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CTN- 762 RESSOURCES HYDRI QUES

Travail pratique 1 : I nt roduct ion au modle hydrologiqu e HEC-HMS

Remise : 29 janvier 2010 ou avant (5 %)

1 I NTRODUCTI ON

Le modle hydrologique dterministe et conceptuelHEC-HMS (Hydrologic Modeling System) a

longtemps t un modle appliqu la simulation d'un vnement donn. Par contre, les versions

rcentes permettent de simuler en continu sur une longue priode grce des modules de calculs

d'vapotranspiration, dhumidit du sol et daccumulation/fonte de neige. Toutefois, dans le cadre

du cours Ressources hydriques, le modle sera utilis sur une base vnementielle .

HEC-HMS est un modle distribu qui permet de subdiviser un bassin versant en plusieurs

parties, appeles sous-bassins, qui sont considres comme ayant chacune des caractristiqueshomognes. Il est particulirement bien adapt pour simuler le comportement hydrologique de

bassins versants non urbaniss. HEC-HMS permet galement de simuler et dincorporer des

rservoirs et des drivations.

Le modle hydrologique HEC-HMS comprend une interface graphique, des capacits pour la

manipulation, la gestion et le stockage de donnes, ainsi que des possibilits daffichage et

dimpression de rsultats. Il fait suite au modle hydrologique HEC-1, dvelopp durant les

annes 70 et qui est aujourdhui encore le modle hydrologique le plus employ aux tats-Unis.

Le modle hydrologique HEC-HMS a t dvelopp par le Hydrologic Engineering Center (HEC) duU.S. Army Corps of Engineers (USACE). Une description dtaille de HEC-HMS et sa

documentation complte peuvent tre consultes sur le site Internet du USACE . Le logiciel peut

aussi y tre tlcharg. Il est gratuit. La version utilise dans ce cours est la 3.1.0 . Pour

tlcharger cette version et linstaller la maison, vous devez aller dans les Archived Versions

pour Windows, http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-hms/download.html.

Le but de ce travail pr atiqu e est de vous fam iliari ser avec le fonctionn ement d u modle

HEC-HMS. Vous aurez effectuer une srie dtapes qui vont vous permettre de raliser une

simulation hydrologique. La Rivire du Loup, illustre la page 11, servira d'exemple pour

effectuer les simulations. La superficie totale de son bassin versant est 1039 km

2

, sa topographieest plutt vallonne et montagneuse et le territoire est bois et agricole.

Le modle du bassin versant sera reprsent dans HEC-HMS par trois sous-bassins, nomms

respectivement Rivire du Loup aval , Rivire Fourchue et Rivire du Loup amont . Un

tronon de rivire sera ajout pour simuler l'coulement provenant des sous-bassins vers l'exutoire

du bassin versant. cet endroit, l'coulement du sous-bassin Rivire du Loup aval sera ajout.

Trois stations mtorologiques hypothtiques sont proximit du bassin (voir page 11) :

P-Fleuve (donnes horaires) P-Fourchue (donnes quotidiennes)

P-Temiscouata (donnes quotidiennes)

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Introduction au modle hydrologique HEC-HMS Page 2

2 TAPES DUNE SI MULATI ON AVEC HEC-HMS

Pour effectuer une premire simulation, il est ncessaire de crer une base de donnes pour

caractriser le bassin versant et dterminer les averses qui seront employes comme donnes

dentre du modle. Les principales tapes de la simulation sont :

1. Dmarrage dun nouveau projet2. Dfinition du modle de bassin versant3. Entre des donnes mtorologiques4. Dfinition du modle de prcipitation

5. Dfinition des paramtres de contrle dela simulation

6. Cration et excution dune simulation7. Visualisation des rsultats

Une description sommaire est maintenant prsente.

2.1 Dmarrage dun nouveau proj et

Avant de dbuter avec HMS, copiez partir de votre Poste de travail le fichier loup.map lemplacement o vous enregistrerez votre projet. Ce fichier est situ dans le dossier Du Loup

dans le rpertoire du cours de M:\ctn762.

