Une nouvelle avancée pour le logiciel SW2D qui permet de simuler les écoulements à grande échelle

Comme son nom l’indique, SW2D, permet de résoudre les équations “shallow water” en dimension 2. Ce sont les principales équations utilisées en hydraulique à surface libre, avec des applications allant de la modélisation des cours d’eau aux inondations, en passant par la problématique de transport de polluant par exemple. En particulier, le logiciel intègre des modèles à porosité. Ceux-ci permettent de simuler à grande échelle les écoulements en géométries complexes avec une rapidité 102 à 103 fois plus grande que les modèles classiques.

Le principe de SW2D est de faciliter le développement de modèles innovants pour l’hydraulique à surface libre : la structure du code permet aisément de tester de nouveaux modèles, de nouveaux schémas numériques, l’ajout de nouveaux termes sources, etc. Pour l’équipe-projet Lemon, c’est une plateforme de développement de modèles “low tech” qui permettent de simuler des inondations de façon efficace, le critère déterminant étant souvent d'atteindre un compromis satisfaisant entre précision et temps de calcul.

La chaîne logicielle se décompose en plusieurs exécutables. La partie principale, appelée sw2dSolver, permet de faire le calcul dynamique de l’écoulement de l’eau dans un domaine de calcul pré-déterminé par un maillage. Les données d'entrée sont des données météo (pluie, vent), des données de terrain (bathymétrie, typologie des sols), des données hydrauliques (niveaux et débits des cours d’eau aux frontières du domaine considéré). Le logiciel fournit, en sortie, une cartographie complète des données hydrauliques (hauteurs d’eau, vitesses, débits) sur la zone concernée. L’exemple typique est une ville ou une agglomération dans laquelle on veut faire des simulations d’inondations.

Les points forts de SW2D

• Aucune contrainte sur la structuration des maillages (par exemple, le mélange de triangles et de quadrangles est autorisé)
• Des modèles “low-tech” pour la simulation rapide d’écoulements à surface libre (modèles dits « à porosité » développés par l’équipe). Plusieurs de ces modèles ont été développés par des membres de l’équipe et ce logiciel est à notre connaissance le seul qui les propose tous à l’utilisateur.
• Une portabilité sur Windows / MacOS / Linux
• Une plateforme GitLab ouverte aux développeurs externes (licence AGPL-3.0)

Le point principal de cette version 4.0.0. est le passage en Open Source. Le logiciel est désormais testé, documenté et disponible pour toute collaboration. Ce changement majeur se traduit par une utilisation facilitée, la mise en place de tests automatisés couvrant l’ensemble du code et la mise à disposition d'une documentation précise (qui différencie utilisateurs et développeurs).

Les prochaines version intégreront :

• deux modèles à porosité, développés dans la version antérieure à Lemon, qui n’ont pas encore été réintégrés dans la version Open Source. Leur recodage est en cours. Ils permettront de simuler de nouvelles configurations physiques ;
• une parallélisation de certaines parties du code, pour gagner en temps de calcul ;
• des modèles à grand pas de temps (pour gagner en sobriété dans les calculs) ;
• des solveurs de Riemann développés par l’équipe et qui n’ont pas encore été réintégrés dans le nouveau code.

Le bilan à ce jour : 

• un certain nombre de téléchargements ;
• une dizaine de contacts pris avec des équipes universitaires (principalement en Europe et en Asie) ;
• des demandes d'aide à l'utilisation qui ont permis d’améliorer la documentation, maintenant très détaillée ;
• et encore aucun bug signalé.

Nous espérons vraiment créer une communauté d’utilisateurs qui fassent remonter des bugs, mais aussi des besoins de nouveaux développements qui viendront construire de nouvelles questions de recherche pour l’équipe.

La version Open Source est un produit purement Inria/Université de Montpellier. 

Nous autorisons la participation de toute personne qui souhaiterait contribuer à l’amélioration du logiciel mais, pour le moment, nous demandons aux auteurs de céder leurs droits patrimoniaux au consortium initial. Cela nous permet de contrôler l’évolution du logiciel.

Il existe également une version “industrielle” du code. Dès 2005, donc peu de temps après que le développement du logiciel a débuté, le bureau d’étude SIEE a montré un intérêt pour SW2D, qui a été utilisé dans plusieurs études. Les membres de SIEE qui ont rejoint la société Cereg Ingénierie continuent de l’utiliser. Ils forment la communauté historique d’utilisateurs et sont à l’origine d’un certain nombre de développements industriels, qui ont été intégrés dans le logiciel à leur demande. 

Ces développements n’ont pas nécessairement vocation à tous figurer dans la version Open Source ; ils sont néanmoins très intéressants pour l’équipe, car ils nous amènent à nous pencher sur des problématiques nouvelles, que nous n’aurions pas forcément identifiées sinon.

Le développement de la branche “industrielle” du code a bénéficié d’une bourse AMIES, avec le financement pendant 1 an d’un poste d’Ingénieur d’Études. Cette version est actuellement en cours de test par la société Cereg.

Vincent Guinot, enseignant-chercheur à l’Université de Montpellier, est l’initiateur historique du logiciel en 2003. Il est l’auteur des modèles à porosité et d’un certain nombre de méthodes numériques qui sont intégrés (ou restent à intégrer) dans le logiciel.

Pascal Finaud-Guyot, enseignant-chercheur à l’Université de Montpellier, a effectué sa thèse sur l’hybridation des modèles 1D et 2D, en utilisant SW2D comme plateforme de base. Il est l’auteur de solveurs de Riemann qui sont encore à intégrer dans le code. Il a également joué un rôle déterminant dans l’élaboration des procédures de développement du code et son assurance qualité.

Antoine Rousseau, chercheur chez Inria, est responsable de l’équipe-projet Lemon depuis sa création. Il coordonne le développement de SW2D dans l’équipe et a été à l’initiative du passage à la version C++ (2017) puis open source (2025). Il est également auteur de certaines méthodes numériques qui sont en cours d’intégration dans le logiciel.

Lilas Bugeau est ingénieure développeuse. Arrivée dans l’équipe en septembre 2024 grâce à une collaboration avec AMIES et CEREG, elle a largement contribué à la professionnalisation du logiciel (optimisation de code, tests, documentation, site internet, etc.).

Sans oublier : 

• Carole Delenne, enseignante-chercheuse à l’UM jusqu’en 2024, désormais à l’Université Aix-Marseille ;
• Joao Caldas, doctorant entre 2018 et 2021 ;
• Marc Hétier, stagiaire en 2022 ;
• Joseph Kahn, doctorant entre 2018 et 2021 ;
• l’équipe du service expérimentation et développement du centre Inria d’Université Côte d’Azur.