Simulation de l’approvisionnement et de la demande en eau dans la vallée de la Seybouse

Outils de modélisation

Un grand nombre de modèles mathématiques traitant des ressources en eau existe à travers le Monde. Les applications dans le domaine sont de plus en plus sophistiquées et conviviales. Une simple requête sur Google avec comme mots clef  » modèle ressource eau » retourne plusieurs millier de pages. Cependant, le choix du bon modèle valable pour décrire des phénomènes donnés demeure complexe. Plusieurs modèles des systèmes de soutien à la décision (DSS) ont été examinés et ont été présentés ainsi que des outils pour aider à prédire les impacts, donc dans la prise de décision en matière de ressources en eau. La majorité des logiciels présentés ont été développés et sont actuellement appliqués à des études de cas spécifiques de bassin hydrographique, mais les caractéristiques et les approches qu’ils utilisent et les modèles qu’ils intègrent sont généraux et peuvent correspondre à des régions spécifiques définies par l’utilisateur. On présente les critères de sélection du modèle qui sont des données requises, gratuites ou achetées, faciles à utiliser et accessibles. Ci-dessous on présente le résumé des outils et des modèles. Pour chaque modèle, les caractéristiques clés de l’outil, les exigences de données, les avantages et les limites (Wurbs, 1998). 

MIKE Basin Développé par Danish Hydraulic

Institute comme support décisionnel polyvalent et outil pour la gestion et la planification intégrées des ressources en eau. Mike Basin vise à étudier l’allocation d’eau dans un bassin. a) Caractéristiques  MIKE BASIN est intégré dans l’environnement ArcView GIS pour permettre de maintenir la fonctionnalité complète du logiciel ESRI et appliquer sa norme d’installations pour la modélisation des ressources en eau.  Par défaut, MIKE BASIN vise à étudier l’allocation d’eau dans un bassin; cependant, une option de la qualité de l’eau et un module pour simuler les eaux souterraines peuvent être également sélectionnées. Cela consiste à schématiser le bassin en tant que réseau de . Identification, révision et inventaire des outils d’aide à la décision . Les nœuds doivent être placés dans l’ordre suivant : Nœuds de la rivière, réservoirs, nœuds hydroélectriques et nœuds de demande en eau.  possède une base de données Access, mais les données pour chaque élément de réseau sont facilement modifiées ou vu depuis la vue réseau. L’outil vérifie la topologie et peut balayer des connexions réseau et valider le schéma du bassin avant d’exécuter la simulation.  Le principe de priorité locale est à la base de l’algorithme d’allocation de MB.  MB a un autre principe pour gérer l’allocation de l’eau, qui est les règles de priorité globale, dont les préoccupations portent sur les abstractions, les écoulements minimaux et niveaux de stockage du réservoir et du réservoir cible.  Une simulation est nécessaire une fois la schématisation terminée. Cela implique la définition des données et des règles requises.  Le MB simule la quantité d’eau, la qualité de l’eau et les eaux souterraines. en ce qui concerne la quantité de l’eau concernée, le calcul des débits et leur répartition dans le bassin est effectué sur la base des règles locales ou mondiales.  MB intègre un module précipitation-ruissellement qui permet le calcul de séries temporelles de ruissellement compte tenu des conditions initiales, un ensemble de paramètres nécessaires et des séries chronologiques d’évaporation et de précipitations. Les modèles sont NAM, SMAP et UHM qui font partie d’un autre progiciel DHI nommé Mike 11.  Le NAM est un modèle conceptuel qui simule les processus de précipitationruissellement se produisant à l’échelle du captage et, en particulier, il calcule la surface des flux, les débordements et les flux de base en fonction de la teneur en humidité du sol, du stockage de surface, de l’accumulation et de la fonte de la neige. Il traite chacun des bassins versants comme une seule unité dont les variables supposent des valeurs moyennes pondérées pour l’ensemble de la zone. NAM comprend les modules suivants: module de modélisation de base, module étendu d’eau souterraine, module de neige et module d’irrigation.  Le troisième modèle de Mike 11 inclus dans le module précipitation – ruissellement de MIKE BASIN est SMAP. Il s’agit d’un modèle hydrologique simulant le ruissellement d’un bassin versant en tenant compte du stockage de l’humidité dans la zone de racine et dans les aquifères. . Identification, révision et inventaire des outils d’aide à la décision 6‐ Le module qualité de l’eau de MIKE BASIN simule le transport et la dégradation de substances importantes affectant la qualité de l’eau dans les réservoirs et les rivières. Les substances modélisées sont: la matière organique totale exprimée en tant que demande données requises.  Le module Irrigation de NAM définit l’approche conceptuelle pour chaque grand site d’irrigation en tant que sous-captage décrit par son propre individu paramètres, tels que les pertes d’irrigation pour l’évaporation, les infiltrations et les écoulements de surface. Les coefficients de récolte mensuels sont également utilisés pour tenir compte de la bonne l’évapotranspiration et le stade de croissance.  Les données d’entrée requises par SMAP concernent les précipitations, l’évaporation, certains paramètres spécifiques et la décharge moyenne mensuelle au point de sortie de contrôle du bassin, qui est utilisé à des fins d’étalonnage.  Le module d’eau souterraine de MB exige que l’utilisateur spécifie: 1) une infiltration fraction de perte, à multiplier par le flux simulé dans la branche d’écoulement afin d’obtenir le volume d’eau perdu dans l’aquifère 2) la recharge des eaux souterraines du bassin versant englobant le courant 3) la demande de pompage les taux. b) Avantages MIKE BASIN soutient la définition des charges polluantes à la fois au point et à des sources non ponctuelles. c) Limites Le système se concentre sur les aspects physiques et d’optimisation de la ressources de l’eau, sans tenir compte des impacts socio-économiques et de l’impact techniques d’analyse, telles que l’approche PSIR (pression / état / impact / réponse) proposé par l’OCDE, ou l’approche DPSIR (Forces motrices, Presse, État, Impacts et réponses) adopté par l’ l’Agence européenne pour l’environnement, (EEE), qui relie les objectifs politiques à l’information et l’analyse dans le cadre de la mise en œuvre de la gestion. (Luyiga et al .2010)

