Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire de constructions hydrauliques LCH)

Modèle de prévision et de gestion des crues : optimisation des opérations des aménagements hydroélectriques à accumulation pour la réduction des débits de crue

Jordan, Frédéric ; Schleiss, Anton (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2007 ; no 3711.

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    Summary
    Floods are not only due to fatality. It is the responsibility of the human being to protect himself from heavy damages due to natural elements, and he sometimes has the chance to profit from a given situation to influence events. One of these possibilities is to manage floods by using existing dams and reservoirs, which can be efficiently operated to control the downstream discharges. Moreover, their retention capabilities may be enhanced by preventive gate or turbine operations, based on a flood forecast. The objectives of this research were to develop a new model for flood prediction and management for the Rhone river basin upstream from Lake of Geneva. Also, the underlaying objective was to create an operational discharge prediction and decision making tool, taking advantage of 72 hours ahead of the weather forecast provided by MeteoSwiss. A new hydrological model was developed, as well as another optimization tool for the preventive turbine and gate operations of large hydropower reservoirs. The new hydrological forecasting tool is based on a concept developed by the HYDRAM-EPFL. This concept allows the model to integrate tri-dimensional rainfall, temperature and evapo-transpiration fields and to simulate multiple hydrological processes. Indeed, the model is able to simulate glacier melt, snow pack constitution and melt, soil infiltration and runoff. The altimetric temperature gradient is considered by subdividing each basin into elevation bands, which allows segregating rainfalls and snowfalls. A new software called Routing System II was used and improved for modelling the catchment area. This object-oriented modelling tool permits the integration of flood routing in rivers as well as hydraulic structures such as river water intakes, reservoirs, turbines, gates and regulated systems. All these new products were used to build a flood prediction model, including the 10 major hydropower plants of the Rhone river basin upstream from Lake of Geneva. It has been calibrated and validated over a 60 months' period for an one hour time step continuous simulation. It also integrates all hydroelectricity production data of the existing hydropower plants. Its performance allows to correctly represent all hydrological cycles, as well as the observed floods, whose phases and intensities were perfectly simulated. Moreover, a new procedure for real-time data assimilation was developed in the model, in order to automatically adjust the initial conditions before starting a new hydrological forecast. The new optimization tool uses the hydrological forecast, especially the inflow forecasts in the reservoirs and the hydrographs at the numerous control points in the river network. This tool takes into account the mentioned data in order to provide an operational decision about any necessary preventive turbine or gate operations. It also allows the decision maker to obtain an indication on the cost of the decisions and of the non-decisions, as well as of the cost of an inappropriate decision due to an error in the flood forecast. This algorithm was validated against full simulation and against another optimization evolutionary algorithm called MOO , developed in the LENI-EPFL. It is able to provide a similar efficiency without excessive computation time, and to forward these results automatically into the simulation model for validation. The operational performance of the flood prediction and management model was evaluated by simulation of two major flood events occurred in the Rhone river basin in September 1993 and October 2000, as well as by a first operational use in September 2006. The obtained results indicated, that if the decisions relative to the operations of the 10 considered hydropower plants had been in accordance with the new decision tool, the decision would have been similar to a posteriori optimal solution. The application of the model to the Rhone River catchment area demonstrates the possibility to widely increase the protection effect due to the existing reservoirs. In fact, the observed reduction of the peak flow in the Rhone basin outlet was 12% in 1993 and 10% in 2000. By using the new model, the reduction would have reached 26% in 1993 and 21% in 2000. In this case, important damages could have been avoided near the riverside. This research project offers the possibility to highlight the potential of an increased flood routing into the existing accumulation reservoirs. It leads to a new theoretical optimization model, which can be used at a planification stage to evaluate the optimal flood routing influence of a multireservoir system. Finally, a new flood forecast and management model was developed for the Rhone River catchment area. This tool is in operation and its aim is now to optimize the existing flood protection potential. Thanks to its new performing forecast, data assimilation and optimization tools, the model is user-friendly and can be used in real-time. Although the system is now operational and convincing, it would be more profitable to explore the possibilities of dealing with uncertainty in the whole information path of the system. As a main goal, the system should be capable of providing the decision maker with an optimal decision and its associated objective risks.
