou<br />
Tél: +33 (0)1 30 87 78 22, e-mail: e.demay@edf.fr<br />
La gestion d’un aménagement hydraulique en période de crue est une activité soumise à de forts enjeux ; notamment de<br />
sûreté et juridiques. Il est donc essentiel que les exploitants soient bien préparés à cette situation exceptionnelle. Fruit<br />
d'une collaboration étroite entre l'Ingénierie Hydraulique, la R&D, et le Service de la Formation Professionnelle<br />
d'EDF, le simulateur de barrage <strong>SIMBA</strong> à été conçu pour répondre à ce besoin.<br />
The management of a hydraulic structure during a flood is an activity where there is a lot at stake, especially with<br />
regard to safety and legal implications. It is therefore essential that operators are well-prepared for this exceptional<br />
situation. The <strong>SIMBA</strong> program, the result of close collaboration between EDF's Hydraulic Engineering, R&D and the<br />
Professional Training Division, enables the operator to practise the application of flood safety procedures under<br />
realistic conditions and to deal with various flood scenarios.<br />
I<br />
INTRODUCTION<br />
L'activité de gestion des aménagements hydrauliques en période de crue est une activité exceptionnelle<br />
pour un exploitant de barrage. « Activité exceptionnelle » sous-entend que, plus cette activité de conduite en<br />
période de crue est différente de l'activité quotidienne de l'agent ou mobilise des connaissances qui ne sont<br />
pas utilisées de manière régulière, plus elle sera difficile pour l'agent en question. De plus, cette activité vient<br />
interrompre l'activité quotidienne de l'agent d'exploitation en devenant une tâche prioritaire soumise à forts<br />
enjeux : enjeux de sûreté, enjeux juridiques, enjeux liés à l'image de l'entreprise donnée à l'extérieur.<br />
En la matière, une bonne préparation est de rigueur.<br />
Cette préparation passe en premier lieu par la mise au point pour chaque ouvrage de procédures<br />
d’exploitation spécifiques à la situation de crue : les « consignes de crue » définissent ainsi — tant d’un point<br />
de vue organisationnel que technique — les objectifs à respecter lors du passage d’une crue, ainsi que les<br />
moyens mis en oeuvre pour les atteindre.<br />
Au delà, la formation et l’entraînement régulier des exploitants à l’application de ces consignes sont<br />
nécessaires. Il s’agit pour lui de s’approprier les documents, de se familiariser avec les gestes et calculs qui<br />
doivent être réalisés lors de la conduite en manuel des vannes, de se préparer à la gestion d’évènements<br />
rares : crue exceptionnelle, défaillance de matériel, etc.
Colloque CFBR-SHF: «Dimensionnement et fonctionnement des évacuateurs de crues», 20-21 janvier 2009, Lyon – L. Del Gatto & Eric Demay<br />
Pour ce faire EDF a développé le simulateur de conduite barrage <strong>SIMBA</strong>, reproduisant l’environnement<br />
matériel et le comportement des retenues en période de crue, et sur lequel l’exploitant peut s’entraîner à<br />
conduire son aménagement en crue dans des situations normales ou exceptionnelles.<br />
II PRINCIPES DE CONDUITE EN PERIODE DE CRUE<br />
Pendant un épisode de crue intéressant son barrage, le responsable d’exploitation doit poursuivre deux<br />
objectifs vitaux (doctrine EDF) :<br />
• Empêcher la submersion de l’ouvrage afin de maintenir son intégrité : en pratique, la cote dite des<br />
plus hautes eaux (PHE) ne devra pas être dépassée.<br />
• Assurer la transparence de l’ouvrage : les conséquences de la crue ne devront pas être aggravées par<br />
rapport à celles qui auraient été relevées en l’absence d’ouvrage. En pratique, ce principe général se<br />
traduira principalement comme suit :<br />
o à l’aval de l’ouvrage le débit maximal en sortie du barrage relevé pendant l'épisode de crue<br />
en cours ne doit pas dépasser le débit maximal entrant constaté pendant la crue ; le gradient<br />
maximal de débit en sortie ne doit pas dépasser de plus de 50% celui relevé pour le débit<br />
entrant (pour le cas des évacuateurs vannés).<br />
o à l’amont de l’ouvrage l’inondation éventuelle des berges due à la crue ne doit pas être<br />
augmentée par la présence du barrage.<br />
Les principes opérationnels de conduite qui en découlent dépendent en grande partie de la nature de<br />
l’ouvrage concerné. Ils sont résumés ci-dessous.<br />
II.1<br />
Aménagements capacitifs<br />
Ces aménagements sont en général constitués<br />
d’un barrage fixe, équipé d’évacuateurs de crue de<br />
surface. Le réservoir présente une capacité de<br />
stockage importante. Dans la retenue les lignes<br />
d’eau sont sensiblement horizontales. Le niveau<br />
d’eau y reste indépendant du débit entrant : son<br />
évolution ne dépend que de la différence entre le<br />
débit entrant et le débit sortant (stockage du<br />
volume).<br />
En conséquence l’équilibrage entre débit sortant<br />
Q s et débit entrant Q e est suffisant pour respecter<br />
les contraintes énoncées plus haut.<br />
Figure 1 : barrage de Bort-les-Orgues<br />
En général cet équilibre est assuré au moyen d’un mode de gestion dit « de type Dordogne », à l’aide<br />
notamment d’abaques fournissant les lâchures à réaliser au barrage (incrément de Q s ) en fonction de la cote<br />
de la retenue z et de sa variation ∆z pendant une période de temps donnée.<br />
Ces abaques sont établies de sorte que Q s augmente progressivement pour que l’égalité Q s = Q e soit atteinte<br />
(puis maintenue tant que toutes les vannes ne sont pas ouvertes) lorsque z atteint la cote maximale de<br />
rétention RN.
