Thème de Recherche arceau
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- Caractérisation statistique du régime des cours deau : de la quantité à la qualité
- Gestion tactique : optimiser la ressource en définissant les consignes
- Gestion temps réel : optimiser la ressource en définissant les commandes
Axe 3 : ValoriserGérer la ressource en eau sur un bassin versant nécessite de considérer trois grands types de concepts : le premier concept est la production ou le stockage, le deuxième est lié aux transferts et enfin le troisième concerne la valorisation. Cette distinction est pertinente, que l’on gère l’excès ou la pénurie et que l’on s’intéresse à la quantité ou à la qualité. Le TR propose de contribuer à la gestion plus performante et plus durable de ressources en eau limitées (étiage) mais aussi en excès (crues). L’incidence de la gestion sur la qualité (chimique, biologique) des eaux est un enjeu important dans un contexte de pénurie d’eau. Le défi pour les prochaines années est de progresser dans la gestion de l'eau au niveau du bassin versant en intégrant la demande en eau (y compris les comportements sociaux) et la connaissance fine de la ressource. Il faut progresser sur la gestion tactique et le lien avec la gestion temps réel. Pour ce faire il faut être capable de développer des compétences autour de l’optimisation stochastique et profiter des techniques d’ors et déjà maitrisées par les hydrologues du TR. Sur la période 2014-2018 nous nous proposons de développer des techniques, méthodologies et outils pour la gestion des flux et de la qualité de l’eau dans les bassins versants. Pour progresser dans la gestion intégrée du cycle de l'eau le TR doit s’investir dans un certains nombre de techniques clés comme la propagation des incertitudes l'assimilation des données pour le calage de paramètres ou l'estimation d'états inconnus. Les techniques de l’automatique offrent un cadre conceptuel pour aborder l’étude de la stabilité des systèmes et de leur commande. Ces techniques ont montré leur efficacité pour la commande des systèmes hydrauliques à surface libre. Un logiciel de gestion pour les canaux et rivières (logiciel SIC) sert de support à ces recherches et de valorisation vers les bureaux d’étude et les gestionnaires (Figure 7). Ce logiciel permet la modélisation hydraulique de canaux d’irrigation ou de rivières. Il autorise la prise en compte de divers ouvrages de régulation ainsi que de leurs règles de gestion automatiques ou manuelles. Il dispose d’un module permettant de générer des modèles linéaires dans l’espace d’état. Ces modèles sont ensuite utilisés pour générer des filtres de Kalman pour l’assimilation de données. Il est ainsi possible, en alimentant ces filtres par des données terrain, de détecter des défauts ou pannes de capteurs, de corriger des données erronées, de reconstituer des données non mesurées, de détecter et localiser des apports ou des pertes non mesurées (affluents ou prises).
Les équipes du TR travaillent depuis longtemps à la caractérisation des régimes hydrologiques (Sauquet and Catalogne, 2011; Sauquet et al., 2008; Snelder et al., 2009). Les outils développés se sont révélés utiles non seulement pour les gestionnaires, mais aussi pour mieux comprendre les facteurs physiques qui régulent le fonctionnement des bassins versants. Pour la période à venir, nous souhaitons poursuivre certains développements, et également évaluer la possibilité d'étendre ces méthodes simples à la caractérisation des flux de polluants. Dans la lignée des courbes concentration-durée-fréquence qui avaient été proposées par G. Galéa à la fin des années 1990, nous aimerions explorer les nouvelles possibilités offertes par les techniques qui ont permis la régionalisation de courbes de débits classés pour caractériser les régimes de concentrations ou de flux. A la suite du Tableau qui présente les thèses en cours et prévues, nous détaillons les principaux objectifs scientifiques que nous nous sommes fixés pour 2014-2018 dans ce domaine. Tableau . Thèses en cours et projetées pour le thème "Caractérisation des régimes (quantité-qualité)
Au cours des dernières années, les équipes du TR ont travaillé sur le thème des données ponctuelles (voir par exemple Rojas-Serna, 2005). La question scientifique sous-jacente était la suivante : que faire quand les données hydrologiques dont nous avons besoin pour paramétrer nos modèles hydrologiques ne sont pas présentes dans les quantités voulues ? Comment intégrer une information parcellaire dans notre schéma d'estimation ? Les solutions proposées (Rojas Serna et al., 2006; Catalogne, thèse en cours) méritent d'être poursuivies, notamment dans la perspective d'un passage à des données de concentration. En effet, ces dernières sont presque toujours extrêmement ponctuelles (typiquement, hors recherche, la surveillance comprend 4 analyses par station et par an). Si nous voulons pouvoir tirer à l'avenir le maximum des chroniques existantes, il faut pouvoir valoriser des séries extrêmement parcellaires.
