Calcul opérationnel des apports fluviatiles

Philippe Crouzet,

avec des contributions de Michel Meybeck et Guillaume le Gall

Statut des apports fluviatiles (RI) dans le PAM

• La Méditerranée, -comme d’autres mers- est sujette à la pollution, à la contamination et à l’eutrophisation, surtout par suite des apports fluviatiles

• Des problèmes additionnels proviennent de grandes quantités d’eaux usées insuffisamment épurées, déversées dans des baies semi-fermés.

• La connaissance précise des apports fluviatiles ("flux") et des rejets directs est la clé pour construire des programmes de mesures (« d’action ») efficaces et financièrement supportables.

Buts • Pour être calculés de manière efficace, les apports fluviatiles

et les rejets directs doivent être calculés au moyen de procédures implémentées dans un système opérationnel, en relation étroite avec autres utilisations des données de base.:

– Débits (par ex., pour les Comptes de ressource en eau)

– Mesures chimiques (par ex., pour le rapportage de la qualité des eaux)

– Eaux usées et autres apports polluants (Population, usages de l’eau, agriculture, utilisation des sols, etc..)

Les étapes d’une calcul opérationnel des AF

• Quels sont les principes de base et leur application opérationnelle,

• Évaluation de la qualité des données met reconstruction des données manquantes,

• Archivage et documentation de la production de données,

• Calcul et formatage des résultats• Validation & consolidation avec d’autres

sources.

Définition du flux

• Le flux (« débit massique") est une masse par unité de temps

BA

SIC

tMdt

0

• Que l’on peut en pratique calculer à partir du débit et de la concentration

tCQdt

0• Toutes les procédures de calcul tentent de reproduire la seconde

équation, qui produit des valeurs non biaisées

Quelles méthodes sont de bonnes candidates à l’opérationnelle?

• De nombreuses méthodes de calcul ont été publiées :– En général, elles visent à pallier le manque de données

– Plusieurs sont très discutables : précision, capacité prédictive pour les tendances, cohérence, bais, utilisation partielle des données, facilité de calcul.

• Revue de quelques méthodes couramment utilisées– C moyen par gamme de Q, régression c=aQb, C

reconstruction

BA

SIC

• 1: Calcul de la concentration par corrélation

BA

SIC

2: Calcul direct des flux avec une équation

Procédures classiquement utilisées

Calcul d’une corrélation c=f(Q)

Application de C=f(Q) à l’ensemble des Qj

Résultats

Choix d’une méthode Application à f(Ci), Qj Résultats

• Équation classique (aQb)

BA

SIC

log10(qeau)

log1

0(nn

o3)

2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.6 3.9-1

-0.6

-0.2

0.2

0.6

1

1.4

log10(qeau)

log1

0(nn

o3)

2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.6 3.9-1

-0.6

-0.2

0.2

0.6

1

1.4

– L’ajustement non linéaire (à G.) surestime les flux élevés, est est biaisé (correction possible)– Mauvais ajustement

Les corrélations sont-elles appropriées ?

Determinand River Number of data

Classical formula

R2%

Improved formula

R2%

Usable?

NNO3 Loire 82 39.98 42.42 FAUX

NNH4 Loire 81 5.53 6.39 FAUX

NKj Loire 73 23.86 30.02 FAUX

PSR Loire 74 4.15 9.59 FAUX

Ptot Loire 69 5.54 26.41 FAUX

NNO3 Loire 167 45.37 56.97 VRAI

NNH4 Loire 188 2.19 4.89 FAUX

NKj Loire 76 16.36 23.28 FAUX

PSR Loire 140 11.94 11.89 FAUX

Ptot Loire 146 4.62 14.45 FAUX

NNO3 Vilaine 53 70.50 72.86 VRAI

NKJ Vilaine 21 0.37 8.86 FAUXNNH4 Vilaine 50 0.38 2.26 FAUX

Éléments d’une approche opérationnelle (1)

• Des valeurs non biaisées du flux imposent de de s’ajuster aux valeurs mesurées,

• Il faut rechercher des estimateurs non biaisés de la concentration entre deux mesures réelles,

• La plupart des concentrations sont fortement expliquées par le temps, d’autres stations ou par le débit. La reconstruction en fonction du temps demande seulement une interpolation, qui n’a pas de biais.

