Surface and groundwater modelling to help water management of anthropogenic hydrosystem
Etude de la modélisation hydrodynamique de surface et hydraulique souterraine et de leur couplage dans un but d'aider à la gestion des hydrosystèmes aménagés
Résumé
Increasingly important pressures on water resources impose new constraints on managers of anthropogenic hydrosystems, such as the constraints placed on rivers that are fed by dams. To help these managers to make decisions, they require mathematical models that help to predict evolutions (e.g. stream flows, piezometric levels) or to quantify some aspects that are difficult to measure (e.g. hydraulic conductivity). Consequently, the objective of this study is to identify the main characteristics of model to help quantitative management of water resources in anthropogenic hydrosystem, using the Charente basin as an example. Before moving to the management of this hydrosystem, a systemic analysis with correlation and spectral analysis needed to be performed to explore processes and interactions between different hydrosystem components, such as surface water and groundwater. These steps permitted a global comprehension of the hydrosystem's hydrodynamics (i.e. inputs, disruption and decisions variables) and present management. Moreover, investigations were performed on adapted modelling types, space and time steps for each component. Considering the poor results of an existing forecasting model in the Charente, a new type of modelling has been considered (black box models) and several configurations have been tested. The model using precipitation and piezometric levels as inputs and stream flows as outputs had the best results in the validation phase, with a Nash criterion of 0.7 for a forecasting horizon of 7 days. Furthermore, to install a more integrated management approach leading to a better distribution of water and economics resources, a socio-economic approach was investigated. With irrigators' behavioural information (withdrawals), a better allocation of dam water releases allowed the reconciliation of water resources supply and water demands in order to prevent several situations of water use restrictions and dangers for aquatic life. From this research, important elements have been identified to model hydrosystems in order to help their integrated management. As these findings were based on a single case example, they now require application in others situations to confirm their pertinence.
La pression de plus en plus forte exercée sur les ressources en eau pose de nouvelles contraintes aux gestionnaires des hydrosystèmes aménagés tels que les rivières réalimentées par des barrages. Pour les aider dans leurs prises de décisions, ils disposent de modèles mathématiques qui peuvent prédire des changements ou quantifier des aspects impossibles à mesurer. En conséquence, l'objectif de ce travail est d'étudier, à partir de l'étude du bassin versant de la Charente, les principales caractéristiques d'un modèle d'aide à la gestion quantitative des ressources en eau au sein d'un hydrosystème aménagé. Pour gérer cet hydrosystème, il a fallu tout d'abord en connaître les dynamiques et les interactions entre ses parties à partir d'une analyse systémique et d'analyses corrélatoires et spectrales qui ont permis d'avoir une compréhension globale du fonctionnement hydrodynamique (entrées, perturbations, variables de décisions) et de la gestion actuelle. De plus, des analyses des types de modélisation et des pas d'espace et de temps adaptés pour les différents compartiments (hydrauliques de surface et souterraine, socioéconomiques) ont été conduites. Compte tenu des faibles résultats en prévision du modèle actuel sur la Charente, un nouveau type de modélisation boîte-noire a été envisagé. Plusieurs configurations ont été réalisées. Le modèle, qui comprend les précipitations et les piézométries en entrées et le débit en sortie, a fourni les meilleurs résultats en validation avec un critère de Nash de 0.7 pour un horizon prévisionnel de 7 jours. Enfin, pour mettre en place une gestion plus intégrée et un meilleur partage des ressources en eau et économiques, une approche socio-hydro-économique a été testée. A partir d'informations sur les pratiques des irrigants, un meilleur placement des lâchers de barrages a permis de mieux concilier les demandes et la préservation du milieu naturel en évitant plusieurs situations de restrictions des usages ou de dangers pour le vie aquatique. Finalement malgré l'utilisation d'un cas d'étude particulier, plusieurs éléments importants pour modéliser un hydrosystème quelconque dans le but d'aider à sa gestion ont été identifiés. Ils doivent maintenant être appliqués à d'autres situations afin de confirmer leurs pertinences.