Les courbes de débits classés, parce qu'elles résument la distribution des écoulements d'un bassin versant, représentent des indicateurs synthétiques très pratiques pour les gestionnaires. Pour simuler ces courbes, on aurait pu penser que l'utilisation de modèles hydrologiques complets (pluie-débit) présenterait un avantage, de par l'utilisation explicite que ces modèles peuvent faire des longues séries climatologiques, leur permettant ainsi de prendre en compte la variabilité climatique. Cependant, nous n'avons pour l'heure pas trouvé d'avantage à l'utilisation des modèles pluie-débit, qu'ils soient mensuels ou journaliers, par rapport aux approches de régionalisation statistique classique (Perrin et al., 2001). Ce résultat paradoxal nous pousse à imaginer d'autres façons de faire : (i) on pourrait imaginer revoir notre façon de caler les paramètres du modèle hydrologique (par exemple en choisissant explicitement de caler sur la courbe des débits classés) ; (ii) on pourrait aussi réaliser un post-traitement des simulations, permettant de mieux coller aux courbes des débits classés. Ces approches sont d'autant plus intéressantes qu'elles soulèvent des questions relatives à la complémentarité des approches du TR, et sont donc susceptibles de permettre des collaborations internes multiples.
Le TR a développé dans le passé des techniques d'analyse de la stationnarité des stations, qu'il s'agisse de tests visant à comprendre si les quantiles rares du débit évoluent (Lang and Renard, 2007; Renard et al., 2006; Renard et al., 2008) ou si le comportement des bassins versants (i.e. la relation pluie-débit) change (Andréassian et al., 2003). Dans le cadre de la "transmutation" de compétences "quantité" en compétences "qualité", il serait intéressant d'évaluer si les approches statistiques ci-dessus peuvent être utilisées pour caractériser les tendances de séries de concentrations ou de flux extrêmement parcellaires. Notons de plus que pour travailler sur ces séries, il est intéressant de pouvoir indiquer aux modélisateurs quelles séries peuvent être considérées comme raisonnablement stationnaires, et quelles séries ne devraient pas l'être.
Les retenues collinaires sont susceptibles de modifier non seulement le régime de l'écoulement en écrêtant les crues et soutenant les étiages (voir par exemple Payan et al., 2007), mais aussi d’induire des modifications de la dynamique d’exportations des contaminants (produits phytosanitaires et azote). Une partie de l'activité expérimentale du TR a précisément pour objectif l'évaluation de ce comportement tampon, et ses applications en ingénierie écologique. Au-delà de nos travaux expérimentaux, il serait possible d'étudier ces phénomènes à une échelle plus large, en utilisant les bases de données nationales et en reconstituant les apports de polluants avec la distribution des cultures sur le bassin versant, le phasage entre périodes de traitement des cultures, le remplissage et l’utilisation des retenues collinaires. Une telle étude permettrait de construire des passerelles entre les études relatives à l’impact de ces retenues sur le régime (en termes quantitatifs) d’un bassin versant, aux zones humides construites, et aux transferts de pesticides entre la parcelle et le milieu hydrographique.
Dans la suite des travaux qui ont mené à la cartographie des débits de référence sur l'ensemble des rivières de France (notamment la cartographie de consensus pour l'Agence de l'Eau Seine-Normandie puis pour l'ONEMA), nous pourrions envisager à l'horizon 2017 de réaliser un traitement cartographique similaire pour les principaux polluants des rivières de France, en situation jaugée et non-jaugée.
L’aide à la gestion tactique a pour but de mettre au point des consignes, en vérifiant leur cohérence et leur optimalité, d’en visualiser les effets sur le devenir du système, tout en prenant en compte les notions de performance et de défaillance. Elle doit porter sur plusieurs points fondamentaux : (i) quantifier les objectifs de gestion (multi-objectifs, usages environnementaux); (ii) modéliser le caractère aléatoire des apports et des usages; (iii) optimiser les consignes en fonctions des contraintes de transfert et des objectifs de gestion. Une fois les consignes définies, c’est la gestion temps-réel qui sera chargée de gérer le système. Le TR ARCEAU n’a pas vocation à aborder tous ces points, mais sur la base des compétences disponibles en hydrologie et en optimisation, notre projet est d'apporter une contribution originale sur ce thème. Le Tableau présente les thèses en cours et projetées dans ce domaine : Tableau . Thèses en cours et projetées pour le thème "Optimiser la ressource, les consignes"
La quantification des objectifs est typiquement un point qui sera traité en collaboration, avec d’autres TR ou d’autres partenaires et en particulier en interface avec les SHS avec l’UMR GEAU. Les méthodes basées sur la simulation des processus (générateurs de pluies ponctuelles et/ou spatialisées, couplés à des modèles hydrologiques) permettront de fournir aux gestionnaires des scénarios (événements pluvieux, hydrogrammes de crues, chroniques de débits d’étiage) directement utilisables pour tester le fonctionnement d’ouvrages et les règles de gestion potentiellement associées, et évaluer leur efficacité ou défaillance. Les techniques de modélisation et d’optimisation utilisées en automatique sont mobilisables pour optimiser les consignes de la gestion tactique (au pas de temps des semaines à quelques mois). Un exemple est en cours avec la thèse de Sothea HONG qui s’intéresse à l’optimisation des tours d’eau sur un périmètre d’irrigation. L’intérêt de travailler sur un périmètre irrigué est que le système est moins complexe à appréhender qu’un bassin versant et qu’il est plus finement instrumenté pour suivre la distribution de l’eau.
