Traitement et analyse de séries chronologiques continues de ...
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Partie 5 – Chapitre 14 : Modèles de type Accumulation-Erosion-Transfert A chaque itération nΔt, on calcule Q S1 et Q S2 , tels que : Pour n n no : deb QS1( nt ) 0 Q S Pour 2( nt ) 0 n noH : H t t S1 K S1 K e H Q ( nt ) e Q (( n1) t) (1 e ) Q ( nt no t) Q t t S2 t K K ( nt ) e QS 2(( n 1) t) (1 e ) QS1( n ) Eq. 14.10 Eq. 14.11 Pour ensuite obtenir le débit total Q ex à l’exutoire d’un bassin versant unitaire, il faut prendre en compte le débit de temps sec Q TS estimé à l’exutoire: Q ex ( n t) Q 2( nt ) Q ( nt ) Eq. 14.12 S TS 14.3 Modèle qualité En temps de pluie, le principe général du modèle de qualité consiste à comparer à chaque pas de temps la concentration en sédiments entrante totale dans le réseau et la capacité de transport totale de l’écoulement : - La concentration totale entrante est calculée à partir de la masse de sédiments entrant dans le réseau, rapportée au débit total en amont du réseau. Ce dernier n’étant pas connu, il est estimé par le débit à l’exutoire, hypothèse considérée comme acceptable étant donné la taille réduite des bassins versants étudiés. - Les sédiments entrants proviennent de l’érosion des sédiments de surface par la pluie, de l’érosion des dépôts dans le réseau et des sédiments de temps sec pour les réseaux unitaires. - La quantité de sédiments transportée est transférée à l’exutoire du réseau, tandis que la part des sédiments déposés dans le réseau est disponible pour être érodée au pas de temps suivant. Les différentes étapes de modélisation sont, dans l’ordre et pour toutes les niveaux de complexité : En temps sec : 1. Calcul de la masse de sédiments accumulée sur la surface du bassin versant et dans le réseau Puis en temps de pluie : 2. Calcul de la masse de sédiments érodée sur la surface et dans le réseau 3. Calcul de la concentration entrante totale et des classes de sédiments associées 4. Calcul de la capacité de transport totale de l’écoulement 5. Calcul des concentrations totales transportées et déposées 6. Calcul des concentrations totales transportées en suspension et par charriage 238
Partie 5 – Chapitre 14 : Modèles de type Accumulation-Erosion-Transfert 7. Transit des sédiments jusqu’à l’exutoire du réseau Nous détaillons dans les parties suivantes ces 7 étapes. 14.3.1 Accumulation des sédiments en temps sec sur la surface et dans le réseau Accumulation sur la surface L’accumulation des sédiments sur la surface et dans le réseau est représentée par un modèle exponentiel asymptotique croissant (Sartor et al. 1974) avec deux paramètres de calage. Cette formulation a été reprise pour les raisons suivantes : i) l’analyse des données a mis en évidence une influence des conditions antérieures de temps sec sur la production des polluants (cf. partie 4) et ii) il n’est pas possible, à ce stade de l’analyse, de proposer un modèle plus spécifique. L’accroissement de la masse totale accumulée sur la surface du bassin versant s’écrit : dMs() t kS Ms max Ms() t Eq. 14.13 dt En intégrant la formule sur la durée de temps sec totale DTS : kSDTS Ms DTS) Ms ( Ms Ms ) (1 e ) Eq. 14.14 ( ini max ini avec k S le paramètre d’accumulation [J -1 ], et Ms, Ms ini et Ms max les masses totales de sédiments [kg], respectivement accumulée sur le bassin versant à l’issue de la durée de temps sec DTS [s], au début de la durée de temps sec DTS et maximum. Ms ini , Ms max et k S sont des paramètres à estimer par calage. Accumulation dans le réseau La masse déposée dans le réseau pendant une durée de temps sec DTS s’écrit : kRDTS Mr DTS) Mr ( Mr Mr ) (1 e ) Eq. 14.15 ( ini max ini avec Mr ini la masse déposée dans le réseau au début de la période de temps sec DTS [kg], Mr max la masse maximum qui peut se déposer dans le réseau [kg] et k R le paramètre de sédimentation [J -1 ] et DTS la période de temps sec [J] On ne considère ici qu’une seule classe de sédiments, qui est la classe des sédiments de temps sec. On fait l’hypothèse que les sédiments de temps de pluie à la fin d’un événement pluvieux ont été transportés par charriage ou par suspension à l’exutoire, ou s’il reste des sédiments déposés, qu’ils ne sont pas érodés jusqu’à la prochaine pluie. Renoncer à cette hypothèse reviendrait à estimer l’accumulation séparément pour chaque classe de sédiments, et donc estimer lors du calage autant de paramètres de sédimentation k R qu’il y a de classes de sédiments. 239
