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

Description

Les systèmes considérés sont constitués d'éléments de stockage tant superficiels que souterrains, d'éléments de captage, de transport tant naturels qu'artificiels, d'utilisation et de consommation d'eau.

Les modèles proposés permettent la simulation continue du fonctionnement des systèmes basé sur des règles de gestion très souples. Ces consignes font 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 objectif des réservoirs.

L'utilisation du modèle consiste à modifier, au fur et à mesure des simulations, les consignes de gestion pour améliorer la satisfaction des objectifs.

Formulation

Nous reprenons, ici et au niveau de chacun des composants, la formulation mathématique définie dans le programme WARSYP [WARSYP 1998]. Cette formulation est axée vers l'optimisation de la gestion stratégique, mais elle permet de rendre explicite les caractéristiques des objets et les contraintes de gestion tactique.

Le problème consiste à minimiser une fonction objectif composée de termes pénalisation et de couts sur un horizon décisionnel, sachant les conditions formulées dans les équations (1)-(30) relatives aux divers composants ; les termes de pénalisation sont relatifs aux déficits ou aux déviations par rapport à des niveaux objectifs ; et les termes de couts sont relatifs aux pompages de surface ou dans les aquifères. La fonction objectif peut être exprimée comme suit :

{tex}\small \sum _{t \in T}\left[\sum _{i \in NE}\sum _{m \in M+it}\lambda^+_{imt.} V^+_{imt}+\sum _{i \in NE}\sum _{m \in M-it}\lambda^-_{imt.} V^-_{imt} + \\ \sum _{(e,f) \in NAN} \alpha_{eft.}Q^-_{eft}+ \sum _{n \in ND \cup NC}\sum _{f \in Fn} \delta_{nft.}D^-__{nft.}+ \sum _{n \in NS Ynt.}S^-_{nt} \\ +\sum _{k \in NR} \sigma_{kt}.R^-_{kt}+ \sum _{k \in NP} \sum _{n \in Nk} \mu_ {knt.} Y_{knt}+\sum _{(e,f) \in NA} \phi_{eft.}Q_{eft}+\ \\ \sum _{i \in NC} \omega_i (\sum _{f \in Pi}Q_{ift}- (d_{it}- \sum _{l \in Fi}D^-_{ilt})) \right]{/tex}

Le stockage dans le réservoir et les aquifères et la limitation des déficits cumulés des demandes nécessitent un couplage multipériodes, qui conduit à l'adoption d'un modèle complexe de résolution d'équations linéaires.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion

Exemple

# Systeme
nom Amenagements_A2
description amenagements "1995" - Bras de Sable - AEP 50%
simulation 2
mode 2.decade
periodes 1962 1 1 348
ecoulement C:\ActiveHyd\guadelou\flows\hm3\
lame ecoulee C:\ActiveHyd\guadelou\flows\m\
sorties global an mois decade jour

Figure B2.1. - Système d'eau - graphique associé

Ensembles principaux

Ensembles secondaires

Les paramètres du modèle

Paramètres d'état

Paramètres de niveaux objectifs

Paramètres de pénalisation

  Les variables du modèle

Réservoir

Description

Un réservoir est considéré comme un noeud de surface possédant une capacité de stockage.

A chaque pas de temps, le volume d'eau stocké dans un réservoir est diminué des pertes par évaporation et infiltration et augmenté par les dessertes des arcs amont, par les apports nets naturels, et éventuellement par réalimentation souterraine. Le volume net est en partie déversé en aval et en partie stocké pour le pas de temps suivant.

Le réservoir peut être découpé en zones où l'on pénalisera plus ou moins des déficits et des surplus de stockage par rapport à une courbe objectif. Il est par exemple ainsi possible de définir une tranche de stockage d'eau de moindre qualité qu'il faut au maximum éviter de solliciter ou de constituer un creux pour l'amortissement des crues.