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II.2<br />
Aménagements en rivière<br />
Figure 2 : barrage de La Croux<br />
Il s’agit d’aménagements de moindre hauteur,<br />
constitués par un « Barrage Mobile en Rivière »<br />
(ou BMR). Ce dernier comporte souvent des<br />
vannes de fond et de surface et peut être totalement<br />
effacé. Ces aménagements créent des retenues de<br />
faible capacité où les contraintes en période de<br />
crue sont souvent complexes (dynamique des<br />
lignes d'eau, influencement des ouvrages par l'aval<br />
...).<br />
En particulier les lignes d’eau en crue ne sont<br />
plus horizontales, et la pente de l’écoulement<br />
augmente avec le débit transitant dans le bief<br />
(phénomène de basculement des lignes, illustré par<br />
les lignes d’eau bleu et rouge de la Figure 3). Le<br />
respect des contraintes de niveau à l’amont de<br />
l’ouvrage nécessite alors de baisser la retenue, au<br />
fur et à mesure que le débit entrant augmente<br />
(abaissement illustré par la ligne d’eau verte de la<br />
Figure 3).<br />
La conduite en crue est alors essentiellement basée sur la mise en œuvre d'une loi d'abaissement (ou de<br />
maintien) d'une cote en un ou plusieurs points de la retenue, z c = f(Q e ). Le débit entrant est mesuré (station de<br />
mesure en amont, hors du remous de la retenue).<br />
Le débit sortant Q s est alors asservi à l’écart z - z c entre la cote réelle et la cote de consigne, soit en manuel<br />
par l’exploitant, soit par un automate : une loi de conduite permet de déterminer, à intervalles de temps<br />
réguliers, le débit sortant à évacuer.<br />
Amont<br />
245<br />
240<br />
2500 m 3 /s<br />
Point critique (pont)<br />
235<br />
200 m 3 /s<br />
Niveau [m NGF]<br />
230<br />
225<br />
220<br />
Barrage<br />
215<br />
•<br />
210<br />
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000<br />
Distance [m]<br />
Figure 3 : exemple de lignes d’eau à l’amont d’un BMR (Lacroux - Tarn)
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Dans les deux cas (retenues capacitives et BMR) le débit sortant à réaliser doit être réparti sur les<br />
différentes vannes de l’ouvrage. Les abaques de débitance des vannes permettent alors de déterminer (en<br />
fonction du niveau amont barrage et souvent aval barrage pour les BMR) les ouvertures à réaliser.<br />
III LE SIMULATEUR DE CONDUITE <strong>SIMBA</strong> 2.0<br />
Depuis plusieurs années, EDF a accompli un travail important pour renforcer et formaliser les bases<br />
scientifiques et la méthodologie permettant d'élaborer les procédures de conduite en crue : standardisation de<br />
la conduite de type « Dordogne », élaboration des lois d'abaissement en période de crue, détermination du<br />
débit à évacuer et des ouvertures des vannes, etc.<br />
Au-delà de ce travail méthodologique, il est essentiel que l'exploitant soit bien préparé à la situation<br />
exceptionnelle qu'est la gestion de son barrage en condition de crue, et qu’il soit formé à la mise en œuvre de<br />
ses consignes de crue.<br />
Le simulateur de barrage <strong>SIMBA</strong> a été conçu pour répondre à ce besoin.<br />
Fruit d'une collaboration étroite entre l'Ingénierie Hydraulique, la R&D, et le Service de la Formation<br />
Professionnelle d'EDF, cette plate-forme de simulation offre à l'exploitant un modèle complet des différents<br />
systèmes composant son aménagement et de leurs interactions (Figure 1).<br />
Consignes<br />
de crue<br />
Position des<br />
vannes<br />
Hydrogramme<br />
de crue<br />
Débit entrant<br />
Ouverture<br />
Fermeture<br />
Modèle des<br />
vannes<br />
Débit sortant<br />
Modèle<br />
hydraulique du<br />
bief<br />
Elève en<br />
formation<br />
Loi<br />
hauteur/débit<br />