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Partie 5 – Chapitre 14 : Modèles <strong>de</strong> type Accumulation-Erosion-Transfert<br />
A chaque itération nΔt, on calcule Q S1 <strong>et</strong> Q S2 , tels que :<br />
Pour n n no :<br />
<strong>de</strong>b<br />
QS1( nt<br />
) 0<br />
Q S<br />
Pour<br />
2(<br />
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n noH<br />
:<br />
H<br />
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S1<br />
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K<br />
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n 1)<br />
t)<br />
(1 e ) QS1(<br />
n<br />
)<br />
Eq. 14.10<br />
Eq. 14.11<br />
Pour ensuite obtenir le débit total Q<br />
ex à l’exutoire d’un bassin versant unitaire, il faut<br />
prendre en compte le débit <strong>de</strong> temps sec Q TS estimé à l’exutoire:<br />
Q<br />
ex<br />
( n t)<br />
Q<br />
2(<br />
nt<br />
) Q ( nt<br />
)<br />
Eq. 14.12<br />
S<br />
TS<br />
14.3 Modèle qualité<br />
En temps <strong>de</strong> pluie, le principe général du modèle <strong>de</strong> qualité consiste à comparer à chaque<br />
pas <strong>de</strong> temps la concentration en sédiments entrante totale dans le réseau <strong>et</strong> la capacité <strong>de</strong><br />
transport totale <strong>de</strong> l’écoulement :<br />
- La concentration totale entrante est calculée à partir <strong>de</strong> la masse <strong>de</strong> sédiments entrant<br />
dans le réseau, rapportée au débit total en amont du réseau. Ce <strong>de</strong>rnier n’étant pas<br />
connu, il est estimé par le débit à l’exutoire, hypothèse considérée comme acceptable<br />
étant donné la taille réduite <strong>de</strong>s bassins versants étudiés.<br />
- Les sédiments entrants proviennent <strong>de</strong> l’érosion <strong>de</strong>s sédiments <strong>de</strong> surface par la pluie,<br />
<strong>de</strong> l’érosion <strong>de</strong>s dépôts dans le réseau <strong>et</strong> <strong>de</strong>s sédiments <strong>de</strong> temps sec pour les réseaux<br />
unitaires.<br />
- La quantité <strong>de</strong> sédiments transportée est transférée à l’exutoire du réseau, tandis que<br />
la part <strong>de</strong>s sédiments déposés dans le réseau est disponible pour être érodée au pas <strong>de</strong><br />
temps suivant.<br />
Les différentes étapes <strong>de</strong> modélisation sont, dans l’ordre <strong>et</strong> pour toutes les niveaux <strong>de</strong><br />
complexité :<br />
En temps sec :<br />
1. Calcul <strong>de</strong> la masse <strong>de</strong> sédiments accumulée sur la surface du bassin versant <strong>et</strong><br />
dans le réseau<br />
Puis en temps <strong>de</strong> pluie :<br />
2. Calcul <strong>de</strong> la masse <strong>de</strong> sédiments érodée sur la surface <strong>et</strong> dans le réseau<br />
3. Calcul <strong>de</strong> la concentration entrante totale <strong>et</strong> <strong>de</strong>s classes <strong>de</strong> sédiments associées<br />
4. Calcul <strong>de</strong> la capacité <strong>de</strong> transport totale <strong>de</strong> l’écoulement<br />
5. Calcul <strong>de</strong>s concentrations totales transportées <strong>et</strong> déposées<br />
6. Calcul <strong>de</strong>s concentrations totales transportées en suspension <strong>et</strong> par charriage<br />
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