Formulation

Bilan en eau dans les réservoirs {tex}\small \forall i \in NE{/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Déficits et surplus de stockage par rapport à une courbe objectif

Note : Les différents termes sont décrits dans les ensembles d'objets , les paramètres et les variables du modèle.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion

Exemple

# Reservoir
nom Letaye
index noeud 1
localisation 55.30 43.40
hauteurs 9
hauteur 18 19 20 21 22 23 24 25 26
surface 0 1.44 3.53 5.99 8.7 11.63 14.74 18.01 21.43
stockage 0 0.006 0.031 0.078 0.151 0.253 0.385 0.548 0.745
apport naturel LETAYE 1
L evaporation 0.123 0.131 0.162 0.167 0.169 0.17 0.175 0.166 0.142 0.126 0.107 0.109
pluie directe RETENUE1 1
C perte 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04
infiltration 0
stockage objectif 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55
zones 2
volume 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
volume 1 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
volume 2 0.745 0.745 0.745 0.745 0.745 0.745 0.745 0.745 0.745 0.745 0.745 0.745
penalites positives 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
penalites negatives 1 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000
penalites positives 2 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000
penalites negatives 2 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95
stockage initial 0.5
sorties global an mois

Figure B6.1. - Réservoir - graphique associé

Jonction

Description

Une jonction est un noeud de surface où l'écoulement connaît une modification : confluence, prise en rivière, apport intermédiaire, etc.

Pour chaque pas de temps, le volume d'eau entrant à un noeud jonction correspond à la desserte par les arcs amont et éventuellement aux apports nets naturels, à la réalimentation par un aquifère et à la restitution d'une partie d'une demande. Le volume sortant correspond à l'alimentation des arcs aval et éventuellement aux pertes par infiltration et à la recharge artificielle d'un aquifère.

Formulation

Bilan en eau dans les jonctions {tex} \small\forall j{\in}NJ, t{\in}NT {/tex}

Note : Les différents termes sont décrits dans les ensembles d'objets , les paramètres et les variables du modèle.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion

Exemple

# Jonction
nom vernou
index noeud 3
localisation 17.60 27.21
apport naturel TRAVERSE 0.64
C perte 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
infiltration 0
sorties global an mois

Figure B7.1. - Jonction - graphique associé

Pompage

Description

Un pompage est un noeud de surface où une certaine quantité d'eau peut être dérivée vers des arcs artificiels.

Pour chaque pas de temps, le volume d'eau entrant correspond à la desserte par les arcs amont. Le volume sortant correspond à l'alimentation des arcs aval, avec une limite supérieure pour la desserte des arcs artificiels.

Formulation

Bilan en eau dans les pompages et les demandes non consommatrices {tex}\small \forall i \in NCF \cup NU {/tex}, {tex}\small t \in NT {/tex}

Contrainte de limite de pompage {tex}\small \forall u \in NU{/tex}, {tex}\small t\in NT {/tex}

Note : Les différents termes sont décrits dans les ensembles d'objets , les paramètres et les variables du modèle.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion

Exemple

# Pompage
nom Pompa1
index noeud 1
localisation 5.00 5.00
limite 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
sorties global an mois

Figure B8.1. - Pompage - graphique associé

Consommation en eau

Description

Une consommation en eau est un noeud de surface correspondant à une demande où l'eau est consommée totalement ou partiellement : demande urbaine, demande industrielle, demande d'irrigation, etc.

Pour chaque pas de temps, le volume d'eau entrant correspond à la desserte par les arcs amont et éventuellement au pompage dans un aquifère. Le volume sortant correspond à la restitution éventuelle d'une partie de l'eau au système à partir d'un noeud jonction à l'aval de la demande.

La demande peut être découpée en différents niveaux où les déficits de desserte en eau sont pénalisés de manière croissante.

Formulation

Déficit de demande en eau{tex}\small \forall n \in ND{/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Les contraintes suivantes ne sont utilisées que pour les modèles d'optimisation prenant en compte un horizon prévisionnel.

