Manning's roughness coefficient determination in laboratory experiments using 2D modeling and automatic calibration

Abstract

Reliable experimental data are essential for choosing and validating numerical models. Although numerous data sets have been presented in the literature, few have been made widely available to the scientific community. Additionally, these experimental data sets have generally given little attention to the determination of Manning's roughness coefficients. This paper addresses these two issues. Three channel configurations are studied: a flatbed channel, a channel with a triangular sill and a channel with a triangular abutment. Three increasing permanent discharges are used for each configuration, leading to nine test cases. The Manning's coefficients are determined using three methods: the traditional step method, automatic calibration, via a 2D hydrodynamic model, considering theoretical value intervals and automatic calibration ignoring these intervals. The results show that automatic calibration with theoretical value intervals is advantageous compared to the step method. Automatic calibration ignoring theoretical intervals yields low errors but unphysical values; therefore, it is not recommended.

Des données expérimentales fiables sont essentielles pour choisir et valider des modèles numériques. Bien que de nombreux ensembles de données aient été présentés dans la littérature, peu ont été largement diffusés auprès de la communauté scientifique. De plus, ces ensembles de données expérimentales ont généralement accordé peu d'attention à la détermination des coefficients de rugosité de Manning. Cet article aborde ces deux aspects. Des essais au laboratoire en écoulement permanent dans un canal sont réalisés. Pour ce canal, trois configurations sont étudiées : un canal à fond plat, un canal à fond plat avec un seuil triangulaire à l'aval et un canal à fond plat avec une butée triangulaire. Trois débits de valeurs croissantes sont utilisés pour chaque configuration, conduisant à neuf cas de tests. Les coefficients de Manning sont déterminés à l'aide de trois méthodes : la méthode classique des tronçons, la calibration automatique, en utilisant un modèle hydrodynamique 2D, prenant en compte les intervalles de valeurs théoriques des coefficients de Manning selon la nature des parois du canal, et la calibration automatique ignorant ces intervalles. Les résultats montrent que la calibration automatique prenant en compte les intervalles de valeurs théoriques des coefficients de Manning fournit de meilleurs résultats que la méthode des tronçons. L'étalonnage automatique ignorant les intervalles théoriques produit des erreurs faibles mais des valeurs pour les coefficients de Manning qui ne correspondent pas aux valeurs du matériau du canal ; par conséquent, cette dernière méthode n'est pas recommandée. Par ailleurs, l'ensemble des données expérimentales sont fournies avec le présent article. Ces données peuvent être utilisées, sans aucune responsabilité des auteurs, sous réserve que le présent article est cité comme Référence

Keywords:

• laboratory experiment
• 2D flow modeling
• PEST and SRH-2D
• automatic calibration
• triangular sill and abutment

Mots clés:

• expériences de laboratoire
• modélisation 2D
• PEST et SRH-2D
• calibration automatique
• seuil et butée triangulaires