MODÈLE BASINS

C’est le point d’intégration des meilleures sciences de l’évaluation et des sources non ponctuelles. Modèle BASINS est développé par l’Agence de protection de l’environnement américaine, vise à faciliter l’examen de l’information de l’environnement, soutient l’analyse de l’information environnementale et fournit un cadre de modélisation intégré. . 7‐ a) Caractéristiques  MODÈLE BASINS comprennent un ensemble de composants interdépendants intégrés dans l’environnement ESIS ArcView GIS. qui sont; SIG, bases de données environnementales nationales, outils d’évaluation pour l’analyse à grande échelle et à petite échelle, outils de délimitation des bassins hydrographiques, rapports de caractérisation des bassins hydrographiques, utilitaires pour l’importation, organisation, évaluation des données, utilitaires pour classer l’élévation, l’utilisation des sols, les sols et les données sur la qualité de l’eau, une série de modèles concernant la qualité de l’eau dans les cours d’eau et les charges de polluants et leur transport, et un outil de génération de scénarios.  BASINS GIS, pilotés par ArcView 3.1 ou 3.2 GIS environnement, fournit des procédures supplémentaires intégrées pour la recherche de données, analyse spatiale et génération de cartes.  Les bases de données incluses dans BASINS fournissent des données cartographiques, environnementales et des informations sur la qualité de l’eau, qui ont été sélectionnées sur la base de la disponibilité et la pertinence de l’analyse environnementale. Les données cartographiques de base concernent; les limites hydrographiques, réseaux des principales autoroutes, zones peuplées et urbanisées, et limites administratives.  Les données environnementales comprennent des informations de base et de suivi. Les premiers décrivent les bassins hydrographiques en termes de caractéristiques du sol, de couverture de l’utilisation des terres et d’hydrographie des courants, tandis que ceux-ci concernent principalement les données sur la qualité de l’eau.  Les outils d’évaluation (cible, évaluation et exploration de données) permettent l’évaluation régionale des conditions de qualité de l’eau dans les cours d’eau, l’identification des points de rejets des sources à l’échelle du bassin hydrographique, l’analyse et l’examen de données récapitulatives pour un site spécifique.  L’outil de délimitation des bassins hydrographiques permet de diviser un bassin hydrographique en un seul ou plusieurs des sous-bassins hydrographiques  BASINS peut aider l’utilisateur à créer des cartes et des tableaux personnalisés pour résumer les conditions générales de la zone d’étude. BASINS version 3.0 génère six types différents de rapports sur les bassins hydrographiques: rapport d’inventaire de source ponctuelle, rapport de la qualité de l’eau, rapport d’émission d’air toxique, rapport de distribution d’utilisation des sols, rapport sur les caractéristiques de l’état du sol et rapport topographique du bassin hydrographique. .  8‐ BASINS dispose de quatre utilitaires pour reclasser, superposer et mettre à jour les données. La fonction Utilisation du sol, Sols et Superposition sert à préparer l’entrée de données pour les modèles SWAT et HSPF. L’utilitaire de reclassification de l’utilisation des terres est utilisé pour la modification dans un ensemble de données existant.  Les modèles inclus dans le paquet BASINS sont Charge de Polluants (PLOAD), Outil d’évaluation du sol et de l’eau (SWAT), simulation hydrologique de Windows ProgrammeFortran (WinHSPF) et modèle de qualité de l’eau améliorée (QUAL2) (Draper et al., 2003; Watkins et al., 2004). b) Données requises  Données générales sur la source ponctuelle / Chargement des données qui incluent des informations sur les emplacements et le type d’installations générant et déchargeant des charges polluantes, telles que: Sites de rejet des installations industrielles, Inventaire des sites de rejets toxiques et données sur les rejets de polluants, emplacement des installations de transfert, de stockage et d’élimination des déchets solides et dangereux.  Les données requises par le modèle HSPF comprennent les enregistrements météorologiques des précipitations, les estimations de l’évapotranspiration potentielle, la température de l’air, le vent, les rayonnements solaires, l’humidité et la couverture nuageuse.  