aval<br />
Niveau aval barrage<br />
Ligne d'eau<br />
dans le bief<br />
Niveau amont barrage<br />
Niveaux aux limnimètres (points de réglage, points critiques)<br />
Figure 4 : schéma de principe de la modélisation d’un aménagement dans <strong>SIMBA</strong><br />
III.1<br />
Modélisation hydraulique du bief<br />
Pour les aménagements capacitifs la résolution de l’équation de continuité (bilan de volume) permet, via<br />
les courbes de capacité de la retenue de déterminer à chaque instant la cote du plan d’eau.<br />
Dans le cas des Barrages Mobiles en Rivière, la dynamique des écoulements et l’évolution des lignes d’eau<br />
doivent être simulées de manière plus fine.<br />
Pour ce faire le simulateur <strong>SIMBA</strong> utilise le code d’hydraulique transcritique 1D Mascaret, qui permet de<br />
résoudre les équations de Saint-Venant en régime non permanent. Ce logiciel permet de prendre en compte :<br />
• des géométries complexes (cf. Figure 5) : lits composés (mineur, majeur, zones de stockage),<br />
réseaux ramifiés ou maillés, « casiers » de débordement.<br />
• une grande variée de singularités hydrauliques (pertes de charges, seuils noyés ou dénoyés,<br />
déversoirs latéraux, etc.).
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Figure 5 : exemple de réseau hydraulique modélisé<br />
(Fudaa-Mascaret, bief de Gerstheim - Rhin)<br />
La mise en œuvre de tels modèles hydrauliques<br />
— déjà bien répandue pour la réalisation d’études<br />
— s’effectue ici dans un contexte proche de celui<br />
des modèles embarqués. La simulation dans<br />
<strong>SIMBA</strong> du couplage « temps réel » entre modèles<br />
de vannes, modèle d’écoulement 1D et action de<br />
l’exploitant sur les ouvrages (cf. Figure 4) n’est<br />
pas envisageable avec un code d’hydraulique<br />
« stand-alone », pour lequel l’ensemble des<br />
conditions aux limites (débits entrant et sortant)<br />
doit être fourni par avance sur toute la durée de la<br />
simulation. Un effort important a donc été réalisé<br />
pour rendre Mascaret inter-opérable, et le pourvoir<br />
d’une API informatique permettant un pilotage<br />
complet du calcul par une plate-forme externe.<br />
Mascaret se présente pour <strong>SIMBA</strong> comme une<br />
« boite noire » (fonctionnellement très voisine de<br />
la représentation des systèmes sous forme d’état,<br />
bien connue en automatique) offrant différents<br />
services auquel <strong>SIMBA</strong> peut faire appel au cours<br />
de la simulation globale de l’aménagement :<br />
• l’importation d’un modèle hydraulique<br />
(ImportMascaret)<br />
• l’initialisation d’une ligne d’eau<br />
(InitMascaret)<br />
• l’exécution d’un ou plusieurs pas de<br />
temps de calcul (RunMascaret)<br />
Bien entendu la modélisation et le calage du bief sont effectuées au préalable, hors de <strong>SIMBA</strong>.<br />
III.2<br />
Modélisation des ouvrages<br />
<strong>SIMBA</strong> permet de représenter un large champ d’organes de production et d’évacuation des crues, réglables<br />
ou non :<br />
• des groupes de production (commandés en débit ou en puissance) ;<br />
• des déversoirs libres, clapets ou vannes automatiques ;<br />
• des vannes de surface, de 1/2 fond, de fond.<br />
• des clapets sur vannes à commande séparée ou commune.<br />
Chacun de ces ouvrages peut être rattaché à une des limites du modèle hydraulique.<br />
Chaque ouvrage est paramétré par ses abaques de débitance (ouvertures / cotes / débits). L’influence<br />
éventuelle de la cote aval est traitée (noyage des vannes inférieures des aménagements BMR).<br />
Par ailleurs les principaux paramètres régissant la dynamique de manœuvre sont également représentés :<br />
vitesses d’ouverture, pas de crantage, etc. (cf. Figure 6).