Limite de déficits cumulés dans des mois consécutifs {tex}\small \forall n \in ND, t=1,...,|NT|- \tau + 1, \tau \in \Gamma{/tex}

Volume réservé dans des réservoirs {tex}\small \forall i \in NE{/tex},{tex}\small t \in NT{/tex}

Déficit de stockage réservé dans des réservoirs amont pour satisfaire des besoins futurs potentiels {tex}\small \forall i \in NE{/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Note : Les différents termes sont décrits dans les ensembles d'objets , les paramètres et les variables du modèle.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion

Exemple

# Consommation en eau
nom deshaut
index noeud 26
localisation 43.80 37.00
demande 0.62 0.7 0.775 0.75 0.62 0.6 0.62 0.62 0.6 0.62 0.6 0.62
source - 1
retour 0 0
aquifere 0
niveaux 2
taux 1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
taux 2 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9
penalites 1 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
penalites 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
restriction 0 0 -
sorties global an mois

Figure B9.1. - Consommation en eau - graphique associé

Description

Une zone irriguée est une aire de consommation d’eau où le besoin est calculé à partir d’un bilan hydrique prenant en compte la réserve en eau du sol pour une culture.

Pour chaque pas de temps, le volume d'eau entrant correspond à la desserte par les arcs amont et éventuellement au pompage dans un aquifère. Le volume sortant correspond à la restitution éventuelle d'une partie de l'eau au système à partir d'un noeud jonction à l'aval de la demande.

La demande peut être découpée en différents niveaux où les déficits de desserte en eau sont pénalisés de manière croissante.

Bilan hydrique

Le modèle classique simple à réservoir a été retenu pour le calcul du bilan hydrique. On considère ainsi que toute la pluie arrivant sur le sol s'infiltre jusqu'à saturation du sol, qui correspond au remplissage du réservoir dont la capacité constitue la réserve utile (RU). Tout apport d'eau supérieur est considéré comme perdu : la partie correspondant à l'eau gravitaire le sera par percolation, le reste par ruissellement de surface.

Le bilan peut donc s'écrire simplement :

Niveau_reserve_final = Niveau_reserve_initial + Pluie + Dose_apport - ETR
où   ETR : évapotranspiration réelle.

L'évapotranspiration

L'évapotranspiration réelle donne la consommation réelle de la culture en fonction du stress hydrique. Elle est difficile à évaluer, on se contente des résultats semi-empiriques visant à donner sa variation en fonction de l'humidité du sol ou plutôt en fonction de l'état de la réserve.

La réserve utile (RU) est décomposée en réserve facilement utilisable (RFU) et en réserve difficilement utilisable (RDU). RU et RFU dépendent de la profondeur du sol. Trois types de fonctions sont disponibles pour exprimer leurs variations dans l'année.

Tant qu'il y a de l'eau dans la RFU, c'est à dire que la réserve reste supérieure à la RDU, on considère que la plante reste à son niveau de consommation optimal, ETR = ETM. Lorsque la réserve R devient inférieure à RDU, on considère la relation ETR / ETM = R / RDU.

L'ETM, évapotranspiration maximale d'une culture, correspond donc à la consommation du périmètre planté quand celui-ci est convenablement approvisionné en eau.

Dans la pratique, ETM est calculé par ETM = Kc . ETP, où Kc, coefficient cultural, dépend du stade de développement du végétal.

On peut ainsi définir la variation du coefficient cultural au cours de l'année. L'ETP -EvapoTranspiration Potentielle - est définie à partir d'une (ou plusieurs) chroniques d'évaporation.

Demande en eau

Pour assurer une récolte optimale, il faut maintenir la réserve en eau à un niveau supérieur à la RDU. Mais la réserve ne doit pas être forcément pleine.

On a donc introduit la notion de niveau d'irrigation. Ce seuil est exprimé par le pourcentage de remplissage de RFU. Par convention il n'y a pas d'irrigation si la réserve en eau du sol est supérieure à ce seuil d'alerte ou si ce seuil est nul. Ce seuil peut être variable sur l'année.

