Appel a projets de recherche 2003 – 2005


Différenciation automatique de code pour l’étude de la propagation des incertitudes



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Différenciation automatique de code pour l’étude de la propagation des incertitudes


Le travail de cette année a porté d'une part sur la poursuite de la différenciation automatique du code de calcul MAGE (hydraulique à surface libre 1D), et d'autre part sur celle du code de calcul RUBAR20 (hydraulique à surface libre 2D, utilisé en particulier en milieu urbain).

La différenciation automatique d’un code de calcul peut se faire selon deux modes, le mode direct et le mode adjoint. La différenciation selon le mode direct fonctionne bien et a été validée pour les deux codes de calcul. En revanche nous n’avons pas encore pu aboutir pour le mode adjoint. Après de longs travaux il apparaît en effet que la différenciation automatique d’un code industriel préexistant, qui n’a donc pas été conçu dans cet objectif, est très délicate et peut alors s’avérer relativement longue et fastidieuse. La raison principale est que les outils de différenciation automatique que nous utilisons ne savent pas encore bien traiter les cas non-linéaires avec des itérations imbriquées.

Néanmoins si les possibilités attendues de la différenciation automatique en mode adjoint (application à la mise au point d’algorithmes d’optimisation plus efficaces) se sont avérées vaines pour l’instant, le mode direct apporte quant à lui des informations intéressantes pour l’estimation directe de la sensibilité des résultats d’un modèle numérique aux incertitudes sur ses données d’entrée. Un article sur ce dernier point est en cours de finalisation et sera soumis pour publication début octobre.

Analyse de sensibilité et optimisation


Par ailleurs un travail sur l’évaluation des incertitudes pesant sur les résultats d’un modèle numérique a été mené sur la base de méthodes d’optimisation stochastique. Il s’agissait d’élaborer un outil de référence auquel pourrait être comparé l’outil basé sur la différenciation automatique en mode adjoint. Ce travail utilise l’algorithme du Recuit Simulé pour estimer l’influence sur la surface inondée de l’incertitude sur les paramètres de rugosité ou sur la géométrie d’un cours d’eau. Les paramètres de rugosité permettent en particulier de prendre en compte certains aspects de l’influence de l’occupation du sol sur les inondations. Nous avons utilisé le code de calcul MAGE développé par le Cemagref de Lyon. Le code d’optimisation qui lui a été ajouté est simple mais exige encore trop de ressources informatiques pour en faire dés maintenant une outil opérationnel.

Ce travail a fait l’objet d’une présentation à une conférence interne du Cemagref (octobre 2005) ainsi qu’au congrès Hydroinformatics 2006 qui s’est tenu en septembre à Nice.


Comparaison des sources d’incertitudes pour un modèle bidimensionnel ; application à la modélisation d’un carrefour


Il s’agit là du travail en cours de Célestin Leupi accueilli au Cemagref de Lyon dans le cadre d’une bourse d'accueil de 10 mois à partir de début avril 2006.

Pour ce travail C. Leupi reprend un cas d’étude de la thèse de E. Mignot pour lequel des données expérimentales sont disponibles. De nombreux tests numériques doivent être conduits. Cependant les premiers résultats montrent que certains paramètres, physiques ou numériques, ont une influence sensible sur les résultats du modèle.


Perspectives


À l’issue de ce projet nous disposons d’un outil de recherche pour l’estimation de l’incertitude sur la surface inondée. Nous disposons aussi d’une méthodologie pour estimer la sensibilité d’un modèle numérique à différents paramètres (rugosité, géométrie, etc.). Notre outil d’optimisation peut sans doute être rendu plus performant dans la perspective de la mettre à la disposition des utilisateurs du code MAGE. Pour cela deux pistes peuvent être envisagées. La première consiste à implémenter d’autres algorithmes d’optimisation stochastique comme les réseaux de neurones ou même des méthodes hybrides ajoutant les avantages des méthodes globales (stochastiques) et locales (gradient). La seconde consisterait en une réécriture complète de nos codes de calcul avec le double objectif de développer un code de niveau industriel utilisable en bureau d’étude et dont la différenciation automatique en mode adjoint serait relativement aisée.

Si la première piste est un prolongement déjà envisagé de ce projet, la seconde réclame un investissement nettement plus lourd et donc une étude approfondie qui de toute façon ne pourra être entreprise que lorsque les travaux en cours auront livré tous leurs résultats.

Une troisième possibilité est d’attendre, environ deux ans, que les outils de différenciation automatique aient fait suffisamment de progrès pour traiter correctement les codes non linéaires.

