Réponse à l`APR GICC 2012 – Projet GEPET-Eau - GIP
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Réponse à l’APR GICC 2012 – Projet GEPET-Eau A) RÉCAPITULATIF DU PROJET Titre du projet : GEPET-Eau (Gestion Efficiente Prédictive ET adaptative de la ressource en Eau des voies navigables dans un contexte de changement climatique) - Mots-clés (5 à 10) : Gestion prédictive et adaptative, Changement Climatique, Voies Navigables, Vulnérabilité, Résilience - Thème(s) de l'APR concerné(s):Axe 1 – Approche intégrée, & Axe 2 – Approche territoriale Responsable/Coordinateur scientifique : Eric Duviella Enseignant-Chercheur Centre commun Armines - Ecole des Mines de Douai (EMD) Département Informatique et Automatique 941, Rue Charles Bourseul, BP 10838 59508 Douai cedex Tel : +33 327 712 102, Fax +33 327 712 980 Courriel : [email protected] - Organisme (s) / Laboratoire (s) impliqué (s) dans le projet : URIA - Centre commun Armines -EMD Contact : Eric Duviella, [email protected], +33 327 712 102 Département Informatique et Automatique 941, Rue Charles Bourseul, BP 10838 59508 Douai cedex VNF 59/62. Direction régionale de Voies Navigables de France Contact : Karine Chuquet, [email protected], +33 320 005 051 Statut Public 37 rue du Plat BP 725 59034 Lille Cedex DREAL Nord-Pas de Calais (partenaire associé) Contact : Manuel Philippe, [email protected], +33 320 405 554 Statut Public Division risques naturels, hydrauliques et miniers - Chef prévision crues 44, rue de Tournai 59019 Lille Cedex SAC – Université Polytechnique de Catalogne (UPC) (partenaire associé) Contact : Vicenç Puig, [email protected], +34 93739862 Statut Public Jordi Girona, 31 08034 Barcelone, Espagne APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 1 - Organisme (s) gestionnaire (s) des crédits ARMINES – Centre de Douai ; France ; URIA Contact : Philippe Perceval, [email protected], +33 140 519 477 Statut Privé 60, Boulevard Saint Michel 75272 Paris Cedex 6 - Coût prévisionnel total (HT) : 447 213 € - Montant de l’aide demandée (HT) : 223 177 € (50 %) - Cofinancements assurés et/ou prévus (HT) (y compris autres que nationaux) : - Durée : 36 Mois APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 2 Résumé du projet de recherche et résultats attendus en termes de gestion environnementale (1 page maximum) Le projet GEPET-Eau contribue à répondre aux objectifs du Plan National d’Adaptation au Changement Climatique, par la proposition de stratégies de gestion prédictives et adaptatives des Voies Navigables, et plus généralement de la ressource en eau au sein de différents bassins versants. Ces stratégies ont pour buts, d’une part, de garantir les conditions de navigabilité permettant un accroissement de l’utilisation des réseaux de navigation fluviale comme alternative au transport terrestre, et d’autre part, d’améliorer l’efficience de la gestion de la ressource en eau. Les retombées économiques et de service pour VNF, ainsi que socio-économiques pour les collectivités territoriales, seront attendues à l’issue de ce projet. Le principal objectif du projet GEPET-Eau est de proposer une architecture de conduite intégrant des stratégies de gestion prédictives et adaptatives pour la gestion du bief Cuinchy-Fontinette (BCF), dans un contexte de changement climatique. Le BCF situé dans la région Nord-Pas de Calais sera particulièrement étudié car il occupe un emplacement stratégique pour la navigation et la gestion de la ressource en eau de deux des principaux bassins versants de cette région. De plus, le BCF bénéficie de la politique de modernisation entreprise depuis plusieurs années par le gestionnaire. La prise en compte du contexte de changement climatique s’appuiera sur les études sur l’impact du changement climatique déjà réalisées. Un modèle précis de la dynamique du BCF, ainsi que son intégration au sein de bassins versants, est requis afin d’étudier la résilience du BCF, c'est-à-dire sa capacité à résister à des conditions exceptionnelles. Un accent particulier sera mis sur la proposition d’une démarche de modélisation de type boîte-noire permettant de lever les hypothèses simplificatrices nécessaires à l’utilisation des méthodes de modélisation usuelles. Ce modèle permettra d’étudier les événements critiques, conséquences du changement climatique, en suivant des protocoles de simulation. En parallèle, des stratégies de gestion seront définies et testées en considérant ces événements exceptionnels afin d’améliorer la résilience du BCF. Une dimension prédictive sera être apportée aux stratégies de gestion afin d’améliorer l’adaptation des règles de gestion aux conséquences du changement climatique. Pour cela, une architecture de conduite basée sur des outils de supervision et de pronostic devra être développée. L’ensemble des stratégies prédictives regroupées dans cette architecture de conduite formera un outil d’aide à la décision qui pourra être à terme déployé au niveau des cellules de gestion opérationnelle de VNF. La réalisation du projet GEPET-Eau s’articulera autour de 6 tâches. Les travaux sur l’impact du changement climatique à l’échelle de bassins versants et sur les voies navigables seront étudiés dans la tâche T1. La tâche T2 consistera à proposer une démarche de modélisation générique conduisant à un modèle pertinent et réaliste du BCF et de ses interactions avec les bassins versants. Dans la tâche T3, ce modèle sera utilisé afin de reproduire par simulation le comportement dynamique du BCF lors d’événements critiques et d’étudier sa résilience. La tâche T4 consistera à proposer une architecture de conduite regroupant des stratégies de gestion prédictive et adaptatives conduisant à une meilleure résilience du BCF. Un protocole de simulation et de validation ainsi qu’une plateforme de démonstration intégrant les stratégies proposées seront déployés lors de la tâche T5. Finalement, la tâche T6 permettra de réaliser un retour d’expérience après l’expérimentation des stratégies proposées, de définir les bases d’un outil d’aide à la décision plus générique qui pourra être mis en œuvre pour d’autres voies navigables. Le projet GEPET-Eau est porté par l’URIA du Centre Commun Armines EMD, avec comme partenaire principal VNF 59/62. Un partenaire associé est la DREAL Nord-Pas de Calais dont le rôle sera de suivre le déroulement du projet et d’apporter son expertise sur la gestion de la ressource en eau et des risques environnementaux. Un autre partenaire associé est