La technicité accrue des systèmes de transport et de distribution de l'eau (capteurs, amélioration des modèles de prévision météorologique et de demande) offre aux gestionnaires des opportunités d’améliorer la connaissance de leur système, d’anticiper les demandes en eau et les éventuelles situations de crise. La technologie des capteurs évolue rapidement et donne accès en temps réel à de nombreux paramètres de qualité. Les réseaux de capteurs sans fil, la modélisation hydraulique, les techniques d’assimilation de données et l’automatique sont une voie pour améliorer la gestion des systèmes hydrauliques à surface libre : rivières, fleuves, canaux d’irrigation ou de navigation, réseaux d’assainissement mais aussi plus généralement pour progresser dans la gestion intégrée de l’eau au niveau du bassin versant. A la suite du Tableau qui présente les thèses en cours et prévues, nous détaillons les principaux objectifs scientifiques que nous nous sommes fixés pour 2014-2018 dans ce domaine. Tableau . Thèses en cours et projetées pour le thème "Optimiser la ressource, les commandes"
Le besoin en modélisation hydrodynamique se généralise, dans le domaine environnemental, tant en hydrologie qu’en mécanique des fluides. Notre effort plus spécifique sera de faire évoluer ces modélisations pour les rendre compatibles avec les contraintes de gestion. On s’appuiera sur des expérimentations de terrain (canaux d’irrigation, grand bassin versant africains) et de laboratoire (halle d’hydraulique de Montpellier SupAgro), des approches numériques (outils de CFD) et des développements théoriques. Les orientations prévues sont les couplages de modèle (surface/souterrain, dynamique des contaminants, etc.) ainsi que l'étude de la propagation de la sensibilité dans les modèles et dans les commandes. Pour la construction d’observateurs ou de modèles dynamiques, la modélisation fine des processus nécessitera d'étudier les lois de fonctionnement des ouvrages de régulation et de transport (influence de la végétation, effets 2D et 3D). Par ailleurs, la prise en compte des objectifs de qualité nous obligera à coupler fonctionnement sédimentaire et/ou hydrobiologique et forçage hydraulique. L’analyse des processus entre les variables climatiques ou de pratiques des usagers et les variables d’intérêt pour le gestionnaire fera appel à l’utilisation de modèles spécifiques (modèles pluie-débit, modèles de simulation de la demande en eau). La modélisation des processus en jeu n’est pas forcément utilisable dans un contexte opérationnel du fait des volumes de données à traiter et de la fragilité de ces modèles. Une modélisation robuste et efficace aux pas d'espace et de temps du gestionnaire doit alors être recherchée.
Cinq questions nécessiteront des développements à l'horizon 2014-2018 : (i) Comment intégrer la prévision (apports hydrologiques, prélèvements) dans les méthodes de gestion ?; (ii) Quelle information spatiale est exploitable pour la modélisation et la commande des systèmes, comment intégrer cette information ?; (iii) Comment intégrer de nouveaux objectifs de gestion, au-delà des objectifs de gestion quantitative (par exemple qualité hydrobiologique des milieux) ?; (iv) Comment évaluer la précision des outils de gestion développés (robustesse) ?; et (v) Comment optimiser le couplage entre gestion temps réel et gestion tactique6 ? Nous appliquerons les méthodes développées par le TR ARCEAU à différents contextes de gestion :
Au-delà de nos recherches sur la gestion opérationnelle des transferts d’eau à surface libre par la continuité de la démarche scientifique, en exploitant et approfondissant des approches déjà mises en œuvre dans les dernières années, nous devons être capables d’aborder les défis de la gestion de l’eau (quantité et qualité) au niveau du bassin versant. Cette nécessité d’aborder des problèmes de gestion complexes et à des échelles de temps et d’espace très différentes nous suggèrent de proposer des collaborations ouvertes avec l'ensemble des équipes du TR. Elle oblige aussi à acquérir un minimum de connaissances pour dialoguer avec des disciplines parfois assez éloignées des modélisations en physique.
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