Références récentes relatives à l’objectif 2


J-B. FAURE (2006) « Use of Simulated Annealing Optimization for Sensitivity Analysis in Fluvial Hydraulics » 7th International Conference on Hydroinformatics HIC 2006, Nice, FRANCE

O. SOUHAR et J-B. FAURE (à paraître) « A comparative study of an automatic differentiation tool and a numerical approximation of gradient applied to 1-D and 2-D hydraulic models »



Travaux transversaux objectifs 1 et 2
Equipe CEMAGREF
Personnels impliqués:

1 chercheur permanent du Cemagref : A .Paquier (20% du temps)

1 doctorant payé par le Cemagref : E. Mignot (100 % du temps) jusqu’à septembre 2005 inclus.

1 stage d’école d’ingénieur (ENTPE ) (6 mois) : Lionel Kaniewski


Le travail d’année 3 s’est inscrit dans la poursuite des travaux de l’année précédente en s’attachant à progresser dans la modélisation et l’estimation des incertitudes pour des inondations en milieu urbain. Les deux exemples de terrain choisis sont la ville de Nîmes (dans la poursuite des travaux antérieurs) et la ville d’Oullins dans l’agglomération lyonnaise.
Pour ce dernier site, on a visé à évaluer l’incertitude résultant de la présence du réseau d’assainissement dans le cas de la crue de décembre 2003 et de celle d'avril 2005. Le travail a consisté à essayer de monter un couplage entre les deux modèles CANOE (1D en réseau d'assainissement) et RUBAR 20 (2D Saint venant en surface) sur la base des méthodes développées dans le cadre du projet européen HARMONIT (Open MI). Un logiciel intégré n'a pu être mis en oeuvre mais ce travail a ouvert des voies pour l'intégration ultérieure.
Pour le quartier Richelieu à Nîmes, le travail a été poursuivi afin d'identifier si les causes d'incertitude des résultats pouvaient être reliées aux différences constatées entre résultats du modèle 2D et laisses de crue. Par une analogie avec le modèle de carrefour en laboratoire, il a été montré que le changement de régime (fluvial à torrentiel et inversement) joue un rôle très important pour obtenir des niveaux maximaux estimés précisément mais aussi pour définir la répartition des débits.

Travail poursuivi par C. Leupi, postdoc sur bourse région encadré par JB Faure.


Produit final pouvant être diffusé : code de calcul bidimensionnel RUBAR 20 et méthodes de simulation opérationnelle des écoulements en ville.
Poursuite en cours des travaux dans le cadre de RIVES (risques d'inondation en ville et évaluation de scénarios), projet ANR 2005-2008 coordonné par le Cemagref.

Références récentes relatives à cette partie

L .Kaniewski Couplage des modèles Rubar20 et Canoë : définition de la méthode, application à la ville d’Oullins (69). Rapport de stage TFE de l'ENTPE, Vaux en Velin, France, pp.60.



Mignot, E., 2005. Etude expérimentale et numérique de l'inondation d'une zone urbanisée : cas des écoulements dans les carrefours en croix . Thèse en Mécanique, Ecole centrale de Lyon Thesis, 322 pp.


Mignot, E., Paquier, A. and Ishigaki, T., 2005a. Comparison of numerical and experimental simulations of a flood in a dense urban area, 10th International Conference on Urban Drainage, Copenhagen, DNK, 21-26 August 2005, pp. 8.
Mignot, E., Paquier, A. and Riviere, N., 2005b. 2D Numerical simulation of four branches experimental supercritical junction flows, XXXI IAHR Congress, Seoul, KOR, 11-16 September 2005, pp. 10.
Mignot, E., Riviere, N., Perkins, R. and Paquier, A., 2005c. Flow structure at the junction of four supercritical channel flows, 10th International Conference on Urban Drainage, Copenhagen, DNK, 21-26 August 2005, pp. 9.
Mignot, E. , Paquier, A. , Haider, S., 2006. Modeling floods ina dense urban area using 2D shallow water equations. Journal of Hydrology (2006) 327, 186-199.
Renouf, E., Paquier, A. and Mignot, E., 2005. Assessment of the exchanges between sewage network and surface water during flooding of the town of Oullins, 10th International Conference on the Urban Drainage (ICUD), Copenhague, DNK, 21-26 août 2005, pp.8.


Equipe du LMFA


Personnels impliqués :

  • R. Perkins (professeur ECL) :10 %

  • N. Rivière (MdC INSA) : 30 %

  • E. Mignot (doctorant Cemagref et LMFA, bourse Cemagref) déjà cité par A. Paquier.