le laboratoire de recherche SAC de l’UPC de Barcelone. Ce partenaire associé apportera également, son expertise dans le domaine de la modélisation et de la conduite des systèmes hydrauliques. Le projet GEPET-Eau permettra de renforcer la collaboration entre les différents partenaires et le travail déjà initié sur la gestion de la ressource en eau et des Voies Navigables dans un contexte de changement climatique. APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 3 B) DESCRIPTIF DU PROJET (15 pages maximum) Montant de l’aide (TTC) demandé au programme GICC Personnel Permanent statut et quantité Personnel à recruter statut et quantité Désignation Equipement Frais de missions Désignation 6 mois Ingénieurs Senior 7 mois Ingénieurs Junior 12 mois Ingénieurs Sénior 3 mois Expert 18 mois post-doc Logiciels et plateforme Consommable Déplacement + conférences Journée de travail Coût 68 836,82 € 51 347,69 € 137 673,65 € 30 567,70 € Budget Demandé * 55 069,46 € * 41 078,15 € 132 036,74 € * 105 629,39 € 2 140 € 3 210 € * 1 712,00€ * 2 568,00 € 21 400 € * 17 120,00 € 447 213 € * 223 177,00 € + Total Total coût complet Aide demandée Taux de subvention * 80 % de l’assiette globale des dépenses éligibles. 447 213 € * 223 177 € 50 % Les partenaires associés ne demandent pas de subvention. EMD-URIA Partenaire Personnel Permanent statut et quantité 6 mois Ingénieurs Senior – RDI 7 mois Ingénieurs Junior - Recherche 12 mois Ingénieurs Sénior - Recherche Budget Demandé 68 836,82 € * 55 069,46 € 51 347,69 € * 41 078,15 € 137 673,65 € Dépenses Personnel à recruter statut et quantité 18 mois Post-Doc 132 036,74 € * 105 629,39 € Equipement Désignation : Logiciels et plateforme Consommable Désignation Déplacement Conférences Programme de Mobilité Journée de Travail Frais de missions Coût 2 140 € 3 210 € * 1 712,00€ * 2 568,00 € 1 070 € 12 840 € 5 350 € 2 140 € * 17 120,00 € 416 645 € * 223 177,00 € Total 416 645 € * 223 177 € 54 % Total coût complet Aide demandée * Taux de subvention * 80 % de l’assiette globale des dépenses éligibles VNF Partenaire Personnel Permanent Coût statut et quantité 3 mois Expert - VNF 30 567,70 € 30 567,70 € Total € 30 567,70 € 0€ 0% Total coût complet Aide demandée * Taux de subvention APR 2012 – GICC Budget Demandé Projet GEPET-Eau 4 Les personnes impliquées dans le projet : En plus du contact de chaque partenaire mentionné sur la page 1, à savoir Eric Duviella pour l’URIA-EMD, Karine Chuquet pour VNF, Manuel Philippe pour la Dreal, et Vicenç Puig pour l’UPC, les laboratoires de recherche impliqueront dans le projet GEPET-Eau d’autres EnseignantChercheurs et Ingénieurs. Pour l’URIA-EMD, parmi l’ensemble des personnes qui seront amené à participer à ce projet, seront impliqués Moamar Sayed-Mouchaweh (Professeur à l’EMD), Stéphane Lecoeuche (Directeur de l’URIA). Eric Duviella travaille depuis plus de 10 ans sur des problématiques liées à la gestion de l’eau avec une production scientifique conséquente ; telles que (Duviella et al. 2011), (Duviella et al. 2010) ; et une participation à plusieurs projets transpyrénéens (Gerhyco et Gerhyco II, de la Communauté de Travail des Pyrénées). Il est à l’initiative des collaborations de travail avec VNF-59/62, la DREAL, et du programme de mobilité avec l’UPC. Moamar Sayed-Mouchaweh est spécialiste des approches de supervision et de pronostic, basées sur des méthodes de reconnaissance des formes, de systèmes complexes avec une contribution scientifique importante, dont quelques unes des plus récentes (Mazeghrane et al. 2011), (Sayed Mouchaweh 2010) et (Sayed Mouchaweh 2012). Stéphane Lecoeuche apportera son expertise dans le domaine de la supervision et du pronostic de systèmes évolutifs complexes, mais également dans les approches innovantes de modélisation de systèmes complexes par identification, dont quelques références récentes (Bako et al. 2011), (Chen et al. 2011) et (Bako et Lecoeuche 2011). Pour l’UPC, sera également impliqué Joaquim Blesa qui participe actuellement à un programme de mobilité avec l’URIA, et qui travaille depuis plusieurs années sur des problématiques de modélisation, contrôle et supervision des systèmes hydrauliques à surface libre (Blesa et al. 2010) et (Blesa et al. 2009). Justifications du projet de recherche : L'utilisation de réseaux de navigation fluviale comme alternative au transport terrestre offre des avantages économiques et environnementaux qu’il est souhaitable de promouvoir (Mihic et al 2011, Mallidis et al 2012). Le réseau européen de voies navigables et des canaux offre un accès vers les centres urbains et industriels du continent, permettant le transport plus efficace, plus silencieux et plus sûr de marchandises (Brand et al 2012). Dans ce contexte, la navigation fluviale dans le nord de l'Europe devra être en mesure d'accueillir des bateaux à grand gabarit dans quelques années, tout en levant les restrictions sur les plages horaires de navigation. Plusieurs approches et méthodologies ont été proposées par la communauté scientifique, telles que les recherches sur les outils de recherche opérationnelle (Dekker et al. 2011) ou des outils permettant de simuler le trafic et la logistique des bateaux (Almaz et Altiok 2012), afin de permettre d’améliorer la compétitivité de ce mode de transport plus écologique et plus sûre. Ces outils se basent notamment sur les progrès réalisés sur les techniques de l’information et de la communication (TIC). Cependant, l’ensemble des méthodes et outils proposés nécessite que les conditions de navigabilité soient réunies et ce malgré les aléas climatiques et l’augmentation du trafic. Ceci est d’autant plus vrai dans un contexte de changement climatique qui induira une augmentation des événements exceptionnels en fréquence et en amplitude. Ainsi, les gestionnaires de voies navigables doivent assurer le bon fonctionnement de leur réseau et garantir des conditions de navigabilité, mais également remplir les contraintes de gestion de la ressource en eau, à l’échelle régionale, voire nationale. En effet, les voies navigables se situent au cœur des bassins versants et leur gestion impacte directement les territoires. Les voies navigables peuvent être utilisées pour stocker la ressource en eau, lors de périodes sèches de façon à l’économiser, et en périodes humides afin de limiter l’impact des inondations. Les Voies Navigables en France (VNF) ont pour mission la gestion de 6200 km de canaux et de rivières aménagés principalement