Simulsen - Objectifs

Simulsen - Objectifs - Interface graphique

But du logiciel et principes de la gestion simulée

Le logiciel SIMULSEN est principalement destiné à simuler la gestion opérationnelle d'un barrage à objectifs multiples sur une longue période, par un calcul effectué au pas de temps journalier. Il permet d'évaluer la satisfaction de ces objectifs, en fonction des apports en eau et des consignes de gestion envisagées. Accessoirement, il permet de définir certaines consignes de maintien de stock ou de revanche dans la retenue.

Ce logiciel a été développé spécialement pour le cas du barrage de Manantali, qui est implanté au Mali sur la rivière Bafing, affluent du fleuve Sénégal. Il peut néanmoins être utilisé pour tout barrage dont les objectifs sont parmi les suivants :

Production d'énergie électrique.
Soutien des étiages ou des faibles crues à la sortie du barrage ou au niveau d'une station située à l'aval, pour différents usages : irrigation, alimentation en eau potable, cultures de décrue, navigation…
Laminage des fortes crues, à la sortie de l'ouvrage ou à une station située à l'aval.
Niveaux extrêmes à atteindre ou ne pas dépasser par le plan d'eau dans le réservoir.

Les simulations effectuées par SIMULSEN consistent à calculer chaque jour le débit lâché du barrage, en tenant compte des éléments suivants :

contraintes de gestion imposées par les caractéristiques physiques de l'ouvrage ;
consignes de sécurité visant à protéger l'ouvrage ;
consignes de gestion associées aux objectifs de l'ouvrage.

En fonction de la situation hydrologique, ces contraintes et consignes imposent chacune une limite minimale ou maximale sur le débit total pouvant être lâché du barrage. Prises en compte par ordre de priorité décroissante, ces limites sont alors combinées pour en déduire le débit total à lâcher du barrage.

Les types de contraintes et de consignes pouvant être simulées par le logiciel sont détaillés ci-dessous, avec référence au cas du barrage de Manantali. Le principe de calcul du débit à lâcher est également résumé.

Débit lâché conforme aux capacités extrêmes d'évacuation de l'ouvrage

Les caractéristiques physiques de l'ouvrage permettent de déterminer le débit lâché d'un barrage lorsque ses organes d'évacuation sont ouverts au maximum. Ceci constitue pour le débit total lâché, une limite maximale croissante en fonction de la cote du plan d'eau amont.

Quand le niveau de plan d'eau dans la retenue dépasse le seuil de déversement du barrage (208,05 m à Manantali), ces mêmes caractéristiques imposent un certain déversement par les vannes de surface. Ceci constitue pour le débit total lâché, une limite minimale croissante en fonction de la cote du plan d'eau amont.

Quels que soient le mode de gestion envisagé ou la situation hydrologique, le débit effectivement lâché du barrage est à tout moment compris entre ces limites minimales et maximales croissantes en fonction du niveau de plan d'eau. Ces limites constituent des contraintes physiques de gestion.

Précaution contre la submersion des digues du barrage

Cette consigne impose de maintenir le débit lâché au dessus d'une limite minimale, pour éviter que le niveau du lac ne dépasse la cote maximale de sécurité (210,50 m à Manantali). Cette limite minimale de débit lâché, déterminée par bilan de volume, dépend de la cote du plan d'eau amont et du débit entrant dans la retenue.

D'une façon générale, le bilan de volume sur 24 heures s'exprime de la façon suivante :
V24 = V0 + (Qe - Qs -Qp) * T
avec :
V24 = volume retenu à 24 h (m3)
V0 = volume retenu à 0 h (m3)
Qe = débit moyen journalier des apports au droit du barrage (m3/s)
Qs = débit moyen journalier lâché du barrage (m3/s)
Qp = débit moyen évaporé, dépendant de date et superficie de plan d'eau (m3/s)
T = temps (86400 s)

Submersion permanente de la partie basse du parement amont de l'ouvrage

La conception de l'ouvrage peut nécessiter le maintien du plan d'eau amont au dessus d'une certaine cote (seuil de réserve utile : 187 m à Manantali), afin d'éviter que la houle n'endommage la partie basse de son parement. Cette consigne impose de maintenir le débit lâché en dessous d'une limite maximale déterminée par bilan de volume en fonction de la cote du plan d'eau amont et du débit entrant dans la retenue.

