HyD2002 - Objectifs - Interface graphique - Les objets du modèle - Fichiers d'entrée-sorties - Tutoriel

Présentation générale

Le développement vise un environnement pour l'aide à la gestion des ressources des eaux au sens large, allant de la planification à long terme jusqu'à l'optimisation de la gestion opérationnelle. Cet environnement doit être assez ouvert pour recourir, suivant les prises de décision, à différentes technologies, optimisations et simulations plus ou moins complexes de processus physiques. Plusieurs types d'utilisateurs potentiels ont été identifiés : bureaux d'étude, décideurs, unités de recherche et développement, gestionnaires, usagers des systèmes d'eau, etc. Ils font appel à des degrés divers aux trois grandes fonctionnalités de l'environnement, présentées sur la figure A.1 :

Il est possible de séparer le processus de gestion des ressources en eau, présenté sur la Figure A.1, en deux phases principales : une phase d'études regroupant les études de planification et de conception plus ou moins détaillée et une phase de mise en oeuvre regroupant la construction ou l'installation de nouveaux systèmes, la gestion opérationnelle, et la maintenance des systèmes.

Bien que ces phases sont généralement abordées de manière séquentielle, dans la réalité le processus est continu et, sur les systèmes d'eau existants, les tâches de planification, de gestion opérationnelle et de maintenance sont menées en parallèle.

Figure A.2. - Processus de gestion des ressources en eau

L'importance de la phase de mise en oeuvre, initialement plus négligée dans les études, est aujourd'hui grandement soulignée, ne serait-ce que pour des raisons économiques. Une amélioration de la gestion opérationnelle peut sursoir la nécessité de nouveaux ouvrages, donc éviter des investissements financiers importants. Mais il y a également une volonté de répondre de manière plus effective aux objectifs et d'intégrer les divers impacts de la gestion pour aboutir à un développement durable.

• Différents acteurs peuvent collaborer dans la phase d'études. Des organismes publics sont généralement en charge de la planification, qui se réfère à des études de stratégie à long terme concernant le développement des ressources en eau dans une région donnée et la formulation d'alternatives de développement.

  Dans un sens plus restreint, La planification et le dimensionnement consistent à définir des ouvrages à réaliser pour répondre aux divers besoins constatés ou prévus, en précisant l'échéancier dans le temps des réalisations [VALIRON 1988]. Des bureaux d'études peuvent ainsi être retenus pour l'établissement de schémas directeurs et plus généralement pour des études plus techniques, correspondant à la phase de conception, pour la mise en oeuvre des directives d'aménagements arrêtées.

  Les décideurs, en charge des investissements, ont un rôle central dans le choix des alternatives et la validation d'une solution. Des unités de recherche et développement peuvent aussi intervenir pour proposer de nouveaux modèles de connaissance. Ces collaborations seront détaillées dans la section La phase d'études.

• La construction des aménagements ou l'installation de nouveaux ouvrages correspond à la charnière de la phase de mise en oeuvre. Elle fait appel à des acteurs spécifiques (bureau d'études, entreprises de travaux publics, etc) et à une gestion administrative propre (appels d'offre, maîtrise d'oeuvre et d'ouvrage, test et réception d'ouvrage). Cette phase demande à être coordonnée avec la gestion opérationnelle du système déjà en place.

  La gestion opérationnelle recouvre bien sûr le fonctionnement des installations . Mais cette phase intègre aussi des aspects plus administratifs comme le fonctionnement financier et la gestion des personnels. La figure A.3 schématise le rôle du gestionnaire dans le fonctionnement d'un système d'eau.