pour le transport fluvial. VNF veille également à garantir une gestion hydraulique efficiente des voies navigables en concertation avec différents acteurs dans le respect de l’environnement. En effet, de par l’emplacement des voies navigables au cœur des bassins versants, leur gestion hydraulique a un impact direct et important sur la gestion de la ressource en eau à l’échelle régionale. C’est la raison pour laquelle VNF entretient une politique de modernisation APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 5 de ses ouvrages, via l’implantation de nouvelles TIC, et tient à proposer des stratégies de gestion plus globale et plus efficiente. Cette démarche prend tout son sens dans un contexte de changement climatique où le respect des objectifs de gestion devient plus complexe en raison de l’accroissement des situations exceptionnelles et de l’incertitude concernant les modèles d’évolution du climat. Dans un souci de constante amélioration de la gestion de son réseau de voies navigables, la cellule de gestion hydraulique de VNF Nord-Pas de Calais a entrepris, depuis 2010, une collaboration de travail avec l’Unité de Recherche en Informatique et Automatique (URIA) du centre commune Armines Ecole des Mines de Douai. Cette collaboration a débuté par plusieurs projets d’élèves ingénieurs sur l’étude du changement climatique et son impact sur l’activité de VNF, puis par la réalisation d’un Master de recherche en 2011 (Le Pocher 2011c). Ce travail de recherche a permis de proposer des contributions significatives dans la modélisation des canaux et des ouvrages hydrauliques (Le Pocher 2012) ainsi que dans la détection de défauts au niveau des ouvrages (Le Pocher 2011a). L’étude s’est focalisée sur la gestion du bief Cuinchy-Fontinette dans la région Nord-Pas de Calais, qui s’avère être un ouvrage particulièrement équipé (limnimètres, débitmètres, etc.) et occupe un emplacement stratégique pour la gestion de la ressource en eau de deux bassins versants de cette région, celui de l’Aa, dont l’exutoire se situe à Dunkerque, et celui de la Lys qui alimente l’agglomération lilloise. A la suite du travail de Master, une collaboration de travail a également été initiée en novembre 2011, par la mise en place d’un programme de mobilité d’enseignants-chercheurs d’Universités européennes, à savoir l’Université Polytechnique de Catalogne à Barcelone et l’URIA. Cette collaboration a conduit à l’acceptation d’un article de conférence consacré à la modélisation et à la régulation du niveau d’eau du bief Cuinchy-Fontinettes (Blesa et al. 2012). Le prolongement de cette collaboration passe par l’approfondissement du travail déjà réalisé, la conception d’outils et de stratégies de gestion, ainsi que l’évalusation de ces outils pour la gestion opérationnelle du gestionnaire. Une suite naturelle a donc consisté en la proposition d’un projet de recherche sur la gestion des voies navigables dans un contexte de changement climatique. L’Appel à Projet (APR 2012) du GICC (Gestion et Impacts du Changement Climatique) est motivé par la lutte contre le changement climatique au travers de l’adaptation des politiques au sens général et des politiques de gestion de la ressource en eau en particulier. Elle s’articule notamment autour de deux axes, qui sont l’approche intégrée et l’approche territoriale. Le travail collaboratif mené en amont par VNF et l’URIA de l’EMD, et les pistes de poursuite de ce travail, s’intègrent particulièrement bien aux deux axes du programme APR2012. D’une part, l’approche intégrée, dont le but d’explorer de nouvelles méthodologies et de nouveaux outils utiles aux stratégies et actions d’adaptation en s’appuyant sur les modèles et scénarios de l’AR5 au fur et à mesure de leur disponibilité. Les perspectives de travail concernent l’étude de la résilience des voies navigable, c'est-à-dire sa capacité à résister à des conditions exceptionnelles en fréquence et en amplitude, dues notamment aux conséquences du changement climatique. Les modèles des voies navigables qu’il sera nécessaire d’améliorer, d’affiner ou de proposer, permettront d’étudier la résilience des voies navigables à partir de la réalisation d’un ensemble de simulations. Ces dernières seront définies à partir de protocoles de validation en considérant des événements critiques en se basant sur les études sur l’impact du changement climatique déjà réalisées, notamment sur les résultats du projet DRIAS (Donner accès aux scenarios climatiques Régionalisés français pour l'Impact et l'Adaptation de nos Sociétés et environnements) mis à disposition. Au-delà de cette première étude, de nouvelles stratégies de gestion seront définies et testées avec comme objectif principal d’améliorer la résilience des voies navigables. Ces stratégies de gestion intégreront une dimension prédictive afin de répondre à l’incontournable nécessité d’adaptabilité de la gestion des ressources en face aux conséquences du changement climatique. D’autre part, l’approche territoriale, qui vise à privilégier la co-construction chercheurs-décideurs et le transfert vers les acteurs. Le travail collaboratif entre un gestionnaire et un centre de recherche est APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 6 une démarche qui tient tout son intérêt de par la veille scientifique et les avancées significatives en utilisant des techniques novatrices de pointe réalisés par le centre de recherche, et d’autre part, par l’adaptation de ces techniques, leur implémentation et leur usage dans la gestion opérationnelle courante du gestionnaire, tout en bénéficiant de l’approche métier du gestionnaire. La connaissance experte du gestionnaire est une des clés de réussite d’une telle collaboration. Ainsi, la finalité de notre collaboration conduit naturellement vers le transfert de techniques innovantes vers les gestionnaires des voies navigables, ainsi que l’ensemble des acteurs impliqués dans la gestion de la ressource en eau. L’ensemble des stratégies prédictives de gestion de l’eau proposées dans le cadre de ce projet, seront regroupées dans un outil d’aide à la décision. Cet outil pourra être à terme déployé au niveau des cellules de gestion opérationnelle de VNF, afin d’améliorer l’adaptabilité et la résilience des voies navigables. En préalable à toute généralisation des méthodes et outils proposés sur l’ensemble des voies navigables de France, nous souhaitons focaliser le travail, dans le cadre de ce projet, sur la