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Subject: thèse exploitation socio-économique de la modélisation souterraine du transfert des nitrates
From: Viavattene Christophe (christopheviavattene@free.fr)
Date: Fri Sep 08 2006 - 10:17:11 CEST
Bonjour,
Ma thèse "Exploitation socio-économique de la modélisation souterraine du transfert des nitrates à l'échelle du bassin de la Seine", soutenue en février 2006 à l'Ecole des Mines de Paris, est en ligne :
http://pastel.paristech.org/bib/archive/00001750/
Mots clefs : Directive Cadre sur l'Eau - Pollutions diffuses- nitrates - scénario préventif - analyse coût-bénéfice - multi-agent - modélisation
Au cours de ce travail, le comportement des collectivités responsables de la distribution d'eau a été modélisé avec le logiciel CORMAS.
Je profite de ce mail pour remercier l'ensemble des personnes qui ont pu m'aider par ce forum à résoudre mes problèmes de programmation.
Ci-suit le résumé en français et en anglais
Viavattene Christophe
Laboratoire Techniques, Territoires et Sociétés
ENPC
6 & 8, avenue Blaise Pascal
Cité Descartes
F 77455 Marne-la-Vallée Cedex 2
tél: +33 (0)1 64 15 38 28
Site web http://christopheviavattene.free.fr/main
ABSTRACT
The French water laws of 1964 and 1992 are providing the basis of a nationwide integrated water management system decentralized among six hydrographic districts. The European Water Framework Directive (WFD) was adopted in December 22, 2000. While not fundamentally revising this type of basin organization it brings a new environmental emphasis planned and evaluated on the basis of smaller hydrographic entities called "water bodies". It is also encouraging the systematic use of economic tools. By 2009, the Water District Agencies (in, French, Agences de l'Eau) need to define their district management plan and lay out a series of measures which by 2105 would help in reaching a "good" water status.
Among the objectives of improvement of the water quality, proper reduction of nitrates in groundwater bodies is one of the main challenges faced by the management of the Seine river basin. The contamination source originates from the diffuse pollution generated by widely established farming practices all over the watershed. Agro-environmental measures have been promoted in the area since several years in order to reduce the amount of nitrogen load from agriculture. However, due to the slow e adoption of these measures by farmers and the extremely long response time of the nitrate concentration in groundwater, the capacity of reaching a "good" groundwater status by 2015 can be questioned.
In the first part of our work, the MODSUR-STICS-NEWSAM agro-hydrology numerical model was used in order to simulate the distribution of nitrates in groundwater over the three main aquifers of the Seine river basin. Initially developed within the framework of the PIREN-Seine program, the model has been used in order to predict the effects of various basin wide farming policies ranging from the "business as usual" scenario to a diversity of agro-environmental measures. The model has been calibrated using existing farming practices regionally surveyed from 1992 to 1998 and by comparing computed nitrogen concentrations with those observed over a 30 years period over a large quantity of wells covering the whole basin. Calibration is performed using the annual evolution of the median of the nitrate concentration's statistical distribution. The predicted median for each aquifer is used along with an uncertainty model in order to evaluate the risk of exceeding the WFD prescribed quality levels (50 or 100 mgNO3/l) either for each 1 km2 model cell or aggregated at the scale of the basin designated groundwater bodies.
The second part aims at exploring various ways of using the model predictions in a socio-economic context in order to evaluate the costs and benefits of the various proposed improved environmentally friendly farming policies. The farmers' added costs are determined from direct measures' costs and from the crops yield variation computed by the STICS agronomy model. The evaluation of benefits is limited to the avoided damages for the drinking water domestic consumers. In a first approach, avoided damages are computed basin wide from the Raucher's method applied to the case of systematic curative treatment of water wells applied when the probability of exceeding the 50 mgNO3/l base level is too high. The second approach is based on the development of the WATER-RUSH agent-based model which simulates the behaviour adopted by municipal water syndicates (UGE) when facing a pollution increase of their drinking water wells. The model is applied over several decades for a total of 612 UGE for the three groundwater bodies in the Seine basin. This tool enables a more realistic account of the various solutions adopted on a least cost basis by each UGE along the simulation history. The alternatives simulated by WATER-RUSH are: a deepening of the existing wells, a well closure followed by the drilling of a new well, a mixing of produced water with a cleaner source, an "ad hoc" water treatment or the linking to an alternate groundwater source either within the UGE syndicate or outside its territory. The model determines the least costly solution adopted by each UGE every year and computes the overall accumulated cost for each m3 over the simulated period.