Aux laboratoires informatiques, le dmarrage dune session HEC-HMS se fait via Tous les

programmes et Hydrologic modelling system . Linterface et les composantes principales du

logiciel HEC-HMS version 3.1.0 sont schmatises sur la figure suivante.

Figure 1. Interface du modle hydrologique HEC-HMS

En rsum, la fentre Explorateur donne un accs rapide toutes les composantes, simulations

et rsultats du projet. La fentre diteur permet de modifier les variables et paramtres dcrivant

Explorateur

diteur

Bureau

Zone demessages

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le bassin versant, les processus simuls et les informations lies aux donnes mtorologiques. Le

Bureau est lespace o le modle de bassin versant est cr et illustr sous forme de schma.

Certaines informations sur le bassin introduites par lentremise de lditeur peuvent tre obtenues

rapidement en cliquant directement sur les lments du schma. La Zone de messages est lelien entre lusager et le modle. Elle dfile en temps rel les oprations effectues par lusager et

lui dicte les avertissements et erreurs.

Vous allez maintenant dbuter le modle de la rivire du Loup. De retour dans linterface

principale, dans le menu File, slectionnez New. Dans la fentre Create a New Proj ect, entrez

le nom du projet ainsi qu'une courte description. Par la suite, localisez le nom du rpertoire dans

lequel tous les fichiers crs par HEC-HMS seront sauvegards. Attention, les dossiers composant

le chemin daccs au rpertoire ne doivent pas contenir de nom avec des accents. Enfin, choisissez

Metric comme Default Unit System . Il est prfrable de ne pas utiliser les accents et les

caractres spciaux . Appuyez sur Create lorsque vous avez termin. Remarquez que votredossier projet est dans la fentre Explorateur sous longlet Components.

De linterface principale, slectionnez Project Options dans le menu Tools. Pour l'onglet

Defaults, choisissez les options suivantes (ces notions seront couvertes en classe) :

Unit system : metric Loss : SCS Curve Number (le calcul de l'eau 'produite', ou la pluie nette) Transform : Snyder Unit Hydrograph (la transformation de la pluie nette en eau

transfre lexutoire du bassin avec la mthode de l'hydrogramme unitaire de Snyder)

Baseflow : Recession (le calcul de l'coulement de base) Routing : Muskingum (le laminage de l'hydrogramme en rivire) Precipitation : Gage Weights Evapotranspiration : None Snowmelt : None

2.2 Dfinit ion du m odle de bassin versant

Du menu contextuel de linterface principale, cliquez sur Component s, Basin Model Manager,

New. Une fentre Creat e aNew Basin Model apparatra. Donnez le nom du bassin Riviere du

Loup et une courte description. Cliquez sur OK. Le dossier Basin Models apparatra danslExplorateur . Double-cliquez sur le dossier Basin Models et ensuite sur le bassin Riviere du

Loup cr. Une fentre Basin Model apparatra sur le Bureau . Dans cette fentre, il faudra

incorporer les 3 sous-bassins comprenant le bassin versant de la Rivire du Loup, des jonctions

ainsi quun tronon de rivire (reach). Afin d'avoir un repre visuel pour vous aider construire

votre modle de bassin, vous pouvez inclure une carte en arrire-plan, comme montr la page

suivante de ce document. Pour ce faire, allez dans le menu View l'item Background maps.

Cliquez sur Add et allez chercher le fichier duloup.map l'endroit o il a t copi dans le

rpertoire de votre projet.

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Lapproche gnrale pour construire le modle de bassin versant consiste cliquer sur l'icne

approprie en bordure suprieure de linterface principale (sous les menus contextuels) et

amener cette icne dans la zone principale avec laide de la souris. Par la suite, il faut apporter

une attention particulire relier ces divers lments ensemble. Ceci se fait en slectionnant unlment, en appuyant sur le bouton droit de la souris pour obtenir un menu contextuel et en

choisissant alors Connect downstream (ce qui signifie quil faut spcifier quel est l'lment qui

se trouve en aval qui recevra les eaux de cet lment cest--dire dans le sens de lcoulement).