Le logiciel permet de simuler des consignes associées à des objectifs de gestion qui peuvent être variables dans l'année, mais doivent être identiques d'une année sur l'autre. Pour analyser l'effet d'une évolution interannuelle des objectifs de gestion, il est nécessaire d'effectuer plusieurs simulations envisageant ces différents objectifs.

Parmi les objectifs de gestion, certains consistent à maintenir à une station située à l'aval du barrage, un débit supérieur à une limite prédéfinie. Selon qu'ils correspondent à des volumes consommés (irrigation, pertes, alimentation en eau potable) ou non (soutien de crue, navigation), ces besoins en eau doivent être sommés ou non pour définir l'objectif de débit à atteindre. Il est donc question dans ce manuel d'objectifs ''sommables'' ou ''non sommables''.

Les consignes de gestion pouvant être simulées sont présentées ci-dessous dans un ordre arbitraire.

1.3.1 - Consignes définissant une limite minimale pour le débit lâché

1.3.1.1 Production d'énergie électrique

Dans un but de rentabilité, il est souhaitable qu'une énergie donnée soit produite en turbinant le moins d'eau possible, tout en évitant les débordements. Dans cette optique, la consigne envisage les trois cas suivants :

Quand la cote du lac est supérieure à un seuil S2, on vise à produire la puissance maximale qu'il est possible de produire avec cette cote : Pmax.
Quand la cote du lac est comprise entre S1 (
Quand la cote du lac est inférieure à S1, la consigne de production d'énergie n'est pas prise en compte.

Dans les deux premiers cas, la consigne permet d'évaluer par bilan d'énergie en fonction de la cote du plan d'eau amont, le débit minimal lâché qui permet de produire la puissance visée.

D'une façon générale, le bilan d'énergie s'exprime ainsi :
P = ?*g*Q*(Hm-Hv-dH)*R
avec :
P = puissance produite (w)
? = masse volumique de l'eau (kg/m3)
g = accélération de la pesanteur (m/s2)
Q = débit turbiné (m3/s)
Hm = niveau de plan d'eau amont (m)
Hv = niveau de plan d'eau aval (m), dépendant du débit total lâché
dH = pertes de charge en conduite d'amenée (m), dépendant de Q
R = rendement, dépendant de Q et de la chute nette Hm-Hv-dH

1.3.1.2 Lâcher de débit sanitaire réservé

Trivial.

1.3.1.3 Débit supérieur à un objectif de besoins non sommables (soutien de crue, navigation)

Il s'agit de lâcher du barrage un débit suffisant pour obtenir, soit immédiatement à la sortie, soit dans les jours suivants à une station située à l'aval, un débit supérieur ou égal à un hydrogramme objectif prédéfini. Dans le cas de Manantali, l'hydrogramme objectif est défini à Bakel comme le maximum entre les besoins lés à la navigabilité du fleuve, et les besoins liés à l'inondation souhaitée pour le lit majeur dans la vallée (soutien de crue) La décision de soutien de crue est prise une fois par an à une date prédéfinie Tc (20 août à Manantali):

Si la cote du lac à la date Tc est supérieure à un seuil Hs prédéfini, et si un hydrogramme de crue jugé suffisant n'a pas encore été observé dans l'année à Bakel, le soutien de crue est déclenché. La consigne est alors prise en compte pendant toute la durée nécessaire à la réalisation de l'hydrogramme objectif à Bakel.
Dans le cas contraire, la consigne de soutien de crue n'est plus prise en compte jusqu'à l'année suivante. Autrement dit, l'eau qui aurait dû être lâchée cette année là aux seules fins du soutien de crue est stockée dans la retenue.

Le débit minimal à lâcher pour le soutien de crue à une station située à l'aval du barrage est calculé par modèle de propagation en fonction des débits observés sur les affluents intermédiaires (Bakoye et Falémé dans le cas de Bakel).

Dans un but de recherche, la version DOS de Simulsen a été adaptée pour tester une nouvelle méthode de soutien de crue. Celle-ci consisterait à définir l'hydrogramme objectif de l'année en fonction du stock disponible dans le réservoir au début du soutien, et éventuellement en fonction de prévisions saisonnières d'hydraulicité.