RESUME
Avec les lois sur l'eau de 1964 et 1992, la France s'est dotée d'une gestion intégrée et décentralisée de la ressource en eau, organisée autour de six bassins hydrographiques. Sans remettre en cause les fondements de cette organisation, la Directive Cadre sur l'Eau (DCE), adoptée le 22 décembre 2000, renforce cette gestion en fixant des objectifs environnementaux planifiés, en l'organisant au sein de sous entités hydrographiques, les masses d'eau, et en prônant l'utilisation de l'analyse économique. Dès 2009, les Agences de l'Eau doivent définir un plan de gestion fixant les objectifs à atteindre en 2015, première échéance de la DCE, et un programme de mesures nécessaires à leur réalisation.
Parmi les objectifs de reconquête de la qualité des eaux, la réduction des contaminations nitriques des ressources en eau souterraine du bassin de la Seine constitue un des grands enjeux auxquels doivent faire face les gestionnaires. La principale source de cette contamination est une pollution diffuse d'origine agricole étendue à l'ensemble du bassin. Depuis plusieurs années, des efforts ont déjà été initiés en instaurant la mise en place de mesures agro-environnementales. Mais en raison de l'efficacité partielle de ce type de mesure et des temps de réponse souvent longs des aquifères, on est en droit de se demander si ce type de mesures suffira à remplir l'objectif de bon état chimique des eaux souterraines à l'horizon 2015.
La première étape de notre travail a donc consisté en une exploitation prospective du modèle agro-hydrologique MODSUR-STICS-NEWSAM, développé dans le cadre du programme PIREN-Seine pour simuler l'impact des pollutions diffuses azotées d'origine agricole sur les trois principaux aquifères du bassin de la Seine. Sur la base d'un recensement des pratiques agricoles observées à l'échelle de grandes régions agricoles sur la période 1992-1998, deux scénarios ont été élaborés : continuité de ces pratiques en « laisser-faire » et application de mesures agro-environnementales. L'évolution de la médiane de la distribution des concentrations mesurées en nitrates, indice statistique caractérisant chaque aquifère, permet d'estimer l'impact des mesures à diverses échéances. Par confrontation entre données simulées avec données observées sur une période de 30 ans, le risque de dépassement d'une valeur seuil est évalué pour chaque cellule du modèle et agrégé à l'échelle des masses d'eau souterraines du bassin. Chaque masse d'eau peut alors être caractérisée par sa probabilité de franchissement des seuils de concentration de 25, 40, 50 et 100 mgNO3/l.
La seconde partie de ce mémoire a pour objectif de mettre en ouvre l'exploitation socio-économique des résultats du modèle en déterminant les coûts et les bénéfices attendus des mesures agricoles préventives. Les surcoûts supportés par les agriculteurs tiennent compte des variations de rendements simulés par STICS et des coûts imputables à la mise en place des mesures. L'évaluation des bénéfices se limite à l'estimation des dommages évités pour la production domestique d'eau potable depuis les ressources en eau souterraine. Deux méthodes ont été employées. La première est basée sur l'approche de R.L. Raucher appliquée à l'ensemble du bassin en supposant qu'un traitement curatif systématique des eaux brutes est mis en ouvre dès que la probabilité de dépassement du seuil de 50 mgNO3/l devient trop grande. La seconde approche simule à l'aide s'un système multi-agents (SMA), le comportement des unités de gestion et d'exploitation (UGE) face à une pollution avérée de leur ressource. Ce modèle, baptisé WATER-RUSH, est appliqué sur plusieurs décennies au territoire de trois masses d'eau du bassin de la Seine couvrant 612 UGE, soit 1 027 communes. Cet outil permet de tester les différentes solutions pouvant être adoptées par les UGE suivant un critère de moindre coût et la prise en compte des conditions locales d'exploitation: mélange au sein du réseau, approfondissement des captages, traitement des eaux brutes, abandon et recherche de nouvelle ressource intra ou extra UGE. Sur cette base, le surcoût de chaque solution est calculé annuellement sur toute la période simulée et rapporté au mètre cube produit.