Le volume de demande en eau peut ainsi s'exprimer :

Vol_demande = Deficit x Surface_irriguee / Efficience_apport

où   Deficit : déficit hydrique par rapport à la réserve pleine

soit   Deficit = max (Niveau_RFU - Niveau_reserve_initial + ETM - Pluie, 0)

où   ETM : évapotranspiration maximale ;
       Efficience_apport : rapport entre volume réellement utilisé et volume d'apport

Formulation

Déficit de demande en eau {tex}\small \forall n \in ND{/tex} , {tex}\small t \in NT{/tex}

Note : Les différents termes sont décrits dans les ensembles d'objets , les paramètres et les variables du modèle.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion

Exemple

# Zone irriguee
nom ban_Pcov
index noeud 147
localisation 27.36 21.01
surface 2000
pluie DUMANOIR 0.24 NEUFCHAT 0.23 DOUVIRFA 0.21 NESTY 0.12 MOREAU 0.12 BOISDEBO 0.08
evaporation 0.108 0.107 0.152 0.137 0.162 0.164 0.149 0.139 0.131 0.149 0.101 0.091
Kc 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1
ru 0.036
rfu 0.012
prof.rac. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
niveau 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
efficience 1
retour 0 0
aquifere 0
niveaux 2
taux 1 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
taux 2 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
penalites 1 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7
penalites 2 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
restriction 0 0 -
sorties global an mois

Figure B10.1. - Zone irriguée - graphique associé

Utilisation d'eau

Description

Une utilisation d'eau correspond à une demande non consommatrice. Elle associe une demande à un noeud de surface dont l'apport en eau est restitué complètement au système : centrale hydro-électrique, définition de droits d'eau, etc. La demande peut être découpée en différents niveaux où les déficits de desserte en eau sont pénalisés de manière croissante.

Formulation

Bilan en eau dans les pompages et les demandes non consommatrices {tex}\forall i \in NC \cup NU{/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Déficit dans les demandes non consommatrices {tex} \small \forall i \in NC {/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Note : Les différents termes sont décrits dans les ensembles d'objets , les paramètres et les variables du modèle.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion  

Découpage en zones

Exemple

# Utilisation d'eau
nom AepInTrav
index noeud 39
localisation 19.03 31.64
demande 2.2 2 2.2 2.1 2.2 2.1 2.2 2.2 2.1 2.2 2.1 2.2
source - 0
niveaux 1
taux 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
penalites 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
restriction 0 0 -
sorties global an mois

Figure B11.1. - Utilisation d'eau - graphique associé

Aquifère

Description

Un aquifère est considéré comme un noeud souterrain possédant une capacité de stockage.

Pour chaque pas de temps, le volume d'eau entrant à un aquifère correspond aux apports extérieurs naturels, à l'infiltration à partir de réservoirs ou de noeuds de jonction et éventuellement à de la recharge artificielle à partir d'un noeud jonction. Le volume sortant correspond à la réalimentation de réservoirs ou de noeuds de jonction et à des pompages si le volume net de l'aquifère les permet.

Formulation

Bilan en eau dans les aquifères {tex}\small \forall k \in NK{/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Déficit de recharge artificielle {tex}\small \forall k \in NR{/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Limite de pompage dans les aquifères {tex}\small \forall k \in NP{/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Note : Les différents termes sont décrits dans les ensembles d'objets , les paramètres et les variables du modèle.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion

Exemple

# Aquifere
nom Aquif1
index noeud 1
localisation 5.00 5.00
stockage mini 0
stockage maxi 0
apport naturel - 1
noeuds sortie 1
noeud sortie 1
C sortie 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
pompage 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
recharge totale 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
noeuds recharge 1
noeud recharge 1
limite recharge 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
recharge objectif 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
penalites recharge 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
stockage initial 0
sorties global an mois

Figure B12.1. - Aquifère - graphique associé

Arc de surface

Description

Un arc de surface est un lien qui assure le transit d'eau entre 2 noeuds de surface : un noeud amont et un noeud aval.