gestion du bief Cuinchy-Fontinettes (BCF) situé dans la région Nord-Pas de Calais (voir Figure 1). Le choix de ce système est motivé par le fait que le BCF se situe entre plusieurs bassins versants importants de la région, que sa gestion impacte directement la gestion de la ressource en eau des différents bassins versants et plus généralement les usagers, les industries etc. De plus, le BCF bénéficie depuis plusieurs années d’équipements modernes de contrôle-commande et de mesure, tels que des vannes automatisées, des débits-mètres par ultrason, des transducteurs ultrasoniques permettant la mesure de niveaux, et des systèmes de télégestion pour le rapatriement des données mesurées, l’envoi des consignes au niveau des actionneurs, et l’historisation des données. Le BCF servira de démonstrateur de l’intérêt de la conception et du déploiement d’un outil d’aide à la décision pour une gestion adaptative et efficiente des ressources en eau. Il sera également le point de départ d’une généralisation des approches proposées à l’ensemble du réseau géré par VNF, en tenant bien entendu compte des spécificités de chaque sous-réseau. Figure 1: Réseau des voies navigable du Nord de la France, et localisation du bief Cuinchy-Fontinettes. D’un point de vue recherche, les problématiques abordées dans ce projet permettront d’apporter des contributions pour lever certains verrous scientifiques. Parmi ceux-ci : - La modélisation du BCF ; le choix des techniques de modélisation se portent logiquement sur les équations de Saint-Venant (Chow et al, 1988) qui sont utilisées pour la modélisation des systèmes hydrauliques à surface libre, ou sur des modèles basés sur leur simplification et linéarisation (Litrico et Georges 1999). Ces derniers n’étant valables qu’autour d’une zone restreinte autour d’un point de APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 7 fonctionnement, d’autres méthodologies basées sur les approches multimodèles (Di Palma et Magni 2004), (Özkanet Kothare 2005), (Duviella et al. 2006), ou sur des approches LPV (paramètres linéaires variant) telles que (Bolea et al. 2007), (Puig et al. 2005). Cependant les caractéristiques du BCF, à savoir une absence de pente, une géométrie irrégulière, et un ensemble d’entrées-sorties inconnues, n’autorisent a priori pas l’utilisation de ces méthodes sans hypothèses simplificatrices. Une alternative réside dans l’utilisation d’approches d’identification à partir des mesures sur le système, en considérant qu’une connaissance restreinte sur les caractéristiques du système, telles que celles proposées dans (Weyer 2001) et (Euren et Weyer 2006), ou sur des techniques de compensation des incertitudes sur le modèle, comme proposées dans (Rivas Perez et al. 2007) et (Rivas Perez et al. 2008). Il sera cependant utile de proposer d’autres approches d’identification, sans aucune connaissance a priori sur le système, qui soient récursives de façon à pouvoir s’adapter aux modifications naturelles du système ou aux comportements non prévus, issus par exemple des conséquences du changement climatique. - La proposition de stratégies de conduite prédictives. Dans la littérature, un nombre important de méthodes de régulation des systèmes hydrauliques à surface libre a été proposé (Litrico et Fromion 2009). Ces méthodes ont été classées dans (Malaterre et Baume 1998) et (Zhuan et Xia 2007). Elles sont généralement conçues pour la régulation de niveau autour d’un point de fonctionnement. D’autres méthodes prenant en compte la totalité de la plage de fonctionnement de systèmes hydrauliques ont également été proposées (Bolea 2010), (Duviella et al. 2010). Ces techniques de régulation sont appliquées généralement localement et conduisent à de bonnes performances. Cependant, lorsqu’il est nécessaire de considérer les réseaux dans leur ensemble et de veiller à bien satisfaire aux contraintes et objectifs de gestion de la ressource en eau, ces techniques ne sont plus suffisantes. Ainsi, des techniques de répartition de la ressource en eau ont été proposées dans la littérature (Faye et al. 1998), et (Duviella et al. 2011). Ces travaux ont consisté à proposer des stratégies de gestion efficiente de la ressource. Cependant, les contraintes et les objectifs de gestion considérés étaient ceux de réseaux hydrographiques du sud de la France, sans contrainte de navigation, et ne tenant pas compte des impacts possibles du changement climatique. Ainsi, sera-t-il nécessaire de proposer une architecture de conduite intégrant les stratégies de gestion prédictive du BCF, générique de façon à pouvoir être déployées sur d’autres voies navigables. Plan de recherche détaillé : L’objectif général du projet GEPET-Eau consiste à proposer une méthodologie pour la réalisation d’un outil d’aide à la décision regroupant des stratégies de gestion prédictives et adaptatives des Voies Navigables, de façon à améliorer leur résilience face au changement climatique et l’efficience de la gestion de la ressource en eau. Il s’inscrit dans les objectifs du Plan National d’Adaptation au Changement Climatique qui vise à promouvoir et développer des systèmes intelligents adaptables pour une exploitation durable. Pour répondre à cet objectif, il est nécessaire de : - Lister les conséquences du changement climatique ayant le plus d’impacts sur les activités de VNF et sur la gestion de la ressource en eau, - Disposer d’une démarche de modélisation des voies navigables, conduisant à des modèles précis reproduisant la dynamique des voies navigables, - Concevoir une plateforme de simulation pour étudier la résilience des voies navigables, - Proposer une architecture de conduite intégrant des stratégies de gestion prédictives des voies navigables et de la ressource en eau, - Tester et valider ces stratégies de gestion grâce à la plateforme de simulation et le déploiement d’un démonstrateur sur le système réel. La prise en compte des effets et des conséquences du changement climatique sur l’activité des voies navigables et de façon plus large sur la ressource en eau, s’appuiera sur des études préalables sur l’impact du changement climatique, notamment sur les résultats du projet DRIAS (Donner accès aux scenarios climatiques Régionalisés français pour l'Impact et l'Adaptation de nos Sociétés et APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 8 environnements), mais également sur d’autres sources d’information qu’il sera nécessaire d’étudier. Le travail préliminaire