    Résumé
    Les crues ne sont pas seulement une fatalité. Les dégâts qu'elles engendrent, la peur qu'elles suscitent et les vies qu'elles emportent ne résultent pas toujours de la puissance seule des éléments, et l'Homme a le devoir de s'en prémunir, dans la mesure de ses possibilités. L'une d'entre elles conduit à exploiter au mieux certains ouvrages issus de son génie : ce sont les grands barrages et leurs retenues d'accumulation. Par leurs capacités, par leur flexibilité, ils offrent un moyen efficace de gérer les débits dans les cours d'eau situés en aval, grâce à la rétention d'importants volumes dans leurs réservoirs. Ils permettent de plus de libérer par avance le volume nécessaire à la protection contre les crues, sans pertes économiques, au moyen des turbines et des organes de vidange vannés. Cela s'appelle la vidange préventive. Ce travail de recherche a comme objectif de développer les méthodes d'évaluation des opérations de vidange préventives des retenues d'accumulation, nécessaires à la protection contre les crues du Rhône à l'amont du Léman, et d'en extraire un outil d'aide à la décision. Ce système se compose de plusieurs modèles qui, assemblés bout à bout, fournissent aux décideurs les informations nécessaires pour permettre un choix objectif. Le premier composant du système est un modèle de prévision météorologique développé et exploité par MétéoSuisse, le deuxième un modèle de prévision hydrologique, et le dernier un modèle d'optimisation des opérations de vidange préventives des réservoirs. Le modèle de prévision hydrologique se base sur un concept de modélisation hydrologique semi-distribuée, développé à l'HYDRAM-EPFL. Ce concept permet l'intégration de champs tridimensionnels de températures, précipitations et évapo-transirations potentielles pour simuler les processus de fonte des glaciers, de constitution et de fonte du manteau neigeux, d'infiltration et de ruissellement de surface. L'outil informatique mis au point et utilisé pour cette modélisation, Routing System II, permet aussi le routage des débits dans les cours d'eau ainsi que l'intégration explicite d'ouvrages hydrauliques tels que prises d'eau en rivière, collecteurs, réservoirs, évacuateurs de crue et turbines. Ces différents outils sont exploités au mieux dans ce travail de recherche pour la construction d'un modèle de simulation du bassin versant du Rhône à l'amont du Léman, incluant les 10 principaux aménagements hydroélectriques qui s'y trouvent. Il est calé et validé pour un pas de temps horaire sur une période totale de 60 mois, et intègre également les données de production hydroélectrique des aménagements considérés. Sa performance lui permet de représenter les différents cycles hydrologiques, ainsi que les crues dont l'intensité et la phase sont judicieusement reproduites par le modèle. Enfin, le modèle développé dans ce travail est capable d'assimiler en temps réel les observations pour s'ajuster automatiquement et ainsi améliorer ses conditions initiales avant d'effectuer une nouvelle prévision hydrologique. L'outil d'optimisation des opérations préventives s'appuie sur les prévisions hydrologiques et fournit des consignes opérationnelles claires, en exploitant de manière déterministe les prévisions de débit entrant dans les retenues ainsi que les prévisions de débit aux différents points de contrôle dans les cours d'eau aval. Il est en outre capable de fournir les coûts associés aux décisions, aux non-décisions et à une erreur de prévision. Cet algorithme a été validé par comparaison avec un algorithme évolutif appelé MOO, développé au LENI-EPFL, et offre une performance similaire, tout en nécessitant des temps de calcul largement inférieurs. Les résultats proposés par l'outil d'optimisation sont automatiquement intégrés dans le modèle de simulation hydrologique où ils sont finalement validés. La performance du modèle de prévision et de gestion des crues a été mesurée sur la base des crues historiques de 1993 et 2000, ainsi que lors de l'alerte crue de septembre 2006 où il a été utilisé de manière opérationnelle. Les résultats obtenus indiquent que malgré le haut degré d'incertitude entourant les modèles de prévision, les décisions proposées par le système sont proches des décisions optimales prises a posteriori. L'application de ce système au bassin versant du Rhône à l'amont du Léman démontre que l'effet de laminage historiquement produit par les réservoirs peut être largement augmenté. En effet, la réduction du débit de pointe par laminage, observée dans le Rhône à l'exutoire du bassin versant, était de 12% en 1993 et de 10% en 2000. Si le modèle de prévision et de gestion des crues avait été exploité lors de ces crues, la réduction du débit de point aurait pu atteindre 26% et 1993 et 21% en 2000, ce qui aurait permis d'éviter des dégâts importants à proximité du cours d'eau. Ce travail de recherche a permis d'une part de démontrer le potentiel de protection contre les crues par la gestion optimisée des aménagements hydroélectriques à accumulation. Il a d'autre part abouti à un modèle de gestion théorique utile en phase de planification, et enfin à un modèle opérationnel, appliqué au bassin versant du Rhône, dont l'objectif est maintenant d'exploiter au mieux ce potentiel de protection. Grâce à des outils de modélisation, de prévision, d'assimilation et d'optimisation compacts et performants, le modèle est convivial et utilisable en temps réel. Bien que ce système soit actuellement opérationnel et convainquant, il serait encore profitable d'approfondir le traitement de l'incertitude dans toute la chaîne d'information du système, avec en point de mire l'indication, pour chaque décision, de son risque objectif associé.