1.3.1.4 Débit supérieur à un objectif de débits sommables (soutien de basses eaux)

Il s'agit de lâcher du barrage un débit suffisant pour obtenir, soit immédiatement à la sortie, soit dans les jours suivants à une station située à l'aval, un débit supérieur ou égal à un hydrogramme objectif d'étiage prédéfini. Dans le cas de Manantali, cet objectif est défini à Bakel par la somme des besoins à satisfaire (irrigation, alimentation en eau potable) et des pertes accompagnant le transit des débits jusqu'au lieu de la consommation

Le débit minimal à lâcher pour le soutien d'étiage à une station située à l'aval du barrage est calculé suivant le même principe que pour le soutien de crue.

1.3.1.5 Conservation d'une revanche suffisante pour le laminage futur des crues

Il s'agit de lâcher un volume suffisant du barrage pour conserver une revanche (volume libre dans la retenue) permettant de laminer les crues futures au seuil de débit souhaité avec un taux de réussite probable prédéfini. Cette revanche nécessaire, qui correspond à une cote limite maximale du niveau dans le lac, est variable dans l'année.

La valeur minimale de débit lâché permettant de conserver la revanche souhaitée, est calculée par bilan de volume en fonction de la cote du lac et du débit entrant dans la retenue

1.3.2 - Consignes définissant une limite maximale pour le débit lâché

1.3.2.1 Laminage immédiat des crues

Deux types de laminage immédiat des crues peuvent être envisagés :

- Le laminage immédiat des crues à la sortie du barrage consiste à lâcher un débit total inférieur ou égal à un certain débit limite prédéfini.

- Le laminage des crues au niveau d'une station située à l'aval du barrage (Bakel dans le cas de Manantali) consiste à lâcher un débit suffisamment faible pour que le débit des jours suivants à cette station ne dépasse pas une limite prédéfinie. Dans ce cas, le débit maximal à lâcher est calculé par modèle de propagation en fonction des débits observés sur les affluents intermédiaires (Bakoye et Falémé dans le cas de Bakel).

1.3.2.2 Conservation d'un stock d'eau suffisant pour le soutien d'étiage futur

Il s'agit de limiter le débit total lâché du barrage afin de conserver le stock nécessaire (dans la tranche utile des cotes supérieures à la cote minimale de sécurité) pour pouvoir satisfaire le soutien d'étiage futur avec un taux de réussite probable prédéfini. Ce stock nécessaire, qui correspond à une cote limite minimale du niveau dans le lac, est variable dans l'année.

La valeur maximale de débit lâché permettant de conserver le stock souhaité, est calculée par bilan de volume en fonction de la cote du lac et du débit entrant dans la retenue

Le calcul est fait dans l'optique de lâcher le débit minimal permettant de respecter le plus grand nombre possible des consignes qui auront été préalablement définies et classées par ordre de priorité.

Tout d'abord, la fourchette de débit qu'il est physiquement possible d'évacuer de l'ouvrage est déterminée à partir des contraintes de gestion. Elle se resserre ensuite en fonction des limites minimales ou maximales de débit à lâcher, imposées par les consignes de sécurité puis par celles de gestion. Le processus s'arrête lorsque toutes les consignes envisagées ont été prises en compte par ordre de priorité décroissante, ou lorsque l'une d'entre elles s'avère incompatible avec les consignes de priorité supérieure. Dans ce dernier cas, la fourchette de débit à lâcher est réduite à une valeur unique, à la fois compatible avec les consignes de priorité supérieure, et la plus proche possible du débit demandé par la consigne incompatible. C'est finalement la borne inférieure de la fourchette résultante qui détermine le débit total à lâcher du barrage.

La répartition de ce dernier entre les différents organes d'évacuation (turbines, vannes de surface et vannes de demi fond) est faite de façon à produire le maximum de puissance pouvant être absorbée sur le réseau, et à respecter l'ouverture minimale des vannes de surface imposée par les contraintes de gestion.

Le logiciel est organisé en trois grandes parties : gestion des paramètres et données ; calculs ; exploitation des résultats et éditions.