Formulation

Limite de transit dans les arcs {tex}\small \forall (e,f) \in NA-NAN{/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Note : Les différents termes sont décrits dans les ensembles d'objets , les paramètres et les variables du modèle.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion

Exemple

# Arc
nom c900_lez
noeuds 8 28
flux max 4.018 3.629 4.018 3.888 4.018 3.888 4.018 4.018 3.888 4.018 3.888 4.018
sorties global an mois

Figure B13.1. - Arc de surface - graphique associé

Arc naturel

Description

Un arc naturel est un lien qui assure l'écoulement entre 2 noeuds du bassin hydrographique. On lui associe généralement un débit réservé qui peut varier au cours de l'année.

Formulation

Déficit sur le débit réservé {tex}\small \forall (e,f) \in NAN{/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Note : Les différents termes sont décrits dans les ensembles d'objets , les paramètres et les variables du modèle.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion

Exemple

# Arc naturel
nom vernou
noeuds 6 7
flux max 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000
flux min 0.375 0.339 0.375 0.363 0.375 0.363 0.375 0.375 0.363 0.375 0.363 0.375
penalites 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
sorties global an mois

Figure B14.1. - Arc naturel - graphique associé

Arc artificiel

Description

Un arc artificiel est un lien qui assure le transit d'eau, entre 2 noeuds de surface, sous une certaine limite : canal, conduite, etc.

Les arcs artificiels peuvent être associés à un pompage qui introduit une autre limite de prélèvement.

Formulation

Limite de transit dans les arcs {tex}\small \forall (e,f) \in NA-NAN{/tex}, {tex}\small t \in NT{/tex}

Note : Les différents termes sont décrits dans les ensembles d'objets , les paramètres et les variables du modèle.

Définition

Propriétés structurales

Propriétés de gestion

Exemple

# Arc artificiel
nom Arc a1
noeuds 1 2
flux max 2.491 2.25 2.491 2.411 2.491 2.411 2.491 2.491 2.411 2.491 2.411 2.491
sorties global an mois

ZonAgri est une plateforme de modélisation et de simulation des activités agricoles à l’échelle d’un territoire.

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.

Le Programme de recherches Coordonnées sur les Systèmes Irrigués (PCSI) avait pour objectif principal de caractériser le fonctionnement des systèmes irrigués et des bassins versants, puis d’élaborer des outils et des méthodes de gestion de l’eau plus performants, adaptés aux contextes socio-économiques variés des grandes régions irriguées. Ceux-ci ont permis :

• d’améliorer l’accès à la ressource en eau et son usage par divers acteurs, en tenant compte des besoins locaux et des contraintes économiques et environnementales.
• d’aider les différents acteurs à définir et d’assurer leur responsabilité dans la gestion des ressources (eau et sol), l’amélioration des aménagements hydroagricoles et des performances des filières irriguées (riz, maraîchage…).
• d’assurer la rentabilité de la production en prenant en compte les contraintes liées à la préservation et la durabilité des ressources : qualité de l’eau de consommation, fertilité des sols irrigués, partage de l'eau entre les différents acteurs, etc.

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• Formation continue (Ministères, Agences de l'eau...).
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• Doctorats : l'UMR est équipe d'accueil de 4 écoles doctorales : SIBAGHE et EDEG (Montpellier), ABIES (Paris), Physique, Modélisation et Sciences pour l'ingénieur (Marseille).

Photo : © G. Abrami

Modélisation

Les compétences en matière de gestion d’hydrosystèmes sont en partie fondées sur la maîtrise d’un certain nombre d’outils informatiques, capables de reproduire le fonctionnement de bassins versants aménagés complexes en tenant compte des formes de gestion en cours, capables aussi de simuler le fonctionnement des mêmes bassins sous différents scénarios (forcages climatiques ou anthropiques, changements d’infrastructures ou d’objectifs de gestion).

• CIHEAM - IAMM

http://www.ciheam.org/2.2.3.html

http://www.iamm.fr/html/acti/rech/axe2/default.htm

• AGRO-M

http://www.agro-montpellier.fr

• IWMI Afrique du Sud

http://www.iwmi.cgiar.org/africa/index.asp?nc=7958&id=439&msid=104

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