sur l’impact du changement climatique sur les activités de VNF réalisé depuis 2010, sera approfondi. L’étude de la résilience des voies navigables nécessitera la conception et le calage d’un modèle de leur dynamique tout en tenant compte de l’interaction avec les bassins versants. La modélisation sera un des aspects particulièrement innovants de ce projet par le fait qu’il s’agit de systèmes hydrauliques à surface libre avec des géométries non constantes, une absence de pente significative et des interconnections avec un nombre important de prises et rejets (rivières, industrie, etc.). La complexité hydraulique des voies de navigation sera également prise en compte. A partir de l’étude sur l’impact du changement climatique et du modèle permettant la reproduction de la dynamique des voies navigables, des scénarios d’événements exceptionnels seront définis et testés afin d’étudier la résilience des voies navigables. Les limites et les contraintes de gestion ainsi mises en évidence conduiront à la proposition de stratégies de gestion prédictives et adaptatives des voies navigables. Le critère prédictif des stratégies de gestion est également un aspect innovant de ce projet. Il permettra de garantir l’adaptabilité des stratégies de gestion indispensable afin de diminuer la vulnérabilité des voies navigables vis à vis du changement climatique. En effet, la prévision, suffisamment précoce, des situations critiques conduisant à des dommages irréversibles ou à une impossibilité de répondre aux besoins des usagers, et de satisfaire les contraintes de gestion, permettra la sélection de l’ensemble des stratégies de gestion les plus appropriées. Ces stratégies de gestion prédictive doivent répondre à la nécessité de prise en compte des plus récentes versions des modèles climatiques et des incertitudes qui sont au coeur des modèles « impact, vulnérabilités, adaptation » (IVA). Les scénarios d’événements exceptionnels, les modèles de la dynamique des voies navigables, et les stratégies de gestion prédictive, seront considérés pour l’élaboration de protocoles de validation nécessaires à l’évaluation et à l’amélioration des stratégies proposées. Finalement, les bases d’un outil d’aide à la décision, en vue de son déploiement pour la gestion prédictive des voies navigables et de la ressource en eau, seront proposées. Cet outil regroupera l’ensemble des méthodes et techniques développées au cours de ce projet, et pourra être, à terme, mis à disposition des gestionnaires des voies navigables pour la gestion opérationnelle de leurs réseaux. De par la collaboration de travail des deux partenaires principaux, et la volonté de poursuivre leurs activités conjointes, les voies navigables de la région Nord Pas–de-Calais seront particulièrement étudiées et serviront de démonstrateur des stratégies de gestion prédictive proposées. Le bief Cuinchy-Fontinettes (BCF) situé dans la région Nord-Pas de Calais a été retenu comme cas d’étude et de développement dans le cadre de ce projet. Ce système offre un cas d’étude très intéressant de par son rôle et sa place centrale dans la gestion de la ressource en eau d’une grande partie de la région. Il présente également des spécificités intéressantes mais complexes qu’il sera nécessaire de prendre en compte. Sa gestion a des conséquences directes sur la gestion de la ressource en eau des différents bassins versants et plus généralement les usagers. Sa topographie est également intéressante. Comme précisé précédemment, il s’agit d’un système très instrumenté grâce à la politique de modernisation de ses ouvrages mise en œuvre depuis quelques années par VNF. La participation des deux partenaires associés, la DREAL Nord-Pas de Calais et l’SAC de l’UPC de Barcelone, apportera une valeur ajoutée lors de la réalisation du projet GEPET-Eau, grâce à l’apport de leur expertise. La DREAL Nord-Pas de Calais est un acteur important de la gestion de la ressource en eau dans cette région. Ses membres animent un groupe de travail sur les conséquences de la sécheresse et des inondations dans la région Nord-Pas de Calais ("PA7 inondations sécheresse"), et participent à la commission internationale de l’Escaut sur la question de la ressource en eau et sa gestion intégrée au niveau transfrontalier (http://www.isc-cie.org/). L’équipe SAC de l’UPC de Barcelone participe depuis de nombreuses années à différents projets de recherche nationaux, européens et internationaux sur la modélisation, la régulation et la gestion de la ressource en eau (http://sac.upc.edu/). Elle bénéficie de relations étroites avec des gestionnaires en Catalogne. Son activité de recherche sur cette problématique, a conduit à la publication d’un grand nombre APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 9 d’articles et de communications dans des conférences, et à plusieurs thèses. Finalement, un programme de mobilité a été mis en place avec l’URIA en novembre 2011, afin de proposer des approches de modélisation et de régulation des systèmes hydrauliques à surface libre, avec une volonté de développer ce partenariat. Les objectifs de ce projet peuvent être synthétisés d’un point de vue Gestionnaire et d’un point de vue Scientifique : - Objectifs - Gestionnaire : 1) Déterminer les conséquences du changement climatique sur ses activités. 2) Prédire les scénarios ou les conditions exceptionnelles potentielles à partir d’étude sur l’impact du changement climatique. 3) Disposer d’un modèle de la dynamique d’un bief représentatif des voies navigables, le bief Cuinchy-Fontinettes. 4) Estimer la résilience du bief Cuinchy-Fontinettes. 5) Concevoir des stratégies de gestion prédictive permettant de répondre aux contraintes et objectifs de gestion de la ressource en eau. 6) Pouvoir disposer, à terme, d’un outil d’aide à la décision regroupant l’ensemble de ces stratégies. - Objectifs - Scientifique Afin de réaliser ces objectifs du point de vue Gestionnaire, les verrous scientifiques qui doivent être levés sont : 1) La caractérisation des scénarios et conditions exceptionnelles dus au changement climatique. 2) La modélisation boîte-noire d’un système hydraulique à surface libre caractérisé par une géométrie complexe, sans pente, équipés de vannes et d’écluses, et possédant un grand nombre d’entrées inconnues (rejets et prélèvements). 3) La modélisation boîte -noire d’un système complexe sans base de données exhaustive ou caractérisant des événements exceptionnels. 