SmallFlex : prévisions hydrologiques en temps réel pour l'exploitation flexible d'une centrale au fil de l'eau dans les Alpes

L'objectif général de ce projet était de montrer comment une petite centrale au fil de l'eau alpine (ici en utilisant l'exemple de Gletsch-Oberwald) pouvait produire de l'énergie de pointe et de l'électricité supplémentaire en hiver pour le réseau suisse en stockant l'eau dans la centrale pendant de courtes périodes. Cela permettrait d'exploiter la centrale au fil de l'eau de manière plus flexible et de générer des revenus supplémentaires.

La contribution de l'Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL) comprenait un système de prévision automatisé avec des prévisions de débit à très court terme (< 6 h), à moyen terme (1-5 jours) et à long terme (1 mois) pour le Rhône à la prise d'eau de Gletsch. Un nouveau produit Nowcasting de MétéoSuisse (INCA), ainsi que des prévisions détaillées de la fonte des neiges ont été assimilés dans un modèle hydrologique. Les prévisions hydrologiques ont permis aux opérateurs de planifier et de mettre en œuvre le stockage temporaire de l'eau dans le système.

Les rejets calculés ont également permis de faire une première estimation du transport des sediments dans la rivière à la prise d'eau. Cela limite la souplesse d'exploitation de la centrale au fil de l'eau. Toutefois, il est apparu que la prévision du transport des sediments dans ce fleuve alpin est encore associée à de grandes incertitudes et nécessiterait des systèmes de mesure supplémentaires.

Plus d'informations sur le système de prévision hydrologique :

La base du système de prévision mis en place est le système INCA-CH, qui combine toutes les informations météorologiques disponibles en temps réel, telles que les données des stations, des radars et des satellites, et les extrapolent dans le futur. Ces données d'observation sont interpolées sur une grille d'une résolution de 1 km et mises à jour toutes les 10 minutes, ce qui donne des prévisions pour les 6 prochaines heures pour les principales variables météorologiques telles que les précipitations, la température, le vent. Le modèle hydrologique PREVAH, qui calcule le ruissellement à partir de ces variables météorologiques observées et prévues, fonctionne de manière opérationnelle avec une résolution spatiale de 100 m et avec des pas de temps horaires. Par conséquent, les prévisions d'INCA-CH doivent d'abord être revues à la baisse. La figure ci-dessous montre un exemple de prévision de température INCA-CH pour le bassin versant du glacier, en mettant en évidence les différentes résolutions spatiales de la grille de 1 km de la météorologie (en gris) et la résolution de 100 m après application des techniques de réduction d'échelle dans le bassin versant (en couleurs).

Au WSL, le couplage des nowcasts INCA -CH et du modèle PREVAH a lieu toutes les heures et fournit une prévision de débit ou d'entrée à Gletsch pour les 6 heures suivantes. Pour les prévisions allant de 6 heures à plusieurs jours (semaines), d'autres systèmes de prévision météorologique de MétéoSuisse sont intégrés de manière transparente dans les prévisions de rejets.

En novembre 2018, le système de prévision a été testé dans le cadre d'une campagne de terrain à Gletsch et le WSL a fourni aux partenaires du projet des prévisions en temps réel deux fois par jour.

Application du système de prévision hydrologique

Un exemple de prévision pendant la semaine d'une campagne sur le terrain en novembre 2018 est présenté ci-dessus. Les points noirs indiquent le débit observé à la station de mesure et la ligne bleue est la prévision. Les points gris sont les valeurs observées qui ne sont pas disponibles au moment de la prévision, mais qui servent à illustrer la qualité de la prévision. Les points rouges sont des observations de ruissellement récupérées pendant la période entre l'initialisation de la prévision météorologique et l'achèvement des prévisions hydrologiques.

Au cours de la dernière année du projet, diverses méthodes d'apprentissage machine (par exemple, le renforcement du gradient et les forêts aléatoires) et des méthodes de combinaison de prévisions ont été testées afin de réduire les erreurs dans le système de prévision. Ces méthodes de post-traitement présentent des possibilités d'amélioration importantes.

Modélisation de la neige pour les petits bassins versants alpins

Une autre contribution du WSL au projet SmallFlex a été l'amélioration d'un modèle de neige à haute résolution qui permet une représentation réaliste des processus de neige à petite échelle en terrain alpin. La prise en compte de la variabilité spatiale est essentielle pour évaluer avec précision le ruissellement dans les petits bassins versants de montagne. Le modèle de neige que nous avons choisi résout directement le bilan énergétique à la surface du manteau neigeux. Il utilise une prévision numérique du temps (PNT) à échelle réduite avec une résolution de 250 m comme entrée pour la prévision de la fonte des neiges. Pour obtenir les meilleurs états du manteau neigeux avant le début des prévisions, les données mesurées ont été assimilées dans le modèle. La densité de la neige est modélisée dans les stations d'enneigement et le signal de l'épaisseur de la neige est appliqué aux précipitations solides. Un schéma d'interpolation optimal est utilisé pour interpoler spatialement les mesures ponctuelles et tenir compte également des erreurs de mesure dans les jauges de précipitation et les mesures de l'épaisseur de la neige.

Comme la couverture neigeuse est très variablement répartie sur un terrain complexe, les plaques de neige sont une caractéristique typique de la saison d'ablation qui affecte directement la fonte des neiges disponibles pour le ruissellement. Par conséquent, une paramétrisation de la fraction enneigée (SCF) basée sur la rugosité de la surface a été utilisée. Le modèle tient compte de la capacité de la neige à stocker la pluie ou l'eau de fonte dans le manteau neigeux, ce qui affecte le moment où l'eau quitte le manteau neigeux.