Modèles pluie/débit pour les bassins versants

Marion GILSON, Maître de Conférences HdR, Centre de Recherche en Automatique de Nancy
Hugues GARNIER, Professeur, Centre de Recherche en Automatique de Nancy
Vincent LAURAIN, Post-Doctorant, Post-doctorant University of Western Sydney, Australie

L'évaluation des risques liés à l'emploi des pesticides, qu'il s'agisse du risque pour la santé humaine ou du risque environnemental est un domaine d'intérêt scientifique. La détermination de concentrations environnementales prévisibles est une étape essentielle dans cette évaluation. La large diffusion de ces produits, leur toxicité pour de nombreux organismes terrestres et aquatiques exigent que cette évaluation soit la plus précise possible. Une voie pour mener à bien cet objectif est la détermination de modèles fiables et précis du transfert de pesticides.
La contamination des eaux de surface et de la nappe d'Alsace du fossé Rhénan est un problème majeur, qui impose la recherche de solutions pour limiter les transferts de résidus de pesticides et traiter la pollution diffuse par les pesticides la plus en amont possible dans les agrosystèmes. L'utilisation des bassins d'orage, déjà en place aux exutoires des bassins versants viticoles, constitue une nouvelle approche des systèmes de traitement du type « constructed wetlands » : les capacités de rétention hydraulique de l'ouvrage s'associent aux capacités de sorption et dégradation de l'écosystème, qui s'y développe naturellement.

Le projet proposé s'appuie sur l'exploitation d'un système expérimental localisé en bordure de piémont alsacien (Haut-Rhin, France), unique en France, qui permet d'étudier différentes stratégies de compréhension du transfert de pesticides et de réduction des flux de polluants. Le bassin expérimental de Rouffach est situé sur une zone de transition à la fois rural/urbain et piémont/plaine. Ce bassin est destiné à fournir les mesures à la base de cette compréhension en se fondant sur un suivi des transferts surfaciques de produits phytosanitaires, avec une période d'échantillonnage de 6 minutes sur le bassin versant viticole. Les exutoires du bassin versant et d'une parcelle sont ainsi instrumentés afin de quantifier les flux de 17 résidus de pesticides associés aux différents épisodes ruisselants.

Ce site présente une autre caractéristique intéressante : un bassin d'orage est situé en aval du bassin versant. Ce bassin peut s'apparenter à une zone humide artificielle et permet de réduire les flux de pesticides. Ce bassin d'orage est également instrumenté. L’instrumentation de mesure du site permet d'envisager l'utilisation de techniques développées dans d'autres disciplines, comme l’identification de systèmes dynamiques par des modèles paramétriques non linéaires.

Le succès de la recherche de solution pour réduire la présence de pesticide est largement tributaire de la qualité du modèle identifié et cette étape de modélisation constitue encore un défi important. Le système environnemental considéré est un assemblage complexe de phénomènes physiques, chimiques et biologiques interagissant l'un avec l'autre, ayant souvent un caractère non linéaire, et des incertitudes importantes au sujet de leur nature et de leurs interconnexions. Les processus agissant sur ces bassins étant complexes, ce projet nécessite une collaboration étroite avec les hydrologues afin de fournir des modèles fiables dans le but d'aider au mieux à la prise de décision pour les gestionnaires des bassins.

La mise en relation directe des pluies avec les concentrations en pesticides est un enjeu majeur pour la gestion de l'environnement bien que cette approche ne soit pas encore développée actuellement, les modèles faisant défaut. C'est un problème stimulant de part les difficultés intrinsèques dues au fait que les systèmes considérés sont naturels, que les entrées comme les sorties sont mesurées (identification dans un contexte erreurs en les variables), qu'aucune commande ne peut être appliquée au système, que le bruit associé aux données est hétéroscédatique et que les données sont souvent acquises à période d'échantillonnage variable.

La prédiction et la validation sur les données sont des objectifs importants, mais le modèle obtenu ne peut être complètement validé que si une interprétation physique des principales caractéristiques du modèle peut être apportée. C'est pourquoi, les modèles recherchés dans ce projet seront paramétriques et non linéaires à temps continu. Les paramètres de ces modèles à temps continu sont indépendants de la période d'échantillonnage et sont de ce fait mieux adaptés que les modèles à temps discret pour traiter le cas des données échantillonnées à pas variable.

Par ailleurs, les bassins versants ruraux se distinguent des bassins urbains par la forte variabilité spatio-temporelle des propriétés d'infiltration du sol liée à la végétation, au type de sol, à l'évapotranspiration ce qui confère un caractère non stationnaire à ces phénomènes ; de ce fait, les modèles linéaires ne permettent pas en général de reproduire de façon satisfaisante la relation pluie/débit sur ces systèmes ruraux et nécessitent d'avoir recours à l'identification de modèles non linéaires.
Par ailleurs, l’ensemble des travaux effectués est capitalisé dans une boîte à outils Matlab appelée CONTSID, pour CONtinuous-Time System IDentification. Cette boîte à outils Matlab rassemble l'ensemble des méthodes d’identification que nous avons développées et est conçue comme une extension de la boîte à outils commerciale System Identification de Matlab. Elle est téléchargeable sur le site du CRAN : http://www.cran.uhp-nancy.fr/contsid/.

Bibliographie
V. Laurain, R. Tòth, M. Gilson, H. Garnier,
Direct Identification of Continuous-time LPV Input/Output Models,
IET Control Theory & Applications, special issue on «Continuous-time model identification», to appear 2011