Bilan année 3
Reconstitution de lignes d'eau et de vitesses à partir de trajectoires de surface

En année 2, des premiers essais de reconstruction de champ de profondeurs et de vitesse à partir de trajectoires de surface avaient été entreprises, en collaboration, par le LMFA, le LMC et aussi l'INRIA de Rocquencourt pour la reconstruction des trajectoires à partir d'images vidéo. L'écoulement considéré – uniforme en canal rectangulaire – n'avait pas permis d'obtenir des résultats concluants. En effet, il résulte de l'absence de variations de profondeur un rapport signal bruit trop faible sur les images extraites de la vidéo.

Aussi, ces essais ont repris en année 3 avec les mêmes partenaires. L'écoulement est produit dans un canal de 0.8m de large, 8 m de long, en PVC. Un seuil (madrier de section rectangulaire, hauteur 40 mm, épaisseur 100 mm) occupe toute la largeur du canal 4.6 m à l'amont du déversoir aval. L'écoulement est filmé autour du seuil, afin d'avoir une courbe de remous marquée sur les images. La fenêtre vidéo est suffisamment éloignée des parois latérales pour considérer l'écoulement bidimensionnel (plan xz). Pour le débit utilisé (Q= l/s), 3 réglages du déversoir aval permettent d'obtenir un écoulement partout fluvial, un écoulement fluvial puis torrentiel à l'aval du seuil, et enfin le même que précédemment, avec un ressaut droit à l'aval du seuil. Les marqueurs de surface utilisés sont des copeaux de polystyrène. Plusieurs séquences vidéo ont été acquises, avec diverses densités de marqueurs, pour les différentes configurations d'écoulement. Pour les résultats, on se refèrera à la description des travaux de thèse de Marc Honnorat.



Figure . Vue de dessus du canal utilisé en année 3 pour les vidéos
Carrefours urbains

Le travail sur l'installation de croisement de canaux à surface libre – quatre canaux indépendants de 2m de longueur, de pente réglable entre -5% et +5%, de largeur 0.3m, qui viennent se croiser à angle droit – s'est poursuivi en année 3.

Les deux premières années s'étaient concentrées sur le régime torrentiel, en caractérisant la répartition des débits par l'intersection (Rivière et al., 2005) puis en acquérant des cartographies de hauteur d'eau, comparées aux résultats numériques du Cemagref de Lyon (Mignot et al., 2005). La troisième année a permis de terminer l'étude du régime fluvial amorcée en année 2 (Riviere et al., 2006). En parallèle, elle a permis l'étude des régimes intermédiaires fluvial/torrentiel. En revanche, à la demande des partenaires concernés, l'acquisition de trajectoires de surface s'est reportée sur les écoulements sur seuil décrits précédemment.
Lits composés

L'étude des recirculations à l'aval d'un élargissement brusque s'est poursuivie en année 3: recirculation en lit simple (Master de Y. Bomchil, 2006) et en lit composé où l'élargissement est confondu avec la berge majeur-mineur (Master de B. Badin, 2005). Les mesures ont été effectuées par trajectographie de surface, par photographie en pose et on fournit une base de données conséquente.


Incertitude sur les laisses de crue

En ce qui concerne la caractérisation des incertitudes, le LMFA a continué à travailler sur les laisses de crues en milieu urbain, comme en années 1 et 2 avec la thèse d'E. Mignot. En année 3, c'est l'influence d'embâcles qui a été étudiée. Ils ont montré, à échelle réduite, que des automobiles ajoutées dans l'installation de carrefour peuvent provoquer un écart de plusieurs dizaines de pour cent entre la laisse de crue maximale et le niveau moyen atteint par l'écoulement. Des limnigrammes ont été acquis en plusieurs points de l'intersection, lors du passage de l'onde de crue, avec ou sans formation de barrage par les véhicules, en régimes torrentiel et fluvial.


Publications récentes (juin 2005 – présent) relatives à cette partie
Rivière N., Perkins R.J., Chocat B., Lecus A., 2006

"Flooding flows in city crossroads: 1D modelling and prediction", Water Science and Technology (IWA), accepté pour publication

Mignot E., Rivière N., Perkins R.J. and Paquier A., 2005

"Flow structure at the junction of four supercritical channel flows", 10th Int. Conf. Urban Drainage, Copenhagen/Denmark, 21-26 August 05


Rivière N., Perkins R.J., Mignot E., 2005

"Flow in a four branch intersection – a comparative study of subcritical and supercritical regimes", XXXIème congrès de l'AIRH, Séoul, Corée, 11-16 sept 2005