4) La modélisation de la dynamique d’actionneurs, tels que les écluses ou les vannes. 5) La conception de stratégies de gestion prédictive conduisant à une gestion efficiente de la ressource en eau et à une amélioration de la résilience des voies navigables. 6) La proposition d’une architecture de conduite de supervision et de pronostic. Pour répondre aux objectifs et proposer des résultats innovants dans le domaine de la gestion des ressources en eau dans un contexte de changement climatique, le travail réalisé dans le cadre du projet GEPET-Eau s’articule autour de 6 tâches : Programme et calendrier Le programme sera réalisé au travers d’une étroite collaboration entre les 2 partenaires. Pour chaque tâche, les 2 partenaires seront impliqués. Tâche 1 : Impact du changement climatique sur la ressource en eau et ses usages, et spécification des besoins Partenaire responsable : VNF Cette Tâche vise à étudier les travaux sur l’impact du changement climatique à l’échelle de bassins versants et sur les activités de VNF, et à spécifier les besoins. Pour cela, il sera nécessaire de s’appuyer sur le travail déjà réalisé par les deux partenaires en l’étoffant en considérant les études sur l’impact du changement climatique, notamment sur les résultats du projet DRIAS (Donner accès aux scenarios climatiques Régionalisés français pour l'Impact et l'Adaptation de nos Sociétés et APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 10 environnements). A partir de ces différentes sources et de l’expertise de VNF, une synthèse devra être réalisée et l’ensemble des événements pouvant impacter les activités de VNF ou de la ressource en eau à l’échelle du territoire déterminé. Il sera également nécessaire de considérer les changements sur les contraintes et objectifs de VNF, telles que des plages horaires de navigation plus étendues, des contraintes sur les niveaux plus accrues, etc. Ces contraintes et objectifs sur les activités de VNF sont un vecteur de lutte contre le changement climatique car ils permettront d’accroître le trafic fluvial et ainsi diminuer les rejets de gaz à effet de serre. Livrables : - Spécification du cahier des charges. - Liste des conséquences du changement climatique ayant le plus d’impacts sur les activités de VNF et la ressource en eau. - Définition des besoins. - Conséquences du renforcement des objectifs et contraintes de gestion. - Détermination de scénarios réalistes potentiels des conséquences du changement climatique. Tâche 2 : Modélisation des voies navigables Partenaire responsable : URIA - EMD Dans cette tâche, une démarche de modélisation des voies navigables sera proposée, afin de pouvoir être appliquée de façon générique à l’ensemble des voies navigables. Elle sera définie et illustrée en se focalisant sur le bief Cuinchy-Fontinettes. De par les caractéristiques de ce bief, les approches classiques (basées sur les équations de Saint-Venant) ne sont a priori pas adaptées sans hypothèses simplificatrices importantes. Néanmoins, des modèles simplifiés seront implémentés sur des logiciels du commerce tels que SIC (développé par l’UMR G-EAU de l’IRSTEA de Montpellier (Malaterre 2006)), ou sur MIKE11 (développé par la société DHI). L’intérêt de l’implémentation sous SIC, est qu’il est possible de coupler ce simulateur aux logiciels Matlab/Simulink, outils privilégiés par la communauté scientifique travaillant dans le domaine de l’Automatique. Celui de l’implémentation sous MIKE11 réside dans le fait qu’il s’agit d’un outil de simulation utilisé par VNF. Ces modèles simplifiés permettront de concevoir et tester les premières approches de gestion prédictives. Par la suite, en vue de lever les hypothèses simplificatrices préalables et ainsi considérer la dynamique réelle du bief, une approche de modélisation boîte-noire sera proposée. Elle a pour but d’identifier les relations entre les entrées et les sorties du système, et donc permet de considérer les données réellement mesurées, sans hypothèse sur la géométrie du canal. En parallèle à la conception de ce modèle boîte-noire, des modèles de la dynamique de l’ensemble des actionneurs du bief seront proposés ou améliorés. Il sera en effet souhaitable de s’appuyer sur les travaux déjà réalisés sur la modélisation de certains actionneurs du bief. Livrables : - Modèle du bief Cuinchy-Fontinettes sous différents simulateurs. - Modèles des actionneurs et Capteurs du BCF. - Modèle boîte-noire du BCF. - Proposition d’un outil de simulation du BCF. Tâche 3 : Etude de la résilience des voies navigables Partenaire responsable : URIA - EMD En considérant un modèle fiable du BCF, et la sélection des événements exceptionnels dus au changement climatique, la résilience du BCF sera étudiée. Lors de cette étude, les limites de la gestion actuelle face au changement climatique et l’indispensable nécessité de proposer de nouvelles stratégies de gestion seront mises en évidence. L’expertise des gestionnaires sera indispensable pour la bonne réalisation de cette tâche. Il sera également nécessaire de proposer des indicateurs APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 11 permettant de juger des performances des stratégies de gestion. La réalisation de cette tâche s’appuiera sur le modèle du BCF réalisé précédemment. Elle impose donc que la tâche T2 conduise à un outil de simulation, et donc un modèle, qui reproduise assez fidèlement la dynamique du BCF. Cette étude sera réalisée par simulation sur les modèles préalablement conçus. Livrables : - Simulation de scénarios mettant en évidence l’indispensable nécessité d’adaptabilité de la gestion de la ressource en eau face au changement climatique. - Proposition d’indicateurs pertinents de performance. Tâche 4 : Proposition de stratégies de gestion prédictive Partenaire responsable : URIA - EMD Cette tâche consiste à proposer des stratégies de gestion prédictives pour une meilleure résilience du BCF face au changement climatique. En tenant compte de l’étude de la résilience des voies navigables, des indicateurs de performances, des stratégies de gestion prédictive permettant de tenir compte des objectifs et des contraintes de fonctionnement et d’utilisation des voies navigables, seront proposées. Il sera nécessaire de proposer un outil de supervision « haut niveau » afin de déterminer l’état courant du BCF et un outil de pronostic afin de prédire son état futur en tenant compte des événements probables, et de les intégrer dans une architecture de conduite. En