  
  Figure A.3 - Entrées - sorties d'un système de ressource en eau

  Le gestionnaire joue sur des entrées contrôlables par des commandes sur les prélèvements, les lachures, voire sur les demandes par une politique de tarification, etc. Les entrées non controlables sont constituées par les pluies, les écoulements superficiels et souterrains, l'évolution de la population, etc. Les sorties désirées, objectifs du gestionnaire, peuvent être la production hydroélectrique, la réduction du risque d'inondation, la satisfaction de la demande en eau agricole, urbaine, industrielle, le respect des débits dans les cours d'eau et de la qualité de l'eau pour des besoins écologiques, récréatifs, de navigation, etc. Les sorties non désirées, comme les phénomènes d'érosion, de salinisation, de sédimentations de réservoirs, de pertes de fertilité pour les cultures de décrue, etc peuvent conduire le gestionnaire à modifier ses pratiques.

  Il y a, pour le moins, nécessité d'assurer la maintenance des installations, en vue de s'assurer de leur bon fonctionnement technique. Cette phase peut recouvrir une gestion administrative propre (budget, personnel) et passe par la mise en place d'une politique d'inspections.

  Dans la réalité, il y a rarement un gestionnaire unique sur un bassin hydrographique. Plusieurs gestionnaires peuvent ainsi avoir des objectifs divergents. Les usagers peuvent développer leur propre stratégie, qui peut influencer grandement le fonctionnement d'un système d'eau. Ceci est notamment vrai pour l'importante demande en eau agricole. Les prises de décision font référence à des dimensions politiques, sociales et organisationnelles qu'il faudrait pouvoir intégrer dans les modèles (cf article Reitsma dans [Journal of Hydrology 1996]). Ainsi, l'Etat se désengage peu à peu de la gestion des sous-systèmes (irrigation, eau potable et industrielle notamment) en la confiant à des structures régionales ou des organisations locales de gestion collective. Les sociétés humaines sont de plus en plus impliquées (gestion sociale de l'eau) [Le Goulven & al. 1999].

  Dans la section La gestion opérationnelle, nous détaillerons notamment les stratégies de prise en compte de l'aléa climatique, important dans le fonctionnement de systèmes où la décision de lachures sur des réservoirs peut influer grandement sur le respect d'objectifs dans le futur.

La figure A.4 présente un exemple de collaboration dans la phase d'études. Les études sont initiées par l'identification d'un ou plusieurs problèmes à résoudre, ce peut être la prévention de pénuries d'eau, de risques d'inondations, etc. Ces problèmes doivent être traduits en termes d'objectifs. Il faut définir les critères d'évaluation avec les objectifs économiques et des critères coûts-bénéfices. Le but final est de proposer des alternatives d'aménagement qui satisfont au mieux l'ensemble des critères et permettent un choix éclairé des décideurs.

Figure A.4 - Exemple de collaboration dans la phase d'études

Pour traiter les problèmes, différents modèles peuvent être proposés. Suivant la spécifité du problème, le travail de modélisation sera plus ou moins long. La modélisation résumant finalement l'expertise du chercheur, de l'ingénieur d'étude et de l'utilisateur (ingénieur d'exploitation ou décideur), il y a, dans la chaîne conduisant au produit opérationnel, du travail pour chacun d'eux, et le succès vient bien souvent de la qualité de leur collaboration [VALIRON 1988]. Si le problème est vraiment spécifique, le chercheur devra élaborer un modèle de connaissance pour représenter le processus. Si le problème est vraiment standard, le bureau d'étude aura déjà à sa disposition plusieurs modèles opérationnels.

Les données disponibles sont de différentes natures : données sur les conditions d'apports (quantité, qualité et variabilité), données sur les demandes en eau et le degré d'assurance de desserte en quantité et en qualité, données sur les alternatives techniques potentielles (différents sites de retenues, possibilités d'adduction, etc).