1.5.1 - Gestion de paramètres et données

Les deux versions du logiciel permettent de gérer un certain nombre de paramètres et données qui doivent être stockés sur l'ordinateur pour pouvoir être utilisés dans les calculs de simulation :

- Paramètres décrivant sur l'année des scénarios de besoins concernant les différents usages:

. Débits exprimés au niveau d'une station située à l'aval du barrage.

. Puissance électrique demandée.

- Paramètres décrivant le barrage (turbines, vannes, etc.) et le réservoir.

- Paramètres décrivant la propagation des débits entre les différentes stations utilisées pour la simulation. Ce réseau de stations, ainsi que la façon d'utiliser ces dernières dans les calculs, sont laissées au choix de l'utilisateur.

- Limnigrammes limites à respecter dans le lac, permettant de limiter les risques de défaillance pour un objectif de fourniture de débit (maintien de stock), ou pour le laminage des crues (maintien de revanche).

- Données de base représentatives des apports en eau (chroniques de débit).

1.5.2 - Calculs et simulations

Les deux versions du logiciel permettent de réaliser les calculs suivants :

1.5.2.1 - Simulation chronologique

Ce type de calcul consiste à simuler sur une longue période une gestion opérationnelle définie par un jeu de consignes assorties de rangs de priorité. Il permet de tester des stratégies de gestion à court ou moyen terme, en évaluant leurs conséquences sur la satisfaction des objectifs envisagés.

Les données utilisées en entrée de chaque calcul sont les suivantes :

- Les paramètres caractérisant la retenue et le barrage.

- Les paramètres caractérisant la propagation des débits entre les différentes stations du réseau adopté.

- Les chroniques de débits moyens journaliers concernant certaines stations non influencées par le barrage.

- Des consignes de gestion choisies par l'utilisateur parmi une liste proposée par le logiciel, et associées éventuellement à certains des scénarios de besoins ou certains limnigrammes limites évoqués ci-dessus.

A chaque pas de temps, l'application d'une règle de gestion se traduit par le calcul d'une limite minimale ou d'une limite maximale, ou des deux, qui est imposée au débit total pouvant être lâché par le barrage (vidangé + déversé + turbiné). L'application de plusieurs règles de gestion a pour effet de resserrer la fourchette de valeurs limites autorisées pour ce débit total.

En sortie du calcul, le logiciel produit des fichiers de valeurs journalières pour les variables suivantes :

- Niveau de la retenue.

- Puissance électrique produite.

- Débits turbiné, vidangé, déversé (vannes de déversoir ouvertes au minimum évitant leur submersion)

- Part de débit lâché dans le seul but de satisfaire les besoins ''non sommables'' (voir plus loin), et inutile pour la satisfaction d'autres besoins.

- Débit à certaines stations, en particulier celles qui se situent à l'aval de la retenue

- Le cas échéant, déficit de production électrique ou de fourniture de débit, par rapport aux objectifs envisagés

1.5.2.2 - Traitement des niveaux extrêmes d'exploitation

Ce type de calcul consiste à calculer l'évolution des valeurs minimales (resp. maximales) du niveau de plan d'eau dans la retenue, compatibles avec la totale satisfaction future d'un objectif de soutien de débit, de production de puissance ou de niveau à dépasser dans le réservoir (resp.. de laminage de crue ou de niveau à ne pas dépasser dans le réservoir). L'analyse statistique des valeurs obtenues permet de définir sur l'année des limnigrammes limites minimaux (resp. maxmaux) qu'il est nécessaire de respecter dans la retenue pour être en mesure d'atteindre l'objectif désiré avec un taux de réussite donné.

Les limnigrammes annuels définis par ces calculs peuvent être retenus en tant que consignes de niveaux limites à respecter dans le réservoir. Celles-ci peuvent elles-mêmes être intégrées dans des jeux de consignes testés par simulation chronologique avec le logiciel.

1.5.2.3 - Calculs ponctuels de productible énergétique ou de capacité d'évacuation

A partir des caractéristiques du barrage, ce type de calcul permet d'évaluer les solutions optimales de turbinage pour tout jeu de valeurs concernant le nombre de turbines disponibles, le niveau de retenue, le débit total lâché ou la puissance désirée.

1.5.3 - Exploitation des résultats

Les deux versions du logiciel permettent l'édition des chroniques de résultats sous forme de tableaux de chiffres ou de graphiques, ainsi que leur interprétation statistique par diverses procédures de calcul.

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