Les données requises par le Modèle amélioré de qualité des cours d’eau, QUAL2 concernent les débits hydrologiques, les paramètres de qualité de l’eau et les informations météorologiques. Ce dernier comprend des valeurs surveillées de la température de l’air, de la pression atmosphérique, de la vitesse du vent, du rayonnement solaire net et de la couverture nuageuse, qui sont tous impliqués dans la simulation de la température. c) Avantages  BASINS est plus orienté vers l’environnement que MIKE BASIN  Le logiciel peut également être appliqué à d’autres problèmes tels que ; temps pluvieux combinée aux débordements d’égout, à la gestion des eaux pluviales, à la protection des sources d’eau potable, à l’évaluations des utilisations des terres urbaines et rurales, aux opérations d’alimentation animale et aux pratiques de gestion de l’habitat.  L’utilisation d’ArcView rend l’architecture de BASINS ouverte et flexible, afin que chaque agence ou utilisateur puisse développer et personnaliser ses propres utilitaires pour mieux répondre aux besoins spécifiques et aux différentes applications. . ‐ d) Limites  Les aspects physiques prévalent sur une analyse et une évaluation exhaustives de la durabilité qui peuvent relier les options politiques à l’information et à l’analyse dans un contexte intégré de gestion de l’eau. Le programme GenScn permet la gestion de différents scénarios; cependant, la définition d’un scénario est différente de celle requise pour analyser les conditions de stress hydrique. I.3. Quantité Intégrée Et Modèle De Qualité (IQQM)  Le modèle intégré de qualité et de quantité (IQQM) est un outil de modélisation hydrologique visant à simuler les systèmes fluviaux et à appuyer la planification et l’évaluation des impacts des options de gestion des ressources en eau, développées par le département de la conservation des terres et de l’eau de la Nouvelle-Galles du Sud, avec une assistance collaborative du ministère des Richesses naturelles du Queensland (QDNR). a) Caractéristiques  IQQM est un logiciel basé sur Windows structuré comme une coquille contenant différents modules liés ensemble pour former un package intégré. Ses composants sont; modèle de système fluvial, modèle de pluie-écoulement, modèle d’exploitation de grille, modèle climat, outils de sortie graphique, outils d’analyse statistique, récupération de données et utilitaires  Modèle de système de rivière se compose de deux sous-modules ; Quantité d’eau dans les cours d’eau et qualité de l’eau dans les cours d’eau. Le premier concerne l’acheminement des écoulements, les opérations des réservoirs, l’évaluation de la disponibilité des ressources en eau, le calcul des besoins en eau urbaines, agricoles et environnementaux et l’interaction entre les eaux de surface et les eaux souterraines. Ce dernier est basé sur le programme QUAL2E, qui peut modéliser le cycle de l’azote, l’oxygène dissous (DO), la demande biochimique en oxygène (DBO), le cycle du phosphore, les coliformes et les algues (Wurbs. 2012).  Le modèle précipitations – ruissellement utilisé dans l’outil est le modèle de Sacramento  Le modèle d’opération de porteuse simule un comportement d’inondation extrême dans des entrepôts fermés dans le but de minimiser les déversements en aval du barrage sans le mettre en danger.  Le module Climat utilise des données climatiques quotidiennes à court terme et à long terme .10‐   Les données sur les précipitations pour générer statistiquement une évaporation quotidienne à long terme, minimum et la température maximale et le rayonnement solaire.  Les outils statistiques d’IQQM sont un ensemble de règles qui calculent la moyenne, l’écart type, le coefficient de détermination et d’efficacité et d’autres statistiques qui sont utiles dans l’analyse des données disponibles quotidiennes, mensuelles ou annuelles.  La récupération de données ; les utilitaires préparent les fichiers de données utilisés par le logiciel, vérifie que le format de fichier est correct et, si nécessaire, le modifie. b) Données requises  Les données requises comprennent; des données sur la demande en eau pour les activités agricoles, les activités industrielles ainsi que la demande d’eau urbaine et rurale. Les données sur les précipitations, l’évapotranspiration, la mobilisation de l’eau et la réutilisation, l’infiltration, l’humidité du sol et les types de cultures sont nécessaires pour faciliter la simulation s’il y a une demande d’eau d’irrigation.  Pour pouvoir utiliser le module climatique, des données sur le climat quotidien à court terme et les précipitations à long terme sont nécessaires. c) Avantages IQQM permet la représentation du système fluvial dans les objets nœud et lien. d) Limites  Le modèle n’intègre pas le logiciel GIS et, par conséquent, ne dispose pas des capacités utiles liées à la gestion des données et à l’affichage géo référencé.  Il n’intègre pas non plus la définition de scénario ou de scénario conceptuel.

