Interactions SWAT / prélèvements

Definition

Une particularité de MAELIA est de vouloir coupler différentes vues sur la gestion de l’eau, initialement exprimées et modélisées de façon indépendantes : utilisation pour les cultures agricoles, écoulement dans les bassins-versant via des modèles issus de l’hydrographie, et impacts des normes de sa gestion sur sa disponibilité.

Sur le plan opérationnel, la difficulté consiste à coupler le processus d’écoulement de l’eau (extrait de SWAT) avec les processus de prélèvement et de rejet de l’eau associés aux activités anthropiques.

Résolution

Spatiale

L’équipement.

Temporelle

Jour.

Interface entités

Voici la liste des entités sollicitées :

Description

Du point de vue de l’hydrologie, ces deux processus sont « indissociables », car pour calculer le débit de sortie d’un bassin versant élémentaire, celle-ci a besoin de connaître tous les volumes d’eau entrants et sortants de la réserve d’eau du BVe. Une des particularités de MAELIA est d’intégrer un modèle du comportement des agriculteurs qui à l’origine a été pensé de façon indépendante du modèle hydrographique, et donc pour pouvoir être exécuté de façon autonome, découplé du modèle simulant l’écoulement. Cela implique que les prélèvements des agriculteurs pour l’irrigation de leurs cultures se font indépendamment de l’écoulement de l’eau. Pour maintenir une cohérence dans le calcul de la dynamique hydrologique, il faut pourtant les relier.

La difficulté réside dans le fait que, pour que les débits et les vitesses d’écoulement calculés soient en accord avec les équations de SWAT, l’écoulement de l’eau doit être calculé BVe par BVe, en considérant celles-ci d’amont en aval. En effet, pour calculer le volume de sortie d’un bassin versant élémentaire B, il faut connaître le volume d’eau y entrant et provenant de zones en amont A. Or ces volumes sortant des zones amont sont en partie composés d’eaux provenant elles-mêmes de zones en amont, et s’étant écoulées de BVe en BVe pendant la même journée, i.e. le même pas de temps, la journée étant l’unité de résolution temporelle des processus de routage de SWAT. Il faut donc nécessairement considérer les BVe d’amont en aval.

Pour maintenir la cohérence, il faut donc intégrer les prélèvements et les rejets associés aux activités anthropiques au moment où se calcule le volume de sortie de chaque BVe. Le modèle hydrographique impose l’ordonnancement des processus : pour les prélèvements également, un traitement BVe par BVe, d’amont en aval, est indispensable.

Les prélèvements en cours d’eau

Déroulement du processus « écoulement de l’eau (à la SWAT) »

  • Calcul phase sol (hydro + RPG) : On récupère l’eau qui s’écoule de toute le BVe vers le cours d’eau principal.
  • Calcul phase routage : On évapore l’eau d’entrée du BVe pour connaître la quantité de sortie (volume d’entrée d’un BVe = volume de sortie des BVe en amont + volume issu de la phase sol (ci-dessus) de ce BVe)

Enchaînement des différents processus (écoulement de l’eau et prélèvements)

Dans notre cas les prélèvements qui posent problème sont ceux pour l’irrigation. Nous allons donc nous concentrer sur eux.

  • Irrigation des différentes parcelles + pluie
  • Processus croissance des plantes : Calcul des volumes de ruissellement de surface et de drain de chaque parcelle du BVe, en vue de l’intégration de ces volumes, réalisée par les HRURPG.
  • Processus SWAT

Solution

Il faut arriver à intégrer les prélèvements juste après le calcul de la phase sol de la HRU classique, et juste avant le calcul de la croissance des plantes. La séquence de calcul dans chaque BVe sera la suivante :

  1. Les volumes à prélever pour chaque point de prélèvement (IRR, mais aussi IND et AEP).

    (1)   \begin{equation*} Volume_{Prelevements} = \sum{Volume_{IRR}}+ \sum{Volume_{IND}} + \sum{Volume_{AEP}}\end{equation*}

  2. Le volume d’eau présent dans la réserve d’eau du BVe au pas de temps courant, juste avant le calcul de la croissance des plantes (c.-à-d. avant le calcul de la phase sol des HRURPG). Celui est égal à la somme du volume d’eau déterminé par les calculs de la phase sol des HRU classiques (non-RPG) et du volume d’eau qui entre dans le BVe (celle provenant des BVe amonts). C’est ce volume qui va être pris en compte pour déterminer quelle quantité d’eau chaque point de prélèvement va effectivement pouvoir prélever.

