Modélisation hydrologique selon une approche globale

Le projet VULCAIN

L’acronyme VULCAIN signifie « Vulnérabilité des hydrosystèmes face aux effets combinés des changements climatiques et aux activités humaines en zone méditerranéenne ». Il s’agit d’un projet de recherche débuté en 2006 et terminé en 2010. Soutenu par l’Agence Nationale pour la Recherche (ANR), le projet VULCAIN fut mené par le BRGM, accompagné de plusieurs partenaires dont le bureau d’études BRL Ingénierie, le laboratoire HydroSciences de l’Université de Montpellier, ainsi que le département recherche de Météo France.

Le projet propose une modélisation des impacts combinés des changements climatiques et socioéconomiques sur les hydrosystèmes méditerranéens. Ces impacts sont étudiés à deux horizons temporels : à moyen terme (2020-2040) et à long terme (2040-2060). La prise en compte des activités humaines dans une modélisation hydrogéologique constitue la principale originalité du projet.

VULCAIN traite des impacts des changements climatiques sur les ressources en eau et les activités économiques, des effets de l’état des ressources en eau sur les activités économiques, et également des impacts des activités socio-économiques sur les ressources en eaux elles-mêmes.

Modélisation hydrologique selon une approche globale

Chacun des trois bassins hydrographiques de la zone d’étude a été découpé en sous-bassins versants : quatre pour l’Agly, six pour la Têt, deux pour le Tech, et une zone littorale appelée Plaine du Roussillon. Nous nous intéressons plus particulièrement à la modélisation hydrologique du bassin versant amont du Tech en zone de socle. Il s’agit d’un bassin versant de surface, ce qui facilite la modélisation, d’autant que le cours d’eau ne présente pas de barrage.

Dans le cadre de la modélisation du bassin versant du Tech, une modélisation hydrologique de type pluie / débit a été retenue. Elle est réalisée au moyen du logiciel TEMPO. Il s’agit d’un outil de traitement du signal développé par le BRGM. Il est destiné au traitement et à la modélisation de séries temporelles en hydrogéologie et en hydrogéochimie [Pinault, 2001]. Dans le cadre de VULCAIN, il est utilisé pour déterminer la fonction mathématique qui retranscrit au mieux la transformation des précipitations en débit, mesuré à l’exutoire du bassin versant. La construction du modèle s’appuie sur les chroniques historiques de précipitations et de débits observées à l’exutoire du bassin versant. Pour le bassin versant du Tech, il s’agit de la station hydrométrique de Reynès. Les mesures sont disponibles depuis 1970 tant pour la météorologie que pour l’hydrométrie. Le calage du modèle s’appuie donc sur près de trente-six années de mesures.

Pour une modélisation plus fidèle des hydrosystèmes, le projet VULCAIN prend également en compte les prélèvements en eaux (liés à l’irrigation et à l’alimentation en eau potable). Ces derniers représentent en effet jusqu’à 25% du débit du cours d’eau dans les mois estivaux, où la gestion des ressources en eau est des plus critiques. En ajoutant le débit prélevé au débit mesuré à l’exutoire du bassin versant au débit prélevé, on obtient un débit naturalisé qui représente le débit naturel théorique obtenu en l’absence de prélèvements sur le cours d’eau .

Le modèle une fois calibré permet de faire ce qu’on appelle une modélisation inverse. Il s’agit de reproduire les valeurs de débits qu’on obtiendrait en réponse à partir des chroniques météorologiques. Considérant l’hypothèse que le comportement de l’hydrosystème ne devrait pas évoluer dans le futur, la modélisation inverse réalisée dans VULCAIN permet ainsi à partir de prévisions météorologiques d’obtenir une estimation des débits futurs dans le cours d’eau. Le projet a ainsi donné lieu à l’examen de différentes variables climatiques. Le changement climatique est d’une part simulé à partir de l’analyse des mesures climatiques effectuées au cours des dernières années, et d’autre part avec différents modèles climatiques prospectifs établis lors des dernières études du Groupe Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC).

Le modèle hydrogéologique permet ainsi d’estimer le débit naturalisé à l’exutoire pour ces différents scénarii climatiques. Les prélèvements futurs devront alors être soustraits pour obtenir une estimation du débit réel dans le cours d’eau tel que mesuré à la station .