fonction de ces informations, les stratégies de gestion seront sélectionnées. L’ensemble de ces stratégies seront testées et validées par simulation à partir des modèles proposés précédemment sur le BCF. L’aspect prédictif permettra l’anticipation de l’occurrence de phénomènes et donc améliorera l’adaptabilité des stratégies de gestion face aux conséquences identifiées du changement climatique. Cette tâche est étroitement liée à la tâche T3 et sera menée pratiquement en parallèle. Livrable : - Architecture de supervision et de pronostic. - Stratégies de gestion prédictive des voies navigables. Tâche 5 : Déploiement d’une plateforme de démonstration pour la validation des stratégies de gestion prédictive Partenaire responsable : URIA - EMD Les stratégies de gestion prédictive des voies navigables et plus globalement de la ressource en eau doivent être testées et validées en considérant différents scénarios et le renforcement des objectifs et contraintes de gestion. Pour être pertinent, la validation des stratégies de gestion proposées nécessitera l’emploi d’un protocole de simulation et de validation. Il sera nécessaire également de déployer une plateforme de démonstration sur le système réel afin d’utiliser le protocole défini préalablement. Ce déploiement nécessitera un effort important de portage des stratégies de gestion sur un support adapté afin d’être utilisé sur le système réel. Les scénarios caractéristiques du changement climatique seront considérés. Lors de la réalisation de cette tâche, une fois le démonstrateur déployé, il s’agira de privilégier une approche en boucle fermée afin de pouvoir affiner et améliorer les stratégies proposées. Cette phase de validation sera réalisée sur le BCF. Livrable : - Protocole de simulation et de validation permettant de valider les stratégies de gestion prédictive. - Plateforme de démonstration. - Validation des stratégies de gestion. APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 12 Tâche 6 : Retour sur Expérience et généralisation de la démarche Partenaire responsable : URIA - EMD Le projet GEPET-Eau s’inscrit dans une démarche d’amélioration continue de la gestion des voies navigables et de la ressource en eau, en s’appuyant d’une part sur l’approche métier et l’expertise du gestionnaire VNF, et d’autre part, sur la conception et la mise en point de techniques et méthodes de pointe en matière scientifique grâce aux activités de l’URIA. L’intérêt d’un tel projet est de lever des verrous scientifiques et de définir une méthodologie permettant de fournir au gestionnaire un outil opérationnel lui permettant d’améliorer la gestion courante des voies navigables. Cet outil doit être caractérisé par une généricité lui permettant de pouvoir être adapté et implémenté sur d’autres voies navigables. Ainsi, est il nécessaire de mesurer le retour d’expérience en utilisant la plateforme de démonstration et le protocole de simulation et de validation des stratégies proposées. Ce retour d’expérience conduira à la détermination des spécificités principales de l’outil d’aide à la décision lui permettant de garantir sa généricité. Finalement, une méthodologie de mise en œuvre sera définie afin de pouvoir déployer, à terme, cet outil sur d’autres voies navigables, et lui attribuer des critères de robustesse indispensable à ce déploiement sur site. Livrable : - Retour d’expérience après la phase de tests et de validation. - Définition des spécifications d’un outil générique d’aide à la décision. - Détermination d’une méthodologie de mise en œuvre de la démarche sur d’autres voies navigables. - Définition des bases et des contraintes pour le déploiement d’un outil robuste sur site. - Rapport de fin de projet. Calendrier du projet (durée en mois) Année 1 2 4 6 8 Année 2 10 12 2 4 6 8 Année 3 10 12 2 4 6 8 10 12 T1 T2 T3 T4 T5 T6 APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 13 Implication par tâche des personnes participant au projet : T4 T5 T6 T2 T3 1 1 1 3 T1 Ingénieurs Senior - RDI Ingénieurs Junior - Recherche Ingénieurs Sénior – Recherche 2 Post-doc - Recherche Expert - VNF 1 Total 3 2 1 2 2 1 1 4 2 12 2 4 1 16 6 11 Total 6 7 2 12 18 0,5 0,5 3 7,5 2,5 46 Méthodologie ou ingénierie de projet envisagées (notamment pour l’axe 2) : Un Accord de Consortium relatif aux droits de propriété, d’exploitation des résultats et de confidentialité sera établi au démarrage du programme. Les principes généraux de propriété intellectuelle et de confidentialité en vigueur chez les partenaires seront pris comme guide pour l’élaboration de l’accord. Ces dispositions figureront dans le protocole d’accord qui sera signé par les partenaires dès le début du projet. Le projet GEPET-Eau sera coordonné par le porteur, à savoir l’URIA du centre commun Armines Ecole des Mines de Douai. Il s’appuiera sur les bonnes relations de travail que VNF et l’URIA entretiennent depuis plusieurs années et sur leur dynamisme comme en témoignent les résultats et contributions scientifiques. De plus, la relation étroite entre les deux partenaires permettra d’atteindre les différents objectifs du projet en livrant les résultats de chaque tâche selon le calendrier proposé. Ainsi, le projet GEPET-Eau sera suivi par deux autres partenaires associés, l’UPC et la DREAL, qui apporteront leur expertise. Afin de parvenir à la réalisation de l’ensemble des tâches, les moyens en hommes, en matériel et en soutien de programme ont été définis. Besoins en hommes : En dehors de l’implication des permanents de VNF et de l’équipe URIA, il est demandé : - 18 mois de PostDoc - CDD, en renfort au travail de recherche de la thèse. Ces 18 mois seront consacrés aux tâches T2, T3 et T4. La personne recrutée devra nécessairement avoir un doctorat, des connaissances et une expérience dans la modélisation des systèmes complexes en utilisant des méthodologies d’identification. Une expérience sur les systèmes hydrauliques sera bien entendue privilégiée. Par ailleurs, de part sa formation, des compétences dans la conduite des systèmes complexes seront attendues. Besoins en matériel Les équipements et données mis à disposition par les partenaires sont : - Cluster de calcul haute-performance (URIA) pour la simulation des modèles des voies navigables, pour l’implémentation des algorithmes de calcul pour l’identification des modèles boite-noire, pour la mise en place des plan d’expériences et la réalisation des simulations. - Outil de simulation MIKE11 par