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III.3<br />
Figure 6 : fenêtre de paramétrage <strong>SIMBA</strong> d’un ouvrage de type « clapet sur vanne » (barrage de Labrioulette -<br />
Garonne)<br />
IHM de commande<br />
Pour chaque aménagement, une IHM représentant le panneau de commande du barrage est créée. C’est à<br />
travers cette IHM que l’exploitant en formation pourra simuler la conduite de ses ouvrages.<br />
La création de cette IHM s’effectue de manière graphique (par copier-coller de différents composants<br />
élémentaires disponibles dans une palette : affichage de valeurs, actionneurs, alarmes). Elle est donc<br />
facilement configurable, d’où une représentation très réaliste de l’environnement de conduite de l’exploitant<br />
(cf. exemple de la Figure 7).<br />
Figure 7: représentation sous synoptique <strong>SIMBA</strong> (à gauche) et photographie (à droite) du tableau de commande des<br />
EVC du barrage de La Croux (Tarn)<br />
Outre l’aspect graphique, le comportement de cette IHM peut également être configuré de manière précise.<br />
Chaque élément graphique actif (bouton, afficheur ...) est associé à un « repère ».
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Ces repères pointent en fait vers une base de données temps réel où sont stockées (et partagées) l’ensemble<br />
des variables décrivant l’évolution de l’état du système (position des vannes, cotes d’eau calculées par le<br />
modèle hydraulique, débits, ordres tout ou rien de manœuvre, etc.).<br />
Un « serveur de formule » permet si nécessaire de représenter des comportements plus élaborés et de les<br />
associer à un élément graphique de l’IHM. Par exemple on peut voir Figure 8 un script associé à un bouton<br />
de commande d’une passe : lors de l’appui (clic) sur ce bouton en cours de simulation, un ordre d’ouverture<br />
ne sera effectivement envoyé au simulateur que si l’aménagement est en commande manuelle ; cet ordre<br />
concernera la vanne inférieure si le clapet supérieur est ouvert au maximum (vannes accrochées), sinon le<br />
clapet lui même.<br />
Figure 8 : serveur de formules - exemple de script associé à un bouton de l’IHM.<br />
A noter qu’il est tout à fait possible de créer sur le même principe d’autres IHM, certaines pouvant être<br />
masquées à l’exploitant pendant la formation (et accessibles uniquement au formateur).<br />
III.4<br />
Restitutions<br />
Durant la simulation un ensemble de restitutions est généré, et consultable en temps réel ou différé. Il s’agit<br />
principalement :<br />
• de restitutions textuelles, constituant un « journal » des actions réalisées par l’exploitant ;<br />
• de restitutions graphiques (courbes d’évolution des niveaux, des débits, des ouvertures des vannes,<br />
etc.), avec des possibilités de paramétrage aussi souples que pour la création d’IHM (Figure 9) ;<br />
• d’une vue animée des lignes d’eau durant la crue (seulement pour les BMR, Figure 10).<br />
Pour une formation proche de la réalité, ces restitutions ne sont en principe pas visibles de l’exploitant durant<br />
la simulation (ce dernier ne dispose sur le panneau de commande que des mesures aux points équipés de<br />
limnimètres, des ouvertures de vanne, des alarmes ...) ; sauf si pour des raisons pédagogiques le formateur le<br />
souhaite.<br />
Dans tous les cas elles permettent a posteriori une analyse riche et rapide de la simulation du passage de<br />
l’évènement de crue, et des actions de l’exploitant.