ENSIS Signifie «Système de surveillance et d’information environnemental»

C’est un outil de surveillance et de protection de l’environnement, qui comprend deux principaux systèmes d’aide à la décision, WaterQuis et AirQuis. a) Caractéristiques  WaterQuis traite de la qualité des ressources en eau. WaterQuis DSS propose des modèles pour le calcul de la charge de pollution. Les fonctionnalités spécifiques à WaterQuis sont; La définition et l’enregistrement des informations et des données sur les bassins versants, les rivières, les lacs et les côtes et l’enregistrement des rejets des eaux résiduaires domestiques, des industries et des sources diffuses. . 11‐   AirQuis s’intéresse à la qualité de l’air et des niveaux de pollution. Il intègre des modèles de dispersion atmosphérique, couvrant la pollution atmosphérique à toutes les échelles dans l’environnement urbain.  Le SIG est programmé avec MapObjects à partir d’ESRI, ce qui le rend compatible avec ArcView et ArcINFO.  Le système ENSIS possède un utilitaire graphique interne traces les séries pas de temps et un générateur de rapport utile pour la présentation de l’analyse et des résultats d’une manière simple et claire et les diffuse sur Internet. b) Données requises Mesures de la qualité de l’eau c) Avantages  Il est utile de créer et diffuser des rapports sur la qualité de l’eau pour la visualisation et l’analyse des séries temporelles.  ENSIS intègre des modèles de qualité de l’eau pour calculer les charges polluantes et les règles appropriées montrant leur sortie d) Limites  ENSIS est plus un système de surveillance et d’information basé sur le SIG plutôt qu’un véritable système d’aide à la décision.  Le paquet ne fournit pas de fonctionnalités pour la gestion et la comparaison de scénarios de simulation alternatifs. L’allocation d’eau dans la zone surveillée n’est pas prise en compte, et la disponibilité de l’eau et l’évaluation de la demande ne sont pas incluses.