    (2)   \begin{equation*} Volume_{BVe} = Volume_{BVe_{Amonts}}+ Volume_{PhaseSolHRUclassique}\end{equation*}

  3. Si VolumeBVe >= VolumePrélèvements, dans ce cas les volumes d’eau déterminés en (1) pour chaque point de prélèvement vont pouvoir être retirés comme prévu.
  4. En revanche, si VolumeBVe < VolumePrélèvements, cela signifie qu’il n’y a pas assez d’eau dans le BVe pour que tous les prélèvements nécessaires soient satisfaits. Il faut alors déterminer un algorithme de répartition de l’eau disponible entre les points de prélèvement, et in fine entre les parcelles (TODO) : quel point de prélèvement va avoir quelle quantité.

Propositions pour l’affectation des prélèvements en cas de ressources en eau insuffisantes

Le point 4 peut de résoudre de plusieurs façons. Certains points de prélèvement peuvent être privilégiés par rapport à d’autres. Si on fait l’hypothèse que les prélèvements AEP ne sont pas prioritaires sur les prélèvements IRR, on peut imaginer la solution suivante :

Pour chaque point de prélèvement, on calcule la quantité d’eau effectivement prélevée en appliquant un pourcentage sur la quantité prévu dans l’étape 1. Ce pourcentage sera le même quel que soit le type de point de prélèvement :

(3)   \begin{equation*} taux = \frac{Volume_{BVe}}{Volume_{Prelevements}}\end{equation*}

On peut aussi envisager des points prioritaires : dans ce cas, on effectue alors les prélèvements en considérant les points par ordre priorité.

Exemple : si l’AEP est prioritaire sur l’IND, elle-même prioritaire sur l’IRR : on regarde si Volume_{BVe} > \sum{Volume_{AEP}}, si tel est le cas alors tous les points d’AEP auront la quantité demandé dans l’étape 1. On regarde alors si le volume restant Volume_{BVe} - \sum{Volume_{AEP}} >\sum{Volume_{IND}}. Si ce n’est pas le cas, alors on applique le pourcentage uniquement sur les points d’IND et ceux d’IRR n’auront pas d’eau. Le nouveau pourcentage sera alors :

(4)   \begin{equation*} taux_{BVe} = \frac{Volume_{BVe} - \sum{Volume_{AEP}}}{\sum{Volume{IND}}} \end{equation*}

Les rejets en cours d’eau

Dans Maelia, les rejets journaliers sont calculés à partir d’une consommation annuelle et non à partir des prélèvements. Ceci car on ne sait pas relier les points de prélèvements aux points de rejets. Pour le moment, une consommation annuelle est calculée par BVe et est reparti au prorata des points de prélèvements et rejets. Le lien entre les prélèvements et rejets avec la consommation se fait à l’aide de coefficients déterminés empiriquement. La journalisation se fait de la même manière pour les prélèvements que pour les rejets (pour plus d’information voir les documents sur les prélèvements et leur journalisation).

Le problème ici est donc d’ajuster les rejets si les prélèvements n’ont pas pu se faire entièrement. Cet ajustement doit se faire par BVe, car on détermine la quantité prélevable par BVe.