L’estimation des prélèvements futurs est construite à partir des prélèvements observés actuellement ainsi que des hypothèses ou scenarii d’évolutions. Cette modélisation des prélèvements en eau constitue une phase primordiale. En effet de ces résultats vont dépendre la construction de la modélisation hydrogéologique elle–même. VULCAIN considère les consommations d’eau destinées à un usage domestique ainsi que celles associées aux consommations d’eau agricoles. Les consommations d’eau imputables aux industries ont quant a elles été ignorées. Elles sont en effet négligeables sur notre zone d’étude par rapport aux deux sources de consommation citées précédemment. Les modèles retenus pour VULCAIN pour la modélisation des prélèvements reposent sur des approches pluri-disciplinaires. Ils proposent de combiner des données d’origines diverses et présentant des hétérogénéités, notamment en matière d’échelle spatiale et de granularité. L’hétérogénéité des données complique leur combinaison. Qui plus est l’indisponibilité des données sur une longue période empêche de réaliser un modèle calibré sur un grand échantillon de données. Ainsi le calage du modèle n’a été fait que sur la période de 2000 à 2005.

D’un point de vue technique, les méthodes d’estimation des prélèvements en eau développées pour VULCAIN ont été implémentées dans deux tableurs Excel séparés : un pour chacun des deux postes de consommations en eau considérés dans le projet. Ce choix technique rend la mise à jour et la réutilisabilité des modèles assez fastidieuse. Nous présentons dans les paragraphes suivants différentes méthodes, dont celles adoptées dans VULCAIN, pour estimer les prélèvements en eau agricoles et domestiques.

Modélisation des prélèvements en eau agricole

Le modèle de la FAO (détaillé ci-dessous) se présente comme un candidat intéressant pour estimer les besoins en eau agricole. Il est utilisé dans le monde entier et s’appuie sur des calculs relativement simples. De plus, il n’est pas très différent de celui retenu dans le projet VULCAIN (également présenté) ce qui permet de réutiliser une partie des données utilisées dans ce modèle.

Modèle FAO 

La méthode introduite par la Food and Agricultural Organization (FAO) de l’Organisation des Nations Unies (ONU) est très certainement l’une des plus couramment utilisées pour l’évaluation des besoins en eau des cultures. Cette approche est fondée sur le principe que le besoin en eau des cultures correspond à la quantité d’eau nécessaire pour compenser l’effet de l’évapotranspiration. L’évapotranspiration correspond à la combinaison des pertes en eau subies par phénomènes d’évaporation et de transpiration. Ces deux phénomènes portent sur la transformation de l’eau liquide en vapeur. L’évaporation correspond à l’eau perdue par le sol, tandis que la transpiration correspond à celle perdue par les pores de la plantes. La répartition de l’évapotranspiration entre évaporation et transpiration évolue au cours du cycle de vie de la culture. Toutefois en pratique, il est difficile d’évaluer avec précision cette répartition [Allen & al, 1998].

L’évapotranspiration dépend de divers paramètres climatiques : pression atmosphérique, vitesse du vent, taux d’hygrométrie et taux d’ensoleillement. Plusieurs méthodes de calcul permettent de la déterminer. L’approche conseillée dans le cadre d’une utilisation du modèle FAO est celle dite de Penman-Monteih. La valeur d’évapotranspiration standard ET0 est définie comme l’eau consommée par une plante de référence : l’herbe .

