COMPOSANTE  SHOFM

MODELE D’ECOULEMENT DYNAMIQUE EN RESEAU (BRANCH)

1. Objectifs

Simuler les écoulements transitoires dans des biefs et des réseaux de chenaux à surface libre pour des recherches concernant les ressources en eau prenant en compte les effets de prélèvements, la localisation et la conception de ponts, les inondations dues aux crues et les chasses de marée. Le modèle est bien adapté à la simulation d’écoulements régularisés, de marées ou provoqués par le vent dans des biefs à surface libre continentaux ou côtiers ou dans des réseaux de canaux arborescents ou comprenant des boucles.

2. Description

Le modèle BRANCH utilise une approximation implicite à quatre points en différences finies de l’équation de l’écoulement transitoire. Les équations de l’écoulement sont formulées pour tenir compte de l’hétérogénéité de la distribution des vitesses grâce au coefficient de Boussinesq de la quantité de mouvement, pour gérer la séparation de l’écoulement entre transfert et stockage et pour inclure le cisaillement du vent à la surface de l’eau en tant que fonction de forçage.

Le modèle emploie une méthode de résolution non-linéaire, matricielle et itérative commandées par des paramètres de tolérance spécifiés par l’utilisateur. La technique de résolution implicite permet d’utiliser des pas de temps importants. Le schéma en différences finies à quatre points avec des facteurs de pondération pour les valeurs des fonctions et leur dérivées spatiales autorise une grande flexibilité pour la simulation de divers types d’écoulement en canaux de section variable. Les branches des canaux peuvent être numérotées dans n’importe quel ordre et la subdivision de ces branches en segments de longueurs inégales est possible, permettant ainsi de calculer l’écoulement n’importe où. Le modèle prend en compte les apports des affluents et les dérivations de même que les débordements latéraux et comprend un schéma Lagrangien de suivi des particules pour les solutés conservatifs. Il permet à l’utilisateur de choisir l’expression (constante, fonctionnelle ou tabulaire) de la résistance de frottement.

3. Apports requis

Les sections transversales sont définies par approximations polygonales, les différentes relations linéaires étant définies manuellement ou entrées interactivement, traitées et formatées par le programme d’analyse géométrique des chenaux ( Channel Geometry Analysis Program – CGAP). Les conditions initiales d’écoulement peuvent être imposées comme observées, estimées, supposées ou calculées antérieurement. Les conditions aux limites (niveaux d’eau ou débits) peuvent être spécifiées par une équation, les valeurs d’une série chronologique ou une fonction. Les séries chronologiques peuvent être entrées directement dans des fichiers séquentiels formatés ou directement extraites des bases de données du système de données temporelles (Time Dependant Data System – TDDS) ou du système de gestion de données hydrologiques ( Water Data Management System – WDMS). TDDS facilite la recherche et le transfert de données vers la base de données USGS/NWIS. Les entrées peuvent être soit en unités métriques soit en unités anglaises.

4. Produits

Les séries chronologiques des résultats sur les écoulements calculés de sites déterminés peuvent être sortis sous forme de tableaux ou de graphiques. Les tableaux contiennent les résultats pour chaque pas de temps ou pour chaque itération et des résumés journaliers. Chaque variable peut être calculée à chaque pas de temps ou à chaque itération, et le suivi des particules comme les débits cumulés peuvent être imprimés. Les graphiques comprennent les débits ou les hauteurs calculés et ces variables calculées en fonction des variables correspondantes mesurées.

5. Exigences et contraintes afférentes à l’exploitation

BRANCH est écrit en FORTRAN 77, ce qui le rend compatible avec les grands systèmes, les stations de travail et les micro-ordinateurs et toute une gamme de compilateurs. Pour les micro-ordinateurs un processeur 32 bits (386 ou plus) est nécessaire. Il est facile de dimensionner le programme pour permettre de prendre en compte n’importe quelle configuration. La sortie de graphique demande une librairie graphique GKS ou CalCOMP. Le temps nécessaire (en secondes par jour) pour simuler l’écoulement et le déplacement de huit particules conservatives dans un réseau de 25 biefs avec 69 sections et un pas de temps de 15 minutes est approximativement de 87 s pour un 385 à 16 MHz, 15 s pour une station de travail Data General AviiON à 16,7 MHz, 10 s pour uns station Sun SPARCstation 1+ à 25 MHz et 6 s pour un Cray X-MP/48.

6. Forme de présentation

Une documentation scientifique et une guide de l’utilisateur sont disponibles en anglais (voir références ci dessous). Le programme, des exemples et la documentation se trouvent sur disquettes et sur Internet. Le programme est fourni sous forme de module exécutable mais le programme source est disponible sur demande. Les programmes CGAP et TDDS, également écrits en Fortran 77, sont livrés avec le programme BRANCH. La formation est assurée par l’USGS.

7. Antécédents

Le modèle BRANCH est abondamment utilisé dans le monde entier. Actuellement, le programme est utilisé opérationnellement sur plus de 40 sites dirigés par plus de 12 bureaux de l’USGS. Le modèle est opérationnel depuis 1980.

8. Origine de la composante et appui technique

U.S. Geological Survey, Office of Surface Water.

9. Comment l'obtenir

Auprès du Centre national de référence du SHOFM des Etats Unis d’Amérique pour les disquettes 3 pouces et demi et la documentation imprimée ou électroniquement sur l’Internet à http://water.usgs.gov/software/

10. Conditions à respecter

Le programme est gratuit ; la documentation est facturée.

Références:

Schaffranek, R.W., Baltzer, R.A., and Goldberg, D.E., 1981, A model for simulation of flow in singular and interconnected channels.
U.S. Geological Survey, TWRI, Chapter C3, Book 7, 110pp.

Schaffranek, R.W., 1985, Model for simulating floods in rivers.
Society for Computer Simulation, Simulation Series v. 15, no.1, pp. 132-139.

Schaffranek, R.W., 1987, Flow model for open-channel reach or network.
U.S. Geological Survey Professional Paper 1384, 12p.