La sophistication des modèles utilisés dépend grandement des données disponibles. Il convient notamment de représenter au mieux la variabilité hydrologique. Une étape préliminaire à toute étude consiste donc en la critique et l'analyse de données historiques disponibles, qui feront appel à des modèles plus ou moins complexes de corrélations entre stations, de reconstitutions, de synthèses d'information à l'échelle régionale, etc. Des modèles pluies-débit peuvent être élaborés pour étendre des chroniques d'écoulement ou pour spatialiser les apports. Des modèles statistiques de crues et d'étiages peuvent servir à la description des caractéristiques hydrologiques extrêmes qui interviennent dans le dimensionnement.

Mais dans les problèmes de planification à long terme, il devient très important de savoir traiter l'incertitude sur des états futurs de développement, correspondant à des projections économiques et des choix de société. L'examen a posteriori de nombreux projets d'aménagements montre des écarts considérables entre prévisions et réalités. Mais en prenant en compte l'incertitude, on peut penser pouvoir adopter des solutions plus flexibles, et moins risquées en regard de certaines alternatives.

L'étude de sensibilité des alternatives peut être réalisée par des modèles de simulation d'aménagements. Ces outils permettent de représenter sur de longues chroniques historiques ou pour des événements particuliers l'influence d'ouvrages (réservoirs, captages, etc) sur la satisfaction des objectifs (modèles MAGRE de BRL, HYDRAM de l'IRD, etc). Certains modèles permettent de coupler cycle superficiel et cycle souterrain de l'eau (modèles AquaTool de l'UPV, Geolab, etc).

Aux outils de simulation, on adjoint parfois des modèles d'optimisation des choix de ces aménagements, fondés sur des critères économiques : par exemple le système HEC-5 de l'U.S. Corps of Engineers recherche le coût minimum de réalisation d'une combinaison d'ouvrages destinés à satisfaire un objectif déterminé. La représentation économique est généralement très simplifiée dans ces modèles, et notamment l'existence d'objectifs multiples, difficiles à comparer entre eux, y est rarement prise en compte. Les méthodes de classement de nombreuses alternatives, comme ELECTRE, sont utilisées pour les choix d'aménagement [VALIRON 1988].

La gamme des modèles utilisés est, on le constate, très étendue. Par rapport aux modèles, les différents acteurs ont des attentes différentes :

• pour le chercheur, il s'agit d'améliorer la représentation des connaissances, de tester des hypothèses pour la compréhension des processus. Il peut rechercher la complexité si elle est source de savoir, même si dans la pratique les données nécessaires peuvent faire défaut.

• le bureau d'étude veut pouvoir simuler des hydrosystèmes naturels et aménagés, créer interactivement les systèmes à étudier, disposer d'une grande souplesse dans les simulations intégrant éventuellement des optimisations, évaluer les impacts et performances de différentes stratégies, disposer d'outils opérationnels, donc pas trop complexes à mettre en oeuvre. La simulation de systèmes d'eau constitue un outil pratique de dialogue et d'exploration.

• le décideur veut choisir en pouvant mesurer les conséquences de ses décisions malgré la complexité croissante des hydrosystèmes : connexions entre ouvrages, transferts d'eau entre bassins, multiplication des ouvrages, etc.

La gestion opérationnelle consiste pour un ensemble d'ouvrages existant à règler le fonctionnement des organes de commande, fonctionnement qui va conditionner les flux d'eau dans le système. Mais, dans le fonctionnement de systèmes où la décision de lachures sur des réservoirs peut influer grandement le respect d'objectifs sur un futur plus ou moins lointain suivant les stockages en jeu, il est important de définir des stratégies qui prennent en compte l'aléa climatique.

Etablissement des consignes de gestion par simulation

Une des stratégies est d'utiliser les modèles de simulation pour tester des consignes de gestion sur de longues chroniques de données hydro-climatiques, considérées comme représentatives. La vérification des objectifs se fait a posteriori, notamment par l'analyse d'apparition de défaillances et leur répartition (fiabilité), de l'ampleur des déficits (vulnérabilité) et de la durée des pénuries (flexibilité). Les consignes de gestion vont être modifiées, au fur et à mesure des simulations, pour améliorer la satisfaction des objectifs. Il y a apprentissage, par l'utilisateur du modèle de simulation, de la réponse du système, par un processus du type essais-erreurs. L'objectif est de se rapprocher de la réalité de l'application des consignes d'où la nécessité de simuler au pas de temps journalier ou décadaire pour ne pas lisser des phénomènes.