    Zusammenfassung
    Zusamenfassung Hochwasser müssen nicht immer einer Katastrophe gleichkommen. Die durch Hochwasser entstehenden Gefahren, Schäden und Opfer sind nicht immer allein das Ergebnis der Naturgewalten. Der Mensch hat innerhalb gewisser Grenzen die Möglichkeit, Vorkehrungen und vorbeugende Massnahmen zu treffen. Eine dieser Möglichkeiten, sich vor Hochwassern und Überflutungen zu schützen, besteht in einem vorausschauenden Betriebsmanagement vorhandener Talsperren und Staudämme mit ihren grossen Reservoirs, insbesondere der Regelung der Wasserabgabemangen in sich unterhalb der Anlage anschliessende Gewässer. Darüber hinaus kann das enorme Retentionspotential dieser Anlagen ohne nennenswerte finanzielle Einbussen mittels Vorabsenkungen durch geregelte Entleerungs- und Entlastungsorgane sowie Turbinebetrieb effizient ausgeschöpft werden. Die Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens war es daher, ein neues Modell zur Hochwasservorhersage und Management für das Einzugsgebiet der Rhone oberhalb des Genfer Sees zu entwickeln. Darüber hinaus sollte ein funktionsfähiges Werkzeug hinsichtlich erforderlicher präventiver Staupegelabsenkungen sowie zu treffender Entscheidungen entwickelt werden. Einen ersten Baustein stellt in diesem Zusammenhang ein 72 Stunden Wettervorhersagemodell, welches von MeteoSchweiz zur Verfügung gestellt wird, dar. Den zweiten wesentlichen Baustein bildet ein neues hydrologisches Vorhersagemodell. Im letzten Baustein wird ein Optimierungswerkzeug bezüglich der Steuerung und Regelung im Sinne eines vorbeugenden Entleerungs- und Turbinebetriebes entwickelt. Das neue hydrologische Vorhersagemodell basiert auf einem Konzept, welches am HYDRAM-EPFL entwickelt wurde. Dieses Konzept ermöglicht die Integration einer dreidimensionalen Temperaturverteilung, potentieller Niederschläge sowie Evapotranspiration zur Simulation von Gletscherschmelzprozessen, Aussagen über die Zusammensetzung und Beschaffenheit von Schnee zu treffen sowie Infiltrations- und Oberflächenabflusse zu berücksichtigen. Die höhenabhängige Temperaturverteilung erfolgt über eine Einteilung jedes Untereinzugsgebietes in Höhenbänder. In jedem Höhenband kann zudem zwischen Niederschlag und Schneefall unterschieden werden. Zur Modellierung des Einzugsgebietes wurde eine neue und verbesserte Version der Software Routing System II verwendet. Dieses objektorientierte Simulationswerkzeug ermöglicht die Integration von Routingprozessen in Flüssen sowie die Implementierung hydraulischer Strukturen wie Wasserfassungen, Vorratsbehälter, Sammler, Turbinen und Regelungssystemen. Alle oben genannten Werkzeuge wurden schliesslich dazu verwendet, ein Hochwasservorhersagemodell einschliesslich der zehn im Einzugsgebiet vorhandenen Wasserkraftanlagen für das Flussgebiet der Rhone oberhalb des Genfer See zu entwickeln. Das Modell ist in Stundenzeitschritten über einen Zeitraum von 60 Monaten kalibriert und validiert worden. Darüber hinaus sind alle relevanten Daten der vorhandenen Wasserkraftanlagen in das Modell integriert. Mit Hilfe des Modells können alle hydrologischen Zyklen sowie Hochwasser in Phase und Intensität richtig reproduziert werden. Ausserdem wurde ein neues Verfahren zur Integration von Echtzeitmessdaten in das Modell implementiert. Auf diese