INTERFROST : exercice d’inter-comparaison de codes couplés thermo-hydrauliques pour simuler l’hydrologie des milieux froids

Des études récentes montrent que le suivi de l’évolution des systèmes hydrologiques (lacs, rivières, bassins versants) dans les zones boréales à pergélisol nécessite de développer une approche de modélisation à l’échelle de l’unité du paysage qui puisse coupler les échanges thermiques avec les écoulements en surface / subsurface. Les codes développés résolvent généralement le système couplé : équation de Darcy ou Richards et équation de transport de chaleur (conduction, convection, changement de phase). Ce système d’équations conduit à des difficultés numériques importantes : les équations sont non linéaires et des fronts raides sont générés du fait du terme de changement de phase. Pour valider ces codes, on ne peut s’appuyer que sur les solutions analytiques du type Stefan ou Lunardini, limitées à l’équation de thermique pure avec changement de phase, un domaine semi-infini et une température imposée. Le reste de la littérature ne permet pas d’appuyer une démarche d’évaluation satisfaisante du système couplé (cas trop complexes, paramètres non renseignés, …).

Nous proposons cette année le benchmark INTERFROST pour offrir un forum international d’inter-comparaison de codes. L’objectif est d’abord d’évaluer voire de valider ces codes à l’aide de cas tests allant du plus simple au plus complexe. Certains seront adossés à des expériences en chambre froide. Cet exercice souhaiterait ensuite créer une dynamique au sein de la communauté pour échanger autour de ces questions et améliorer les performances de la modélisation afin d’envisager à terme de simuler la dynamique de systèmes tridimensionnels réalistes.

Cette initiative est portée au sein du LSCE et d’IDES. Des premiers cas tests relativement simples ainsi qu’un calendrier seront proposés prochainement. Le benchmark se veut ouvert à tous. Au-delà des premiers cas tests, les systèmes traités dans le futur tiendront également en compte les besoins exprimés. Une première série de cas tests se limitera à des cas 1D de transferts thermiques avec changement de phase qui peuvent donc plus largement également intéresser les codes aux grandes échelles.

Dans la mise en oeuvre de ce projet d'intercomparaison, il sera en effet utile de pouvoir confronter les résultats des différents modèles numériques aux mesures réalisées sur des dispositifs expérimentaux placés en chambre froide.

Un tel exercice de comparaison, mettant en jeu un code numérique nouvellement développé et des expériences réalisées sur la plate-forme CryoEx (voir message posté dans le forum au sujet de cette plate-forme), a récemment permis de tester la pertinence des concepts physiques et formalismes introduits dans le code (Rivière 2012). Nous nous sommes plus particulièrement penchés sur l'évolution des pressions dans l'aquifère subpermafrost au cours d'un cycle de gel/dégel. Ces résultats (publication à venir) pourront être mis à la disposition de la communauté.

Nous poursuivons nos travaux selon cette même approche associant modélisation physique et numérique, avec notamment des développements prévus dans le domaine de l'imagerie géophysique ; travaux qui pourront s'inscrire dans le cadre d'INTERFROST.

Anne Jost (UMR 7619 Sisyphe).

En collaboration avec Marianne Font-Ertlen (UMR 6143 M2C), Fayçal Réjiba (UMR 7619 Sisyphe), Julio Gonçalvès (UMR 7330 CEREGE).

Référence :
Rivière A. (2012) Influences du pergélisol sur les écoulements souterrains et leurs échanges avec une rivière : étude numérique et expérimentale. Thèse de l'Université Pierre et Marie Curie Paris VI.

Afin d'envisager la mise en œuvre de simulations tridimensionnelles réalistes à l'échelle du bassin versant, il sera nécessaire de recourir au calcul massivement parallèle (e.g. : Painter et al. 2013). Travailler à l'échelle du bassin versant expérimentale permettra de contribuer aux approches par bilans de matières qui sont appliquées pour l’étude des flux élémentaires dans les zones boréales incluant un pergélisol. C'est dans ce but qu'a été initié au GET un effort de développement de code de transferts thermo-hydriques dans le cadre de la boite à outil de résolution d'équations aux dérivées partielles massivement parallèle OpenFOAM^® (Orgogozo et al., 2014). Ce projet bénéficiera du contexte favorable créé par INTERFROST, en terme de production de cas tests de validation et d'opportunités d'interactions scientifiques. Ainsi ces travaux de développements numériques pour la simulation des transferts thermiques et hydriques dans les pergélisols à l'échelle du bassin versant expérimental entendent s'inscrire dans la dynamique scientifique impulsée par INTERFROST.

Référence : Orgogozo L., Pokrovsky O.S., Goddéris Y., Viers J., Labat D., Prokushkin A.S., 2014. Numerical Modeling of Heat and Water Transfer in Permafrost-Dominated Watersheds. Permafrost: Distribution, Composition and Impacts on Infrastructure and ecosystems, pp. 153-172, Ed. O.S. Pokrovsky, Nova Publishers, New York.