Les consignes de gestion peuvent être plus ou moins complexes. Elles font généralement référence à des priorités de distribution de demandes et une hiérarchisation de la mobilisation des ressources. La mobilisation s'effectue en respectant les courbes de remplissage et de vidange des réservoirs. La définition du niveau objectif tiendra notamment compte de la constitution d'un creux pour l'amortissement des crues.

D'autres règles de gestion peuvent être reproduites :

• le déclenchement de restrictions sur la desserte en eau d'une demande suivant la valeur d'un indicateur ; cet indicateur peut être un niveau de réservoir, une valeur d'écoulement ou un indicateur calculé a priori de manière plus ou moins complexe (cf l'indicateur état de disponibilité défini dans l'outil HYDRAM [POUGET 1997] ) ;
• l'application de contrats annuels de desserte, il y arrêt de la desserte lorsque l'apport est égal au volume nominal du contrat ;
• des règles de gestion liées à la qualité, etc.

Cet établissement des consignes de gestion par simulation demande le savoir-faire du gestionnaire du système pour équilibrer la satisfaction des objectifs et peut être difficile à mettre en oeuvre lors de changements structuraux importants ou sur des cas complexes.

Approche intégrée de la gestion opérationnelle

La figure A.5 présente les nombreuses collaborations que peut impliquer la gestion au niveau de l'ensemble d'un bassin. Trois couches de décision peuvent être identifiées [JAMIESON 1986] : les décisions stratégiques, tactiques et de contrôle local. Elles peuvent correspondre à divers gestionnaires, un gestionnaire central, des gestionnaire de sous-systèmes, des gestionnaires d'ouvrages. Les décisions stratégiques définissent ce qui doit être fait à moyen terme en termes d'allocations de ressources ; des modèles d'optimisation sur des mois futurs sont utilisés. Les décisions stratégiques conditionnent les modèles de gestion tactique qui correspondent à des décisions à court terme, en journalier généralement.

Les décisions tactiques servent à règler le fonctionnement des organes de commande, qui correspond à un contrôle en temps réel, généralement asservi par des automatismes. Des boucles de rétro-action peuvent exister entre ces modes de décision pour prendre en compte des écarts entre directives et réalité.

Figure A.5 - Collaborations possibles dans la gestion opérationnelle d'un bassin

Cette approche intégrée de la gestion opérationnelle couple en fait modèles d'optimisation et de simulation, en détaillant plus ou moins les processus physiques à divers moments du procédé de prise de décision. Les modèles d'optimisation de la gestion stratégique peuvent utiliser des algorithmes de programmation linéaire. Cette simplification est acceptable au regard de l'incertitude sur le futur à prendre en compte pour la satisfaction des objectifs. Dans le projet WARSYP par exemple, l'incertitude sur le futur est traitée par la représentation d'un arbre de scénarios stochastiques. L'avantage de ces méthodes, même si c'est une de leur principales difficultés, réside dans la formalisation des objectifs.

On note l'importance du recours à un modèle de simulation, reproduisant l'approche intégrée des prises de décisions stratégiques et tactiques, notamment pour la phase de test du mode d'optimisation de la gestion stratégique. La robustesse de différentes options peut être évaluée : mode uniquement déterministe avec un horizon prévisionnel plus ou moins grand (on peut se placer dans le cas irréaliste mais optimal où le futur est connu, puisque l'on va simuler sur des données historiques), complexité plus ou moins grande d'un arbre de scénarios stochastiques, etc.

Il est possible d'évaluer les gains par rapport à l'établissement des consignes de gestion uniquement par simulation.