VNF. - Données historisées provenant de VNF. Les besoins en logiciel et outils permettant de concevoir une plateforme de démonstration. APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 14 Besoins pour le soutien de programme La valorisation du travail mené dans le cadre de ce projet passe par la publication des résultats scientifiques dans le cadre de conférences internationales, de réunions de travail dans le cadre de groupe de travail, de démonstration au plan régional et national. Il sera nécessaire de prévoir plusieurs déplacements sur site et dans les locaux des deux partenaires principaux et associés pour des réunions de travail périodiques. Pour l’expertise et le suivi du déroulement du projet, nous souhaitons poursuivre le programme de mobilité avec l’UPC de Barcelone. Leur implication dans le projet permettra aux partenaires de bénéficier de leur expertise. Pour cela, il sera nécessaire de prévoir un budget pour les déplacements et le logement durant l’accueil des enseignants-chercheurs à l’UPC et à l’EMD. En fin de projet, une journée de travail, sous forme de workshop pourra être organisé de façon à faire participer des chercheurs européens et des gestionnaires travaillant sur des problématiques similaires. Expérience et moyens des équipes dans le domaine considéré (publications, réalisations,…) : L’expérience et moyens des équipes ont été présentés précédemment. Les résultats et contributions du travail conjoint des deux partenaires ont également été présentés. En ce qui concerne le domaine de la gestion de l’eau et des conséquences du changement climatique, l’URIA a également produit des contributions scientifiques et techniques en collaboration avec le service de prévention des crues (SPC) de la DREAL Nord-Pas de Calais. Ce travail a conduit à la publication de deux articles dans des conférences internationales (Le Pocher et al. 2011b, Duviella et Bako 2012a), et à l’organisation d’une session invitée dans le cadre d’une conférence internationale regroupant des chercheurs du domaine (Duviella et al. 2012b). Cette activité a notamment conduit au développement et au déploiement d’un outil d’évaluation de modèles de prévision de crues au sein de la DREAL (Duviella et Lecoeuche 2010). Valorisation envisagée : bases de données, résultats et produits attendus pour la gestion, transferts aux utilisateurs, généralisation… Résultats sur le plan industriel Ce projet doit permettre à VNF d’améliorer la gestion des voies navigables et d’anticiper les conséquences que pourrait avoir le changement climatique sur ses activités. Il s’agit d’un travail novateur qui permettra à VNF d’évaluer de nouvelles méthodes et des outils innovants conduisant à l’amélioration de la résilience des voies navigables, et de l’efficience de la gestion de la ressource en eau à l’échelle régionale. L’impact économique et écologique des outils et méthodes qui seront développés dans le cadre du projet GEPET-Eau est fort. Il s’agira tout simplement de valoriser le transport par voie fluviale et ainsi contribuer à la diminution des facteurs influents du changement climatique. Les retombées attendues sont une meilleure connaissance de l’impact du changement climatique, de la résilience des voies navigables et des développements restant à effectuer pour garantir les conditions de navigabilité des voies navigables tout en préservant une gestion efficiente de la ressource en eau. Cela permettra l’accroissement du trafic fluvial et la limitation des pertes économiques qui peuvent être liées aux inondations ou aux périodes de sécheresse. Résultats sur le plan scientifique D’un point de vue scientifique, ce projet sera l’occasion de pousser plus avant les recherches entreprises par l’équipe dans le domaine de la modélisation et de la conduite de systèmes environnementaux complexes. Ce type de procédé est caractérisé par des dimensions importantes, des non-linéarités, des dynamiques pouvant être hybrides et des retards variables, nécessitant le développement d’approches adaptées à cette classe de problèmes difficiles. La prise en compte de APR 2012 – GICC Projet GEPET-Eau 15 l’impact du changement climatique lors de l’élaboration de stratégies de gestion apporte un challenge auquel il sera intéressant de répondre par la proposition de méthodes innovantes qui pourront être déployées à terme. A l’issue de ce projet, notre savoir-faire de recherche sur la modélisation et la conduite de systèmes environnementaux complexes aura été renforcé et les bases pour le transfert de ces savoirs dans le cadre d’un outil industriel valorisable seront définies. Indicateurs 1. Indicateurs relatifs aux résultats concernant les attentes du gestionnaire : - Innovation pour maximiser l’efficience de la gestion des voies navigables et obtenir une meilleure rentabilité, dans un contexte d’accroissement des contraintes de navigation et de changement climatique. - Promotion du transport fluvial afin de limiter l’émission de gaz à effet de serre. - Base d’un outil d’aide à la décision intégrant des stratégies de gestion pour faire face aux conséquences du changement climatique. - Augmentation des qualifications et des compétences des personnels de gestion des voies navigables. - Compétences et services valorisables auprès d’autres cellules de gestion opérationnelle. - Valorisation potentielle d’un savoir-faire et d’une expérience auprès de gestionnaires européens. 2. Indicateurs relatifs aux résultats concernant les attentes des laboratoires : - Sensibilisation d’étudiants aux enjeux environnementaux de demain, par leur implication possible dans des projets d’élèves. - Application des travaux de recherche théoriques menés par les personnels de recherche (post-doctorants, permanents). - Contribution à la communauté scientifique : publication d’articles en revues et conférences internationales ; - Augmentation de la connaissance : sur la modélisation et la conduite de systèmes environnementaux complexes. - Valorisation d’un travail de recherche en partenariat avec un gestionnaire. - Valorisation d’un savoir-faire et d’une expérience auprès d’universités et gestionnaires européens Références : Almaz O. A. et Tayfur Altiok (2012). Simulation modeling of the vessel traffic in Delaware River: Impact of deepening on port performance. Simulation Modelling Practice and Theory, Volume 22, March 2012, Pages 146-165. Bako L., K. Boukharouba, E. Duviella et S. 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