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La Houille Blanche
Number 2, Avril 2018
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Page(s) | 90 - 98 | |
DOI | https://doi.org/10.1051/lhb/2018023 | |
Published online | 01 June 2018 |
Towards district scale flood simulations using conventional and anisotropic porosity shallow water models with high-resolution topographic information
Vers la simulation d'inondations urbaines avec des modèles à porosité conventionnelle et anisotropique sur donnée topographique haute résolution
1
Chair of Water Resources Management and Modeling of Hydrosystems, Technische Universität Berlin, Germany
2
Innovative CiTy Lab URE 005, University of Nice Sophia Antipolis (UNS), France
3
Department of Engineering, University of Cambridge, United Kingdom
* ilhan.oezgen@wahyd.tu-berlin.de
Current topographic survey technology provides high-resolution (HR) datasets for urban environments. Incorporating this HR information in models aiming to provide flood risk assessment is desirable because the flood wave propagation is depending on the urban topographic features, i.e. buildings, bridges and street networks. Conceptual, numerical and practical challenges arise from the application of shallow water models to HR urban flood modeling. For instance, numerical challenges are occurrence of wet-dry fronts, geometric discontinuities in the urban environment and discontinuous solutions, i.e. shock waves. These challenges can be overcome by using a Godunov-type scheme. However, the computational cost of this type of schemes is high, such that HR two-dimensional shallow water simulations with practical relevance have to be run on supercomputers. The porous shallow water model is an alternative approach that aims to reduce computational cost by using a coarse resolution and accounting for unresolved processes by means of the porosity terms. Usually, a speedup between two and three orders of magnitude in comparison to HR simulations can be obtained. This study reports preliminary results of a practical test case concerning pluvial flooding in a district of the city of Nice, France, caused by the intense rainfall event on October 3rd, 2015. HR topography data set on a 1 m resolution is available for the district, whereby street features of infra-metric dimensions have been included. A reference solution is calculated by a HR shallow water model on a 1 m by 1 m structured computational grid. The porous shallow water model is run on a 10 m by 10 m grid and the influence of the drag source term is studied. The model results show a large deviation, which is caused by the poor meshing strategy of the porous shallow water (AP) model. The study also summarizes practical challenges that arise during the application of the AP and HR models to a large urban catchment. The main difficulty is to obtain a good mesh. In smaller scale investigations, the mesh is currently constructed by hand such that the cell edges align with buildings. This approach is not feasible for large scale urban catchments with a large number of buildings. Future steps that have to be taken, such as a strategy for automatic mesh generation, are reported on.
Résumé
Les technologies d'acquisition de données topographiques modernes fournissent des jeux de données haute résolution (HR) pour les environnements urbains. Les caractéristiques topographiques urbaines (bâtiments, éléments de voierie, etc.) impactent la propagation des ondes de crue et l'incorporation de cette information HR dans des modèles visant à fournir une évaluation des risques d'inondation apparaît pertinente. Néanmoins, lors de modélisations de ruissellement urbain HR en approchant la solution de system d'équations de Saint-Venant en 2D (2D SWE), des limitations de nature conceptuel, numérique et pratique sont à considérer. Les défis numériques (fronts secs/humides, de forts gradients et des solutions discontinues) peuvent être appréhendés en utilisant un schéma de type Godunov, le coût de calcul résultant de l'emploi de ce type de schémas est élevé voir prohibitif sur des calculs HR. Les modèles à porosité (AP) sont des approches alternatives qui visent à réduire le coût de calcul en utilisant une résolution grossière et en tenant compte des processus non résolus au moyen des termes de porosité. Habituellement, on peut obtenir une diminution du temps de calcul de deux à trois ordres de grandeur par rapport aux simulations basées sur la résolution du système d'équation de Saint-Venant. Cette étude rapporte les résultats préliminaires d'un cas test sur les inondations dans un quartier de la ville de Nice (France), causées par l'événement pluvieux du 3 octobre 2015. Des données topographiques HR de résolution infra-métrique ont été utilisées. Une solution de référence est calculée par un modèle 2D SWE HR à résolution 1m par 1m incluant les éléments urbains infra-métriques. Le modèle AP est exécuté sur une grille de 10 m par 10 m et l'influence du terme source est étudiée. Les résultats montrent une déviation importante, causée par la mauvaise stratégie de maillage du modèle AP. L'étude résume par ailleurs les défis pratiques qui surviennent lors de l'application des modèles AP en HR à un vaste bassin versant urbain. Ainsi, la difficulté principale est d'obtenir un bon maillage. Dans les approfondissements à plus petite échelle, le maillage est spécifiquement construit de sorte que les bords des cellules soient alignés avec les bâtiments. Cette approche n'est possible qu'à petite échelle et les étapes futures de d'amélioration, comme une stratégie pour la génération automatique de maille, sont signalées.
Key words: anisotropic porosity / shallow water model / urban area / FullSWOF_2D / hms / Nice
Mots clés : porosité anisotropique / équations de Barré de Saint-Venant / milieu urbain / FullSWOF_2D / hms / Nice
© Société Hydrotechnique de France, 2018