Le curseur de la souris change de forme pour permettre de slectionner l'lment en aval. Un trait

reliant les lments apparatra pour montrer que l'opration a russi. Nommez chacun des

lments crs comme dans la reprsentation de la figure suivante. Une fois le schma complt,

cliquez dans le menu File et sur Save.

Figure 2. Reprsentation du bassin versant de la rivire du Loup dans le modle HEC-HMS

Les paramtres propres chaque sous-bassin et au tronon de rivire sont incorpors en cliquantsur licne correspondant llment choisi dans lexplorateur et en prcisant les paramtres des

onglets Loss, Transform , Baseflow , Subbasin et Routing de lditeur. Les paramtres

peuvent galement tre entrs d'une autre faon, en procdant par lment du cycle hydrologique

en cliquant sur le menu Parameters du menu contextuel. Les paramtres qui seront incorpors

aux lments du modle de bassin sont les suivants (leur description sera vue en classe au cours

de la session) :

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Tableau 1. Donnes de base des sous-bassins

Sous-bassin : du LoupAmont

Sous-bassin : du Loup Aval Sous-bassin : Four chue

Area: 608 km2Initial Abstraction : 7 mmCurve number : 50Impervious: 20 %Standard lag : 6 heuresPeaking coefficient : 0,7Initial discharge : 0,0608 m3/sRecession constant : 0,8Threshold type : ratio-to-peakRatio = 0,1

Area : 110 km2Initial Abstraction : 4 mmCurve number : 60Impervious: 25 %Standard lag : 3 heuresPeaking coefficient : 0,7Initial discharge : 0,011 m3/sRecession constant : 0,8Threshold type : ratio-to-peakRatio = 0,1

Area : 321 km2Initial Abstraction : 9 mmCurve number : 40Impervious: 15 %Standard lag : 4,5 heuresPeaking coefficient : 0,7Initial discharge : 0,0321 m3/sRecession constant : 0,8Threshold type : ratio-to-peakRatio = 0,1

Tableau 2. Donnes de base du tronon

Tronon de rivire (Reach) : rivier e du LoupMuskingum K : 3 heuresMuskingum X : 0,2# of sub-reaches : 8

2.3 Dfinition des stations mtorologiques

2.3.1 donnes horaires

Dans linterface principale, ouvrir le menu Components et choisissez Time-Series Data

Manager . Une fentre Time-Series Data Manager apparatra. Choisissez Data Type :

Precipit ation Gages. Cliquez sur New et entrez le nom de la station mtorologique horaire P-

Fleuve et une courte description. Fermez la fentre.

Fermez la fentre Add Time-Series Data Time Window. Dans lExplorateur , localisez le

nouveau dossier Time-Series Data qui a t cr dans larborescence. Accdez aux sous-dossiers

de larborescence jusqu la station mtorologique P-Fleuve et le Time-Window du 1er janvier

2000 qui a t mis par dfaut. Modifiez le Time-Window partir de lditeur selon ces

informations :

Start Date : 01juin1999 Starting Time : 00:00

End Date : 02juin1999 End Time : 00:00

Assurez-vous que le Time Window du 1er juin 1999 soit en surbrillance dans lExplorateur et

reportez-vous maintenant lditeur. Sous longlet Time-Series Gage, choisissez Incremental

Mill imeters pour Units, Manual Ent ry pour Data Source (car vous aurez entrer les donnes

de prcipitation de faon manuelle) et 1 hour pour le Time Interval. Dans le menu contextuel

File, appuyez sur Save pour enregistrer le projet.

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Cliquez ensuite sur longlet Table. Entrez les donnes de prcipitation horaire de la station P-

Fleuve montres au tableau ci-dessous. Vous pouvez visualiser les donnes entres avec longlet

Graph. Si les dates napparaissent pas sous longlet Table, cest que votre projet est dans un

rpertoire dont un des dossiers de larborescence a un nom avec un accent.