Table des matières

Introduction
De VULCAIN à FUSIEAU
Plan du mémoire
Première partie – Un sujet pluridisciplinaire
Chapitre I : Evaluation des besoins en eau
I.A Le projet VULCAIN
I.A.1 Introduction
I.A.2 Modélisation hydrologique selon une approche globale
I.B Modélisation des prélèvements en eau agricole
I.B.1 Modèle FAO
I.B.2 Modèle VULCAIN
I.C Modélisation des prélèvements en eau domestique
I.C.1 Modèle VULCAIN
I.C.2 Modèle du SDRE de l’Isère
I.D Conclusion du chapitre
Chapitre II : IDS et services interopérables
II.A Infrastructures de Données Spatiales
II.A.1 Définition et composition
II.A.2 Initiatives pour la diffusion et le partage de l’information environnementale
II.A.3 Mise à disposition de modèles sur le web
II.B Services et Architectures Orientées services
II.B.1 Notions de services et d’Architectures Orientée Services
II.B.2 Services web dédiés à la géomatique
II.B.3 Formats standards de données
II.C Composition de services web
II.C.1 Orchestration et chorégraphie
II.C.2 Comparatif orchestration / chorégraphie
II.C.3 Outils pour l’orchestration
II.D Conclusion du chapitre
Chapitre III : Fusion de données et qualité de l’information géographique
III.A Fusion de données
III.A.1 Terminologie
III.A.2 Catégories de fusion
III.B De la qualité de l’information géographique
III.B.1 Notion de qualité de l’information géographique
III.B.2 Prise en compte des imperfections
III.C Conclusion du chapitre
Deuxième partie – Elaboration d’une IDS dédiée à l’évaluation des besoins en eau
Chapitre IV : Choix conceptuels et notions introduites dans FUSIEAU
IV.A FUSIEAU : frère jumeau de STRATEAU ?
IV.A.1 Des objectifs communs
IV.A.2 Des approches différentes
IV.B Des données aux IDS
IV.B.1 Simulation de multiples IDS
IV.B.2 Choix des formats pour la diffusion des données
IV.C Implémentation du modèle avec des services web
IV.C.1 Création de capteurs virtuels
IV.C.2 Fonctionnement général d’un algorithme associé à un calcul issue d’un modèle
IV.D Conclusion du chapitre
Chapitre V : Application à l’estimation des besoins en eau agricole et domestique
V.A Spatialisation du modèle FAO
V.A.1 Approche du modèle
V.A.2 Identification des données utilisées
V.A.3 Identification des traitements et de leur ordre d’enchaînement
V.B Proposition d’un modèle d’estimation des besoins en eau domestiques
V.B.1 Approche des modèles
V.B.2 Estimation des besoins en eau liés à la population permanente
V.B.3 Estimation des besoins en eaux liés au tourisme
V.C Evolutions de FUSIEAU
V.C.1 Vers l’évaluation des ressources en eau à l’échelle des bassins versants
V.C.2 Vers un modèle prévisionnel
V.D Conclusion du chapitre
Chapitre VI : Développement d’un prototype
VI.A Une structure flexible
VI.A.1 Utilisation de FUSIEAU comme centre de traitement externalisé
VI.A.2 Traçabilité des résultats
VI.A.3 Conception modulaire
VI.B Implémentation des modèles
VI.B.1 Processus associé à la combinaison de géométries
VI.B.2 Processus associé à un calcul dans le modèle
VI.C Partie client
VI.C.1 Représentation des données et des résultats
VI.C.2 Construction de scénario pas à pas
VI.D Conclusion du chapitre
Troisième partie – Vers une IDS intelligente
Chapitre VII : Gestion des imperfections dans un cadre de fusion de données
VII.A FUSIEAU : frère jumeau d’UncertWeb ?
VII.A.1 Des objectifs communs
VII.A.2 Des approches différentes
VII.B Typologie des imperfections
VII.B.1 Imperfections liées aux données
VII.B.2 Imperfections liées au modèle
VII.C Prise en compte des imperfections
VII.C.1 Analyse de sensibilité
VII.C.2 Propagation des incertitudes
VII.D Conclusion du chapitre
Chapitre VIII : Définition d’une méthode d’intégration de la prise en compte des imperfections dans l’IDS
VIII.A Interaction avec le modèle
VIII.A.1 Organisation des résultats avec prise en compte de l’incertitude
VIII.A.2 Définition des incertitudes d’entrée
VIII.A.3 Intégration de la prise en compte de l’incertitude dans les algorithmes de calcul
VIII.B Intégration de la prise en compte de la qualité dans l’IHM
VIII.B.1 Evolutions dans la phase de préparation de la simulation
VIII.B.2 Evolutions dans la phase de simulation
VIII.B.3 Représentation des résultats
VIII.C Conclusion
Conclusion

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