Mignot, E., 2005. "Etude expérimentale et numérique de l'inondation d'une zone urbanisée : cas des écoulements dans les carrefours en croix." Thèse de l'Ecole centrale de Lyon, 322 pp
Badin B., 2005. "Inondations en plaine : étude de l'écoulement en lit composé", Mémoire de Master Recherche, INSA de Lyon, sept 2005
Bomchil Y., 2006. "Etude expérimentale de la recirculation à l'aval d'un élargissement dans un canal à surface libre", Mémoire de Master Recherche, INSA de Lyon, sept 2006

«Journées de Travail Région» organisées

De très nombreuses journées de travail communes ont été organisées, que ce soit à Lyon, Grenoble ou Montpellier. Aussi, cette année nous avons élargi notre réunion annuelle à d’autres partenaires nationaux et européens travaillant sur nos thématiques :



Workshop “Numerical Modelling for Floods”

At LMC-IMAG, Projet IDOPT (CNRS-INPG-INRIA-UJF)

Tour Irma, Salle 2 (ground floor)

Wednesday 8th february 2006

Organization: Jerome.Monnier@imag.fr


9H30 Coffee
10H I. Braud (Cemagref Lyon) “Building of an integrated hydrological mod-

elling platform using the LIQUID framework”


10H30 E. Miglio (MOX, Politecnico Milano, Italy) ”Multi-dimensional cou-

pling strategies in hydrodynamic applications”


11H I. Gejadze (INRIA Idopt, LMC-IMAG) “A joint data assimilation -

coupling algorithm applied to shallow water flood models”


11H30 M. Honnorat (INRIA Idopt, LMC-IMAG) “Lagrangian data assimila-

tion for river hydraulics simulations”


12H-14H Lunch
14H E. Fernandez Nieto (Univ. Sevilla, Spain) ”Sediment transport models

and numerical approach by high order 2D finite volume methods”


14H30 N. Riviere (LMFA, INSA Lyon) Titre a venir (Experimental aspects)
15H A. Paquier (Cemagref Lyon) “Uncertainties in modelling urban floods”
15H30 C. Puech (Cemagref Mtp-ENGREF) “Spatial images for flood predic-

tion”
16H L. Xijun (Nanjing Institute of Geography and Limnology, China) “Flood

simulation in Dongting Lake, China”
16H30 G. Delrieu (LTHE, Grenoble) “Cevennes-Vivarais Mediterranean Hy-

drometeorological Observatory”


17H Tea, Discussions

Exploitation et dissémination des résultats







  • Diffusion des techniques (différenciation de codes, analyse de sensibilité, identification de paramètres, calage de codes et assimilation de données) et de leurs potentialités au travers des articles publiés, des conférences nationales, européennes et internationales et aussi de cours niveau master et école d’ingénieur (notamment l’Ensimag, l’Enshmg et le Master Recherche UJF de Grenoble)



  • Evolution des logiciels d’étude du Cemagref Lyon (Mage et Rubar20).



  • Publication et diffusion du logiciel DassFlow dédié à l’assimilation variationnelle de données.



  • Pour des simulations opérationnelles de prévention, un travail d’industrialisation est toujours nécessaire, mais les bases des méthodes et algorithmes ainsi que la démonstration de leur faisabilité sont disponibles au travers de nos trois logiciels.

Il convient de noter que les hydrauliciens du projet du Cemagref participent à la rédaction de guides méthodologiques à l’usage des maîtres d’ouvrages pour le pilotage des études hydrauliques.



Récapitulatif des publications récentes relatives à l’ensemble de ce projet

Revues internationales
Ig. Gejadze, J. Monnier. On a 2D zoom for 1D shallow-water model: coupling and data assimilation
. Soumis, 2006.
M. Honnorat, J. Monnier and F.-X. Le Dimet. Lagrangian data assimilation for river hydraulics simulations. Computing and Visualization in Science, soumis, 2006.
O. SOUHAR et J-B. FAURE « A comparative study of an automatic differentiation tool and a numerical approximation of gradient applied to 1-D and 2-D hydraulic models ». A paraître.
Mignot, E. , Paquier, A. , Haider, S., 2006. Modeling floods ina dense urban area using 2D shallow water equations. Journal of Hydrology (2006) 327, 186-199.



Rivière N., Perkins R.J., Chocat B., Lecus A., 2006 "Flooding flows in city crossroads: 1D modelling and prediction", Water Science and Technology (IWA), accepté pour publication


X. Lai, J. Monnier. Variationnal assimilation of spatial distributed water level

into a 2D hydraulic model. En préparation (résultats obtenus en totalité).
R. Hostache, X. Lai, J. Monnier, C. Puech. Calibration of a 2D flood model using one satellite image. Application to Moselle river. En préparation (1ère version écrite).