Éléments d’une approche opérationnelle(2). Exemples

Nitrate, river Seine

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

01/01/71 29/12/80 27/12/90 24/12/00

Years

mg

/l N

O3 Nitrate, river Loire (subset)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

01/01/71 29/12/80 27/12/90 24/12/00

Years

mg

/l N

O3 Nitrate, river Garonne

0

5

10

15

20

25

30

01/01/71 29/12/80 27/12/90 24/12/00

Years

mg

/l N

O3 Nitrate, river Rhône

0

5

10

15

20

25

01/01/71 29/12/80 27/12/90 24/12/00

Years

mg

/l N

O3

Éléments d’une approche opérationnelle(3)

A n n é e s

N N O 3m g / l

3 1 . 7 74

3 2 . 1 39

3 2 . 5 04

3 2 . 8 69

3 3 . 2 34

3 3 . 5 99

3 3 . 9 64

3 4 . 3 29

3 4 . 6 94

3 5 . 0 59

0

2

4

6

8

1 0

1 2

Years

Il existe des relations évidentes entre le temps et la concentration :A/ forte dépendance entre des observations successivesB/ forte variabilité entre les annéesAussi, l’interpolation des concentrations entre des mesures est une option raisonnable(1+cosr(((round(nbj/10)-5)/36)*6.28))/2

NNO3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

2

4

6

8

10

12

D’autres ajustements (toutes les données) sur une transformée cosinus donne un très bon ajustement (R2 62%, contre 42% pour une corrélation avec Q). Des ajustements années par année sont encore meilleurs. Toutefois, l’approche globale permet de justifier la possibilité é de conduire des interpolations. Ce type d’approche est partagé avec les

développements en cours d’EuroWaternet pour le calcul correct des variances d’estimation de la

moyenne annuelle.

Éléments d’une approche opérationnelle (4)

• Dans la plupart des cas, les données peuvent être reconstruites en utilisant des panoplies de techniques :– Interpolation des valeurs du jour j à partir des

mesures n-1, n-2 et n+1 (auto-corrélation)– À partir des données d’autres stations (par ex.

station amont

Procédure utilisée à l’Ifen• Le calcul des flux est installé dans un système de calcul,

lui-même partie d’un ensemble de traitement de la donnée

BA

SIC

Sélection d’un type de situation

Analyse des données en fonction du type

Résultats

Evalaution des méthodes des

reconstruction des concentrations

Reconstruction des données

Possible ?

Méthodes alternatives,

dégradées, de calcul

Archive

Production et formatage

Système de calcul des

flux

Système de calcul des

flux

Noyau Nopolu

Données intrumentales

Données statistiques et administratives

Bases géographiques

Surplus agricoles

Calcul par entités adm/BV

Scénarisation

Comptes de qualité

Indices dérivés (RQGI)

Comptes sensu stricto

Linéarisation quantité/qualté

Débits massiques

Normalisation

Calcul et documentation

Reconstruction/statisques

Intégration des émissions

Consolidation

Intégration U/I

Transfert des surplus

Emissions U/I

Matrice NAMEA

Ventilation par secteur/vecteur

Emissions "vraies"

EuroWaternet

Exploitation des données

Sélection du réseau représentatif

Stratrif ication statistique

Qualité des eaux

Qualité générale

Classif ication SEQ

Les flèches noires indiquent une relation entre applications, les flèches de couleur des besoin de données pour une application

Expertise agronomique

Méthodologie EUROHARP

Comptes de ressource

Echanges entre agents

Usages de l’eau

Ressource primaireMatrices Eurostat

CLC + BV +

Admin.

Arborescence des cours d’eau

Stations de mesures

Ouvrages divers..

Climatologie Qualité rivièresEaux souterraines

Activités industrielles

Assainnissement (Urbain)

Statistiques agricoles

Population (RP)Entités

administratives

Débits (rivières) Pédologie

Architecture de traitement (Eau)D

AT

A

Nécessaire aux Flux

Nécessaire aux Flux

Nécessaire aux Flux

Évaluation des données (1)• La première étape consiste à définir quelle est

la typologie de calcul du flux, en considérant les positions respectives du point de restitution, du point « qualité et du point de débit.

DA

TA

• Les différentes situations peuvent être analysées par une matrice 4 x 4 matrix. Le type ad hoc définit la structure des jeux de données à préparer pour analyse et d’autres calculs de flux.

Point de restitution

Point d’échantillonage aval

Points d’échantillonage et de jaugeage amonts

Évaluation des données (2)D

AT

A

Les procédures de calcul préparent et exportent les données dans des fichiers correspondant aux 15 cas calculables (4D n’a aucune donnée à traiter…)

Les procédures de calcul préparent et exportent les données dans des fichiers correspondant aux 15 cas calculables (4D n’a aucune donnée à traiter…)

Point de restitution

1B : Extrapoler Q, appliquer 1A

1C : Reconstruire Q, appliquer 1A

1D

Débit

Qualité

2A : Définir règle amont aval, appliquer règle

2B : Extrapoler Q, appliquer 2A

2C : Reconstruire Q, appliquer 2A

2D

3A : Recontruire aval avec amont, définir la règle, appliquer la règle

3B : Extrapoler Q, appliquer 3A

3C : Reconstruire Q, appliquer 3A

3D

4A : Estimer C ou F=f(BV), définir la règle, appliquer la règle

4B : Extrapoler Q, appliquer 4A

4C : Reconstruire Q, appliquer 4A

4D

1A : Définir et appliquer règle

Évaluation des données(3)• Les données sont réputées sans erreur (application de

procédures spécifiques aux données avant utilisation),• Recherche de trous dans les séries (Q) et reconstruction,• Pour chaque point de calcul, les données sont exportées

pour traitement avec un applicatif statistique :– Test des distributions Qéchant. vs. Qjourn.

