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Groupement de Montpellier Unité de Recherche IRRIGATION |
PROPOSITION DE
SUJET DE DEA-MASTER-THESE
Modélisation intégrée
des écoulements dans un bassin versant pour l’identification et la commande :
application à la gestion des
étiages de l'Adour
Contexte :
La gestion de l’eau dans un bassin versant dans un contexte de ressource limitée demande une bonne connaissance des écoulements. En particulier, il ne suffit pas de connaître le comportement dynamique du transfert de débit dans une rivière pour prévoir correctement le débit à l’aval connaissant le débit à l’amont, car l’écoulement de surface est « perturbé » par de multiples autres phénomènes. En effet, la rivière voit son débit modifié par les usages (irrigation, moulins) et par les phénomènes naturels (pluie générant un débit supplémentaire, ou échanges avec la nappe).
Cette connaissance est importante pour le gestionnaire qui doit par exemple déterminer les lâchures à effectuer aux barrages situés en amont de la rivière pour la réalimenter, en vue du soutien d’étiages et/ou de l’irrigation. Dans tous les cas, il est important pour le gestionnaire de tels bassins versants de disposer de méthodes pour prendre en compte ces diverses sources de perturbation, et intégrant des modèles permettant de prévoir le comportement du système dans le futur.
Le travail sera centrée sur le fleuve Adour, qui est un cas d’étude particulièrement intéressant, puisqu’il a un bassin versant de grandes dimensions, relativement bien instrumenté. L'Adour est un fleuve de 335 Km de long, prenant sa source dans les Pyrénées, près du Pic du Midi. Il se jette dans le Golfe de Gascogne juste au Nord de Biarritz, après avoir été rejoint par de nombreux affluents, tels l'Echez, l'Arros, la Midouze, les Gaves de Pau et d'Oloron. Ce fleuve sert à l'irrigation, mais aussi à la pêche et au tourisme.
Dans le cadre du Schéma Directeur d'Aménagement et de Gestion des Eaux (SDAGE) de l'Adour, un tableau de bord a été mis en place pour pouvoir centraliser l'ensemble des données sur le bassin. On dispose donc des mesures en temps réel (pas de temps horaire ou journalier suivant les variables mesurées) sur ce système.
L’Automatique, science qui s’intéresse à la modélisation, l’identification et la commande de systèmes dynamiques, peut être appliquée avec profit à ce système complexe.
Problématique scientifique :
On peut schématiquement représenter le comportement des écoulements dans un bassin versant comme le résultat de l’interaction d’éléments appartenant à trois grandes familles :
- la production de débit (modèles pluie-débit) ;
- les transferts de débit (modèles hydrauliques de surface et/ou souterrain) ;
- la demande de débit (modèles de demande).
Une des difficultés de la modélisation intégrée est qu’il existe un grand nombre de modèles pour chaque famille considérée, allant de la description physique détaillée des phénomènes aux modèles conceptuels. Ces modèles fonctionnent à des pas de temps différents (typiquement de l’ordre de l’heure pour le transfert de débit et le modèle pluie - débit, de la journée pour le modèle de demande, de la semaine pour le modèle de nappe), et s’appliquent sur des pas d’espace variables.
De plus, le calage de ces modèles est souvent délicat, à cause de l’incertitude sur les données et du fait que certaines variables ne sont pas mesurées. Le problème de l’identifiabilité du modèle se pose donc.
L’objectif du travail est de proposer une méthodologie pour la modélisation et la commande en temps réel d'une rivière réalimentée, avec une approche « système », permettant :
- l’identification robuste (linéaire ou non linéaire) des paramètres du modèle à partir des mesures disponibles ;
- la prévision des sorties du système à partir d’entrées mesurées ;
- la reconstitution de variables non mesurées (notion d’« observateurs » en automatique) ;
- la conception d’un contrôleur automatique calculant les variables d’entrée (lâchures de barrages) pour réguler certaines variables du système.
Pour les modèles pluie-débit, la classe des modèles GR développés au Cemagref et déjà mis en œuvre dans une étude antérieure centrée sur le sujet (Cemagref, 2000) semble représenter un bon compromis. Pour les modèles de transfert, une approche conceptuelle (Bentura et Michel, 1997) ou semi mécaniste sera sans doute privilégiée aux approches mécanistes, qui mènent à des modèles de grandes dimensions (modèle SIC).
Pour les modèles de demande, les modèles vont d’une estimation théorique de la demande en eau à différentes échelle (Mailhol et Picheral, 1994), Mailhol et al, (1997), à une estimation prenant en compte la pratique des irrigants (Labbé et al, 1997 ; Mailhol et Ruelle, 1999 ; Leenhart et al., 2004a ; Leenhart et al., 2004b).
Une fois choisis les modèles, on pourra utiliser les outils de l’automatique pour analyser le modèle en termes d’identifiabilité, d’observabilité, etc. En particulier, il existe des outils développés dans le cadre de l'identification des systèmes dynamiques (Ljung, 1999), de la réduction de modèles de grandes dimensions et de l'observation de systèmes pour concevoir des observateurs dynamiques pouvant reconstruire des données non mesurées (comme les prélèvements pour l'irrigation, ou les apports latéraux dus aux pluies).
Dans ce contexte, le travail de recherche portera plus particulièrement sur les points suivants :
· Etude de l’identifiabilité du modèle
· Identification de la dynamique de l'écoulement en présence de prélèvements ou apports inconnus (identification « robuste ») ;
· Identification des modèles de perturbations (pluie-débit, demande pour l’irrigation et modèle de nappe) à partir des mesures disponibles ;
· Etude de l'observabilité du modèle intégré ;
· Construction d'un observateur d’état capable d’estimer les états du système (y compris les entrées de perturbation inconnues) ;
· Conception d’un contrôleur automatique robuste permettant de réguler une ou des sorties autour de consignes de gestion.