Conférences internationales

J-B. FAURE (2006) « Use of Simulated Annealing Optimization for Sensitivity Analysis in Fluvial Hydraulics » 7th International Conference on Hydroinformatics HIC 2006, Nice, FRANCE

W. Castaings, D. Dartus, M. Honnorat, F.-X. Le Dimet, Y. Loukili and J. Monnier. Automatic differentiation : A tool for variational data assimilation and adjoint sensitivity analysis for flood modeling. In H. M. Brücker, G. Corliss, P. Hovland, U. Naumann, and B. Norris, editors, Automatic Differentiation : Applications, Theory, and Implementations, volume 50 of Lectures Notes in Computational Science and Engineering, pages 249-262. Springer, 2005
Ig. Gejadze, J. Monnier. A joint data assimilation coupling algorithm applied to shallow-water flood models. ECCOMAS CFD, Egmond aan Zee, september 2006.
Ig. Gejadze, J. Monnier. On data assimilation for a 1D-net river model with 2D zoom areas

Computational Methods in Water Resources, XVI International Conference, Copenhaguen, 2006.


M. Honnorat, X. Lai, J. Monnier and F.-X. Le Dimet. Variational data assimialtion for 2D fluvial hydraulics simulations.

Computational Methods in Water Resources, XVI International Conference, Copenhaguen, 2006.


M. Honnorat, J. Monnier and F.-X. Le Dimet. Lagrangian data assimilation for river hydraulics simulations.

European Conference on Computational Fluid Dynamics, ECCOMAS CFD 2006.


M. Honnorat, X. Lai, F.-X. Le Dimet, J. Monnier. Assimilation of Images for River Hydraulic Simulations. ICIAM Zurich, 2007.
Mignot, E., Paquier, A. and Ishigaki, T., 2005a. Comparison of numerical and experimental simulations of a flood in a dense urban area, 10th International Conference on Urban Drainage, Copenhagen, DNK, 21-26 August 2005, pp. 8.
Mignot, E., Paquier, A. and Riviere, N., 2005b. 2D Numerical simulation of four branches experimental supercritical junction flows, XXXI IAHR Congress, Seoul, KOR, 11-16 September 2005, pp. 10.
Mignot, E., Riviere, N., Perkins, R. and Paquier, A., 2005c. Flow structure at the junction of four supercritical channel flows, 10th International Conference on Urban Drainage, Copenhagen, DNK, 21-26 August 2005, pp. 9.
Renouf, E., Paquier, A. and Mignot, E., 2005. Assessment of the exchanges between sewage network and surface water during flooding of the town of Oullins, 10th International Conference on the Urban Drainage (ICUD), Copenhague, DNK, 21-26 août 2005, pp.8
Mignot E., Rivière N., Perkins R.J. and Paquier A., 2005

"Flow structure at the junction of four supercritical channel flows", 10th Int. Conf. Urban Drainage, Copenhagen/Denmark, 21-26 August 05


Rivière N., Perkins R.J., Mignot E., 2005

"Flow in a four branch intersection – a comparative study of subcritical and supercritical regimes", XXXIème congrès de l'AIRH, Séoul, Corée, 11-16 sept 2005



Rapports techniques
M. Honnorat, F.-X. Le Dimet, Y. Loukili and J. Monnier. Dassflow : a direct and adjoint model for 2D Shallow water flows. Research Report RR-5756, INRIA, 2005.
I. Gejadze, M. Honnorat, X. Lai, J. Marin, J. Monnier. Dassflow v2.0: a variational data assimilation software for river flows. Research Report RR-, INRIA, à paraître 2007.

Rapports de thèses et stages
L .Kaniewski Couplage des modèles Rubar20 et Canoë : définition de la méthode, application à la ville d’Oullins (69). Rapport de stage TFE de l'ENTPE, Vaux en Velin, France, pp.60.
Badin B., 2005. "Inondations en plaine : étude de l'écoulement en lit composé", Mémoire de Master Recherche, INSA de Lyon, sept 2005
Bomchil Y., 2006. "Etude expérimentale de la recirculation à l'aval d'un élargissement dans un canal à surface libre", Mémoire de Master Recherche, INSA de Lyon, sept 2006
Mignot, E., 2005. Etude expérimentale et numérique de l'inondation d'une zone urbanisée : cas des écoulements dans les carrefours en croix . Thèse en Mécanique, Ecole centrale de Lyon Thesis, 322 pp.





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