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Figure 9 : restitutions graphiques.<br />
Figure 10 : vue animée de la ligne d’eau.<br />
Ainsi, au-delà de la mise en situation réelle, <strong>SIMBA</strong> restitue le comportement de l'aménagement BMR de<br />
manière complète sur l'ensemble de la rivière, permettant ainsi à l'exploitant d'appréhender concrètement<br />
l'interaction entre ses manœuvres au barrage et des phénomènes hydrauliques à plus grande échelle.<br />
III.5<br />
La simulation<br />
<strong>SIMBA</strong> permet de définir des scénarios de simulation très complets, en choisissant :<br />
• des hydrogrammes de crues (débits entrant dans l’aménagement) observés ou théoriques ;<br />
• d’éventuelles pertes d’information, par exemple sur les niveaux mesurés ;<br />
• différents types d’incident (déclenchement de groupe, défaut sur une vanne ...) qui peuvent être<br />
immédiats ou sur manœuvre.<br />
Les simulations peuvent se dérouler en temps réel et/ou accéléré (cette dernière possibilité étant par exemple<br />
utilisée une fois que le barrage est effacé, jusqu’à reprise de la conduite par l’exploitant).<br />
Lors de l’entraînement d’un exploitant, la simulation se déroule en mode manuel, l’exploitant manœuvrant<br />
au fur et a mesure du temps ses ouvrages via l’IHM du panneau de commande.<br />
Il existe également un mode dit « démonstration » permettant d’appliquer de façon automatique une loi de<br />
conduite préalablement configurée pour l’aménagement dans le simulateur. Cette loi de conduite est basée<br />
(cf. II) :<br />
• sur une conduite en débit de type « Dordogne » pour les aménagements capacitifs ;<br />
• sur une régulation de niveau de type PI (avec terme de tendance sur le débit amont et parfois<br />
d’anticipation sur la consigne issue de loi d’abaissement) pour les aménagements BMR.<br />
Concernant ce mode démonstration il est important de préciser que <strong>SIMBA</strong> est un outil d’entraînement des<br />
exploitants utilisé hors période de crue pour des besoins de formation, et qu’il n’a pas vocation à assister<br />
l’exploitant pendant le passage des crues, ni à reproduire le fonctionnement d’un automate de conduite.<br />
Néanmoins le mode démonstration est utile lorsqu’il s’agit de piloter rapidement le bief et ses ouvrages vers<br />
un état déterminé (par exemple avant la pointe de crue), avant de rendre la main à l’exploitant.<br />
Il peut également servir à l’Ingénierie, en complément de modèles et d’études hydrauliques plus classiques,<br />
afin d’optimiser des consignes de crue ou vérifier que les objectifs de ces consignes sont bien respectés.
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IV DEPLOIEMENT<br />
Le simulateur <strong>SIMBA</strong> (version 1) a été conçu pour les aménagements capacitifs à partir de 1999. La quasi<br />
totalité des aménagements de ce type au sein du parc EDF en sont dotés pour la formation de leurs<br />
exploitants, qui suivent régulièrement des sessions de recyclage.<br />
L’extension du simulateur <strong>SIMBA</strong> aux ouvrages BMR a été réalisée en 2006 (version 2.0), et le<br />
déploiement de l’outil sur plus de 70 ouvrages de ce type (sur la période 2006-2009).est bien avancé.<br />
Pour chaque barrage ce déploiement comprend :<br />
• la collecte des données (consignes de crues, caractéristiques de l’aménagement, bathymétrie, crues<br />
types, abaques de débitances, etc.) complétée le plus souvent par une visite du terrain et des<br />
installations ;<br />
• la modélisation hydraulique et la configuration des ouvrages et des IHM ;<br />
• une première session de formation réalisée sur site. Ces sessions de formation à la conduite des<br />
BMR se déroulent sur plusieurs jours et traitent de l’ensemble des principes et règles<br />
d’exploitation en période de crue (générales et spécifiques à l’aménagement). Le simulateur<br />
<strong>SIMBA</strong> constitue le volet « appliqué » de cette formation ;<br />
• après éventuels ajustements suite aux retours de l’exploitant, la configuration <strong>SIMBA</strong> est installée<br />
sur un serveur. En complément de sessions de recyclage organisées régulièrement, l’exploitant<br />
peut à tout moment se connecter à ce serveur et s’entraîner à passer une crue.<br />
V DEVELOPPEMENTS ULTERIEURS<br />
<strong>SIMBA</strong> version 2.0 ne traite que d’un aménagement pris isolément. Son extension au cas de plusieurs<br />
aménagements enchaînés (de quelques aménagements en cascade à l’ensemble d’une vallée) est prévue dans<br />
la version 2.1, en cours de développement. Cette version :<br />
• permettra de connecter plusieurs aménagements (capacitifs et/ou BMR), certains pouvant être<br />
simulés en mode manuel, d’autres en mode démonstration ;<br />
• implémentera des modèles hydrauliques de propagation-diffusion (type Hayami) à coefficients<br />
variables. Ce modèle pourra être utilisé pour calculer le transfert de débit soit à partir d’une station<br />
de mesure située sur un affluent non modélisé, soit entre deux aménagements consécutifs<br />
éloignés ;<br />
• Améliorera divers points concernant l’ergonomie (visualisation des lignes d’eau) ou la souplesse<br />
du paramétrage (utilisation généralisée du serveur de formules).<br />
Cette nouvelle version permettra, à partir de 2010, de former et d’entraîner les exploitants à gérer les<br />
ouvrages en crue dans des conditions encore plus réalistes.