Weise passt sich das Modell den beobachteten Messdaten automatisch an und verbessert und korrigiert die neuen Ausgangsbedingungen, bevor es eine neue hydrologische Prognose beginnt. Das neue Optimierungsmodell für den präventiven Hochwasserbetrieb stützt sich auf die hydrologische Prognose und liefert klare betriebliche Anweisungen. Es verwendet hierbei deterministisch die Zustromprognosen in die Talsperren sowie die Abflussvorhersagen der zahlreichen Messstellen an den Gewässern im Einzugsgebiet. Darüber hinaus ist es ebenfalls in der Lage, Aussagen über die Kosten der jeweiligen Entscheidung, Nicht-Entscheidung oder eines Vorhersagefehlers zu treffen. Der neue Algorithmus ist mit einem anderen Optimierungsund Entwicklungsalgorithmus, MOO genannt, der am LENI der EPFL entwickelt worden ist, validiert worden. Hier hat sich gezeigt, dass er eine ähnliche Leistungsfähigkeit besitzt, allerdings wesentlich geringere Berechnungszeiten erfordert. Die Berechnungsergebnisse des Optimierungstools werden automatisch in die hydrologische Simulation integriert, wo sie schliesslich validiert werden. Die Funktionsfähigkeit des Hochwasservorhersage- und Betriebsmanagementsystems ist mittels Simulation zweier Hochwasserereignisse, die im September 1993 und im Oktober 2000 im Einzugsgebiet der Rhone abgelaufen sind, sowie dem Septemberhochwasser 2006, wo es zum ersten mal operativ eingesetzt worden ist, getestet und bewertet worden. Die Berechnungsresultate haben gezeigt, dass trotz eines hohen Unsicherheitsfaktors bei den Vorhersagemodellen, die vom Programm vorgeschlagenen Entscheidungen sehr nahe an den optimalen Entscheidungen lagen, die bereits vorher gefällt wurden. Die Anwendung des Modells im Rhoneeinzugsgebiet oberhalb des Genfer Sees zeigt, dass der Retentionseffekt, den die vorhandenen Speicher bereits in der Vergangenheit bewirkt haben, noch erheblich verbessert werden kann. Die tatsächlich beobachtete Verringerung der Abflussspitzen in der Rhone am Aufluss des Einzugsgebietes betrug im Jahr 1993 12% und im Jahr 2000 10%. Bei Verwendung des neuen Modells hätte eine Verringerung des Abflussscheitels von 26% (1993) bzw. von 21% (2000) erreicht werden können. Auf diese Weise hätten die grössten Hochwasserschäden in unmittelbarer Nähe zur Rhone vermieden werden können. Dieses Forschungsprojekt hat zum einen die Möglichkeit aufgezeigt, welch grosses Potential die vorhandenen Speicher hinsichtlich Hochwasserschutz bieten. Zum anderen hat das Projekt zu einem neuen theoretischen Optimierungsmodell geführt, welches sowohl im Planungsstadium als auch im operativen Hochwasserschutz eingesetzt werden kann, um dieses Potential mittels eines optimierten und abgestimmten Betriebes effizient auszuschöpfen und einen bestmöglichen Retentionseffekt zu erzielen. Auf Grund von kompakten und leistungsstarken Simulations-, Vorhersage-, Anpassungs- und Optimierungswerkzeugen ist das entwickelte Modell sehr benutzerfreundlich und kann in Echtzeit betrieben werden. Obgleich das Modell funktionsfähig und überzeugend ist, wäre es wünschenswert, weitere Unsicherheitsquellen in der Informationskette zu identifizieren und zu verbessern. Am Ende sollte der Blickpunkt darauf gerichtet sein, das System so auszubauen, dass jede Entscheidung mit einem objektiven Risiko verknüpft ist.