Localisation et dates :
Ce travail s'intègre dans des programmes de recherche en collaboration avec d'autres laboratoires universitaires (Maison de l'Eau à Montpellier, l'ENSEEIHT à Toulouse, INRA Biométrie à Montpellier) et sera réalisé en lien avec le gestionnaire (la Compagnie d'Aménagement des Coteaux de Gascogne).
Le travail se déroulera dans l'équipe TRANSCAN "Gestion et modélisation des transferts d'eau en canaux et rivières" de l'Unité de Recherche Irrigation du Cemagref Montpellier.
L'équipe possède une bonne expérience de la commande automatique linéaire appliquée aux systèmes hydrauliques à surface libre, avec des travaux sur la commande optimale de canaux d'irrigation (Malaterre 1994, Kosuth 1994, Pognant-Gros 2003) et la commande robuste de systèmes barrage-rivière (Kosuth 1994, Litrico 1999). Une thèse en cours au sein de l’équipe s’intéresse au développement d’observateurs pour la détection de pannes sur un canal d’irrigation (Bedjaoui, 2004). Le travail proposé pourra bénéficier de l’avancement de cette thèse (commencée en décembre 2003).
La thèse démarrera fin 2005 (entre Octobre et Décembre 2005), mais un sujet de DEA ou de Mastère pourra démarrer sur ce sujet dès le début ou printemps 2005.
Encadrement de DEA-Mastère :
Xavier LITRICO, chercheur au Cemagref.
Direction de thèse :
Directeur de thèse : Denis DARTUS, Professeur (IMFT/ENSEEIHT).
Le suivi au quotidien sera effectué par Xavier LITRICO, chercheur au Cemagref.
Comité de pilotage : Jean-Pierre BAUME, Jean-Baptiste FAURE, Vincent FROMION, Jean-Claude MAILHOL, Pierre-Olivier MALATERRE, Jacques SAU.
Contacts :
Les personnes à contacter pour ce sujet sont:
· Xavier LITRICO
Tél. 04 67 04 63 47
· Pierre-Olivier MALATERRE
Tél. 04 67 04 63 56
Références :
Bedjaoui, 2004, Supervision dynamique pour la gestion d’un canal d’irrigation, avancement de thèse, Cemagref.
G. Besançon, On-line
full state and parameter estimation for induction motors with application in
control and monitoring, European Control Conf.,
Canivet, Eric, 2002, Réconciliation et validation des mesures sur un système hydraulique complexe : Le Canal de Provence, Thèse Université Claude Bernard - Lyon 1.
Cemagref, 2000, Tableau de bord Adour: Mise au point d'un modèle de prévision des débits à l'aval d'un bief en période d'étiage, rapport technique.
Koenig D., Mammar S., Robust control and fault detection synthesis with application to tractor semitrailer automatic steering. 9th IEEE Int. Conf. on Control Applications, Anchorage, Alaska (U.S.A.), septembre 2000.
Kosuth, 1994, Techniques de régulation automatique des systèmes complexes : application aux systèmes hydrauliques à surface libre. Thèse de Doctorat, Institut National Polytechnique de Toulouse - CEMAGREF - LAAS CNRS, 1994. 334 p.
Labbé F., P. Ruelle, P. Leroy, JC. Mailhol, 1997. Pratiques d'irrigation au niveau de l'exploitation agricole et analyse de la gestion de l'eau en situation de manque: étude de cas en Charente. CIID Oxford Sept. 1997.
Leconte, J., 2003, Prise en compte de la demande en eau réelle pour l’amélioration de la gestion, rapport de DAA, ENSAR-ENSAM-Cemagref.
Leenhardt, D., Trouvat, J.L., Gonzalez, G., Pérarnaud, V., Prats, S., Bergez, J.E., 2004a, Estimating irrigation demand for water
mamangement on a regional scale., I ADEAUMIS, a
simulation platform based on bio-decisional modeling
and spatial information. Agric Water Management, 68, pp. 207-232.
Leenardt D, Trouvat J.L., Gonzalez, G., Pérarnaud, V., Prats, S., Bergez, J.E., 2004b, Estimating irrigation demand for water
mamangement on a regional scale.,II
Validation of ADEAUMIS Agric Water Manag., 68
233-250.
Litrico, 1999, Modélisation, identification et commande
robuste de systèmes hydrauliques à surface libre. Thèse de Doctorat, ENGREF
- Cemagref, 1999.
Ljung, L., 1999, System
identification: theory for the user, 2nd ed,
PTR Prentice Hall,
Mailhol, J.C.,
Mailhol
J.C., O. Olufayo, P. Ruelle
1997. AET and yields assessments based on the LAI
simulation. Application to sorghum and sunflower crops.
Agricultural Water Management, 35, pp.167-182.
Mailhol, J.C. et Ruelle P.,1999. Un outil opérationnel pour l'analyse des stratégies d'irrigation du maïs au moyen d'un canon enrouleur. ICID 17ième congrès international Grenade 11—19 Sept. 1999.
Malaterre, 1994, Modélisation, analyse et commande optimale LQR d'un canal d'irrigation. Thèse de Doctorat, Etude EEE n°. 14, LAAS - CNRS - ENGREF - Cemagref, 1994.
Pognant-Gros P., 2003, De la réduction de modèle vers la commande robuste : application à la commande des canaux d’irrigation, Thèse de l’Université de Caen, spécialité Automatique.