Solution

Pour le moment, on va calculer un coefficient correspondant à la quantité qui a pu être prélevée par rapport à celle souhaitée. Ce coefficient est différent selon que l’on prélève en nappe ou en cours d’eau, et également selon que le prélèvement soit pour l’AEP ou l’IND (remarque : il n’y a pas de rejet IRR, et les rejets se déversent automatiquement dans le cours d’eau) :

Coeff(typePrelevement , natureRessource)

Dans un BVe, il y aura alors 4 coefficients utiles. Pour calculer les volumes à rejeter (AEP ou IND), il suffit d’appliquer ces coefficients en considérant le nombre de point de prélèvement qu’il y a en nappe et en cours d’eau. Par exemple, pour les rejets AEP on aura :

(5)   \begin{equation*} CoefRejets_{AEP} = \frac{Coef(AEP , SURF) \times Nb_{Points}(AEP, SURF) +Coef(AEP ,NAPP) \times Nb_{Points}(AEP,NAPP)}{Nb_{Points}(AEP)} \end{equation*}

Le calcul est le même pour les points de prélèvements IND, étant donné que les rejets se font toujours en cours d’eau quelque soit le type de prélèvement considéré.

Problème des prélèvements en nappes et retenues

Le problème ici est de savoir sur quelle quantité du BVe se baser pour dire si les prélèvements en nappes ou en retenues peuvent ou non se faire.

Concernant les prélèvements en retenues, des travaux sont en cours. En revanche pour ceux en nappes, il faut comprendre comment SWAT gère celles-ci.

Pour connaître la quantité présente en nappe, il faut interroger les HRU du BVe. Le problème est que même si on connaît globalement la quantité qu’il y a dans les nappes, comment faire pour déterminer quelles seront les HRU prélevées ou non ?

Solution proposée

A l’instar du calcul des prélèvements en cours d’eau, le calcul de la quantité d’eau présente en nappe dans chaque BVe doit se faire après la phase sol des HRU classique et avant celle des HRURPG. Dans SWAT, une variable (propre aux HRUs) correspondant à l’au stockée dans l’aquifère peu profond et mise à jour quotidiennement, notée VolumeHRU_NAPPE. C’est à partir de cette valeur que peut se calculer le volume présent en nappe dans le BVe.

(6)   \begin{equation*} Volume_{BVe_{NAPP}} = \sum{Volume_{HRU_{NAPP}}}\end{equation*}

Une fois que la quantité d’eau disponible pour les prélèvements en nappe est connue, il suffit d’appliquer le même algorithme que pour les prélèvements en cours d’eau. Cet algorithme va calculer la quantité d’eau effectivement prélevée par BVe, notée VolumePrélèvements_nappes.

Il faut maintenant mettre à jour la quantité présente dans les nappes des HRU. Pour cela on applique le même pourcentage au VolumeHRU_NAPPE de chaque HRU.

(7)   \begin{equation*} Volume_{HRU_{NAPP}} = \frac{Volume_{Prelevements_{NAPP}}}{Volume_{BVe_{NAPP}}} \times Volume_{HRU_{NAPP}}\end{equation*}

Le problème avec cette méthode est que l’on ne prend jamais en compte la quantité dans les nappes des HRURPG.

Remarque : Si on calcul les volumes effectivement consommés sur l’ensemble de la zone Garonne Amont par jour, il est possible que les consommations IND soient supérieures à celles AEP (et ce malgré que ces dernières soient prioritaires sur l’IND). Ceci s’explique par la localisation des points de prélèvements (en bleu AEP, en vert IND):

Image processus_prelevements_vs_swat
Exemple des équipements de captage (bleu : AEP, vert : IND)

On peut constater que les points AEP se concentrent essentiellement vers le sud (là où les débits sont potentiellement les plus faibles) et que les points IND se situent le long de la Garonne. Donc, pour certains BVe, il y aura plus de point IND que AEP, les volumes demandés pour l’IND seront alors plus facilement accordés. En revanches vers les montagnes il y a beaucoup de points AEP par BVe. La demande est donc très forte et ne pourra pas être totalement accordée si les débits sont trop faibles.