Tableau 3. Donnes pluviomtriques du 1er juin 1999 pour la station P-Fleuve

Heure Prcipitation (mm) Heure Prcipitation (mm)1 :00 5 13 :00 112 :00 8 14 :00 53 :00 8 15 :00 54 :00 6 16 :00 35 :00 4 17 :00 26 :00 3 18 :00 1

7 :00 2 19 :00 08 :00 0 20 :00 09 :00 0 21 :00 110 :00 0 22 :00 411 :00 4 23 :00 312 :00 7 00 :00 1

2.3.2 donnes quot idiennes

En plus de la station mtorologique donnes horaires P-Fleuve, deux autres stations

mtorologiques o sont mesures des donnes de prcipitation totale (Pluviomtre standard)

sont prsentes. Les donnes de ces stations seront galement employes dans le modle de

prcipitation. Recommencez les tapes de la section 2.3 afin de crer 2 autres stations

mtorologiques, P-Temiscouta et P-Fourchue. Ces stations sont toutefois donnes

journalires (Time Interval = 1 Day) et le Time-Window doit tre rempli selon ces

informations :

Start Date : 31mai1999 Starting Time : 00:00


Longlet Table doit tre rempli de cette faon pour chacune des stations donnes quotidiennes :

Tableau 4. Donnes pluviomtriques du 1er juin 1999 pour la station P-Fourchue

Heure Prcipitation (mm)01juin1999, 00:00 66

Tableau 5. Donnes pluviomtriques du 1er juin 1999 pour la station P-Temiscouata

Heure Prcipitation (mm)01juin1999, 00:00 72

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2.4 Dfinit ion du m odle mtorologique

Le modle mtorologique sert dfinir de quelle faon est calcule la pluie moyenne sur le bassin

versant. La prcipitation totale sur chaque sous-bassin sera calcule comme tant la moyenne

pondre des prcipitations aux stations avoisinantes du sous-bassin. titre dexemple, lamthode des polygones de Thiessen est souvent utilise pour dterminer les facteurs de

pondration des stations mtorologiques pour un sous-bassin.

Dans le menu de linterface principale, cliquez sur Components, Meteorologic Model

Manager, New. Dans la fentre Create a New Meteorologic Model, donnez le nom

MetMoyen au modle mtorologique et une courte description. Fermez la fentre. Retrouvez le

modle mtorologique dans larborescence de lExplorateur dans les sous-dossiers de

Meteorologi c Models.

Mettez le modle mtorologique MetMoyen en surbrillance et reportez-vous aux options de

lditeur. Sous longlet Basins, spcifiez Yes Include Subbassins. Vous indiquez donc au

modle que vous voulez une mtorologie diffrente pour chacun des sous-bassins, ceci se

manifestant par lajout des noms des sous-bassins sous MetMoyen de larborescence de

lExplorateur . Ensuite, sous longlet Options, choisissez Replace Missing : Yes. Cette option

permet dinterpoler les donnes mtorologiques lorsque le pas de temps des donnes est

infrieur au pas de temps des simulations.

Sous longlet Meteorology model de lditeur, choisissez Precipitation : Gage Weights (qui

signifie Pondration des stations spcifies par l'utilisateur).

Vous allez maintenant associer les stations mtorologiques aux sous-bassins correspondant ainsi

que leur pondration respective. Dans larborescence de lExplorateur , sous le dossier

Precipit ation Gages, faites afficher les sous-dossiers Gage Weights respectifs des trois sous-

bassins du bassin versant de la rivire du Loup.

Pour chacun des sous-bassins, choisissez sous longlet Gage Select ions de lditeur les stations

mtorologiques qui y sont associes (se reporter au tableau suivant pour les choix). Marquez par

un Use Gage : Yes une station mtorologique associe un sous-bassin versant. Par exemple,

pour les sous-bassins Fourchue et Loup amont, toutes les stations mtorologiques sont utilises,donc marques dun Yes (leur pondration est diffrente de 0). Pour le sous-bassin Loup aval,

seule la station P-Fleuve est Yes.

Tableau 6. Pondration des stations mtorologiques pour chacun des sous-bassins

Sous-bassinsStation BV Loup amont BV Loup aval BVFourchueP-Fleuve 0,1 1,0 0,2P-Fourchue 0,05 0,0 0,7P-Temiscouata 0,85 0,0 0,1

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Ensuite, encore une fois pour chacun des sous-bassins, indiquez la pondration respective de

chacune des stations mtorologiques sous longlet Gage Weights. Le modle de prcipitation

permet de spcifier deux paramtres de pondration; un pour la hauteur de pluie totale et l'autre

pour la distribution temporelle de la prcipitation. Puisque la station P-Fleuve est la seuledfinissant la distribution temporelle de la pluie (les donnes horaires sont disponibles), le facteur

Time Weight pour cette station est gal 1 pour tous les sous-bassins. La figure suivante illustre

lexemple pour le BV du Loup amont en ce qui a trait la pondration.

Figure 3. Exemple de la pondration pour le sous-bassin du Loup amont

2.5 Dfinit ion des paramt res de cont rle de la simulat ion

Du menu de linterface principale, cliquez sur le menu Components, Control SpecificationsManager, New. Une fentre Creat e aNew Control Specifications apparatra. Entrez un titre

(ex. : 1er Juin 1999) et une courte description (ex. : averse du 1 juin 99) pour la description de la

simulation. Fermez la fentre et allez lExplorateur au dossier Cont rol Specifications et au

sous-dossier 1er juin 1999 cr. Dans lditeur, entrez la date et lheure du dbut et de la fin

de la simulation et le pas de temps de la simulation (Time i nterval). La date et lheure du dbut

et de la fin de la simulation nont pas correspondre aux dates et heures employes pour dcrire

les hytogrammes utiliss par le modle ( la section 2.3). La priode simule se doit d'tre plus

longue que la prcipitation tudie, afin dobtenir l'hydrogramme complet jusqu' ce que le

ruissellement cesse et qu'il ne reste plus que l'coulement de base. Entrez les valeurs suivantes :

Start Date : 31mai1999 Starting Time : 01:00


Time Interval : 15 minutes2.6 Cration et excut ion dune simu lati on

cette tape, toutes les donnes permettant deffectuer une simulation ont t entres. Dans

HEC-HMS, une simulation est constitue d'un modle de bassin, d'un modle de prcipitation et de

paramtres de contrle. Pour crer et excuter une simulation :

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partir de linterface principale, ouvrez le menu Compute, Create simulat ion run . partir de la

fentre Create Simulation Run [Step 1 of 4] , nommez cette simulation Loup-Init iale.

tour de rle pour les tapes 2 4, choisissez le Basin Model Riviere du Loup, le Meteorological

Model MetMoyen et le Control Specifications 1er juin 1999 que vous avez tabli. Cliquez surFinish. Le sous-dossier Loup-Init iale est dornavant accessible par lExplorateur sous longlet

Compute.

Pour lancer une simulation, cliquez avec le bouton droit de la souris sur Loup-Init iale et

choisissez Compute.

2.7 Visualisation des rsult ats

Aprs avoir effectu une simulation, vous pouvez visionner les rsultats en allant longlet

Results de lExplorateur . Cliquez sur l'lment dsir (sous-bassin, tronon, jonction), etc. Les

hydrogrammes, tableaux rsums et tableaux dtaills des simulations peuvent tre consults.Les rsultats peuvent tre imprims et les valeurs des tableaux dtaills peuvent tre

exportes vers une autre application. Pour ce faire, sous Time Series Table, les valeurs

dsires sont slectionnes et apportes vers un autre logiciel (ex. Excel) tout simplement avec un

copier-coller.

3 ANALYSE DE SENSI BI LI T

Pour ce travail pratique, chaque quipe doit compiler les principaux rsultats de l'analyse de

sensibilit des paramtres du modle hydrologique pour l'un des sous-bassins de la rivire du

Loup de votre choix (identifiez le nom du sous-bassin sur votre travail).

3.1 Procdure gnrale pour lanalyse de sensibilit

Lorsquune premire simulation est effectue, il est possible de modifier la valeur dun paramtre

et dobserver leffet sur lhydrogramme simul. Pour ce travail pratique, vous devez faire varier les

paramtres de bassin ci-dessous un la fois et observer les changements produits sur les

hydrogrammes simuls. Lorsque vous faites varier un paramtre, vous devez crer un

nouveau modle de bassin et une nouvelle simulation. Pour ce faire, allez dans le Basin

Model Manager , cliquez sur Copy, une fentre Copy Basin Model apparatra. Dans cette

fentre, donnez un nom et une courte description puis appuyez sur Copy. Un nouveau modle debassin sera cr, que vous pourrez diter pour y changer les paramtres pour votre analyse de

sensibilit. Vous pouvez effectuer les simulations sans tenir compte de cet avis, toutefois, vos

modles de bassin et simul ation s ant rieurs seront crass.

Les paramtres du modle examiner pour cette analyse de sensibilit sont les suivants, et

l'amplitude du changement appliquer tous les sous bassins est indique :

SCS Curve Number : -20, -10, +10 et +20 (p/r aux valeurs initiales); Snyder Standard lag : - 2 hres, -1 hre, +1 hre et +2 hres (p/r aux valeurs initiales);

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Snyder Peaking coefficient : -0.2, -0.1, +0.1 et +0.2 (p/r aux valeurs initiales).Les caractristiques des hydrogrammes simuls analyser sont: le dbit maximum, le volume de

ruissellement et le temps du dbit de pointe (voir Summary , respectivement Peak Discharge,

Total Direct Runoff et Date/ Time of Peak Discharge). Faites varier les paramtres enaugmentant et en diminuant leur valeur par rapport leur valeur initiale. Ne faites varier quun

seul paramtre la fois de manire bien saisir linfluence exerce par chacun sur les rsultats

des simulations. Aprs chaque changement d'une valeur, un nouveau modle de bassin sera cr

(Menu contextuel Components, Basin Model Manager , slection de Riviere du Loup, Copy).

Noubliez pas daller dans le modle mtorologique (Meteorologic models), de surligner

Meteomoy, et dindiquer yes pour inclure les sous-bassins dans le nouveau modle de bassin.

Pour faire une analyse de sensibilit de ce modle de bassin versant sur le SCS Curve number,

vous pouvez nommer ce nouveau modle de bassin Riviere d u Loup SCS. Pour chacun des cas

analyser, il y aura aussi une simulation (Run) qui sera cre.

4 PRSENTATI ON DES RSULTATS

Les rsultats prendront principalement la forme d'un tableau rsum pour chaque paramtre

analys, tableau qui peut prendre la forme suivante.

Tableau 7. Exemple dune analyse de sensibilit du Snyder Standard Lag

SnyderStandard

Lag(heures)

Qmax( m / s )

%changementp/ r aux cond

initiales

TempsQmax

(heures)


initiales

Lame deruissellementdirect (m m)


initiales1 184.43 50.7 13.5 -14.3 46.2 02 141.39 15.5 14.5 -7.9 46.2 03 122.38 0.0 15.75 0.0 46.2 04 109.98 -10.1 16.75 6.3 46.2 05 100.33 -18.0 17.75 12.7 46.2 0

De plus, un graphique montrant la variation des caractristiques de l'hydrogramme par rapport la

variation du paramtre du modle doit tre fait pour chacun des paramtres du modle analys.

Analyse de sensibilit du paramtre Snyder Standard Lag

-3 0

-2 0

-1 0

0

10

20

30

40

50

60

1 2 3 4 5

Snyder Standard Lag (heures)

%c

hangementp/rauparamtreinitial

% changement de Qmax

% changement de Temps Qmax

% changement de Lame de ru iss . d irect

Figure 4. Exemple de graphique pour l analyse de sensibilit

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Figure 5. Carte de la rivire du Loup et des stations mtorologiques

P-Temiscouta

P-Fourchue

P-Fleuve

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