– Test des autocorrélations C vs. Temps et C – Test des corrélations de C entre points (cas 3x)– Ajustement C=f(Q) et C=f(autres) Reconstruction, si

nécessaire des séries de données

DA

TA

Traitement des données et calcul des flux (1)

DA

TA

Règles de reconstruction des C

Analyse statistique

Données qualité

Données débit

Scénario Fch

ier

de t

rava

il (d

bf)

Sources bibliographiques

Calcul des flux (interpolation /

regression)

Résultats

Traitement des données et calcul des flux(2)

• Le calcul des flux s’appuie strictement sur l’équation fondamentale,

• Aussi, l’évaluation des données et la reconstruction visent la fourniture de données C qui peuvent être interpolées.

• L’interpolation de base est celle de Lagrange entre deux mesures antérieures et une postérieure à la date. Des tests sont menées pour éviter des valeurs aberrantes. Les « valeurs hors gamme » peuvent être exclues de l’interpolation qui respecte strictement les valeurs observées / forcées

DA

TA

Traitement des données et calcul des flux (3)

DA

TA

La partie droite du graphique montre les valeurs interpolées entre des mesures (points). Ces mesures étant récentes, la partie gauche du graphique montre des flux calculés

en appliquant la meilleure des corrélations obtenues.

Archivage et documentation

• De nombreux jeux de données doivent être gardés afin :– De garder la trace des statistiques obtenues

avec les données et les choix de calculs,– De garder la trace des données utilisées et

reconstruites utilisées pour els calculs de flux,– De permettre de nouveaux calculs / vérification

dans l’hypothèse d’erreurs.

DO

CU

ME

NT

ING

RhôneRhône LoireLoire SeineSeine

Fourniture des résultats

• Les résultats sont attendus :– Par les principaux clients (MedPol, Ospar,

l’AEE désormais, besoins nationaux),– Pour des publications,– Pour des usages généraux (autres organisations

par exemple),

• Aussi, plusieurs supports et niveaux d’agrégation sont nécessaires

DO

CU

ME

NT

ING

Interactive reportingInteractive reporting Paper reportingPaper reporting

Consolidation (1)

• Cette partie est la moins avancées au moment présent– Les flux sont une partie des émissions totales

– Les rejets directs sont la partie encore la plus fiable du système français de rapportage, malgré l’existence d’agences de l’eau.

• La méthodologie est en cours de développement sous les auspices de la CE (projet EuroHarp).

• Demande des sources très variées

RE

CO

NC

ILIN

G

Consolidation (2)

• Les questions sont :– Les résultats sont-il corrects ?

– Les résultats sont-il cohérents avec les sources connues de pollution (si « oui », pourquoi ., sin « non », pourquoi ?)…

– Y a-t-il une tendance dans les résultats, et dans tous les cas, connaît-on la raison de cette tendance ?

• Le rapportage doit contribuer à la réponse à ces questions

RE

CO

NC

ILIN

G

Consolidation (3)

• Comparaison des flux avec les autres émissions

RE

CO

NC

ILIN

GLes résultats des réseaux de

surveillance, utilisés également pour

d’autres objectifs (évaluation de la qualité des eaux, compte de l’eau,

comptes de ressource, exprimés en flux

Les résultats des évaluations des rejets, eux-même alimentés

par la modélisation des surplus agricoles, sont tous utilisés également pour d’autres objectifs ( par ex. construction des matrices NAMEA

construction, REE, etc.,) exprimés en

émissions

Consolidation (4): fermeture de bassin versant (F)

• En France, l’accroissement du nombre de barrages mis en service s’est tradit pas de larges portions de BV fermés, modifiant ainsi les profils de transport des MES.

Consolidation (5)

• Le manque de données conduit à des méthodes de remplacement pour évaluer les flux ; par exemple, le travail Eurosion pour le calcul des flux de MES.

Évaluation globale (1)

Évaluation globale (2)

Évaluation globale (3)

Évaluation finale (1)

• Basée sur la géologie, climat et la bibliographie, on a défini quatre zones majeures, avec des ajustements locaux, auxquelles on applique des données globales. L’ajustement se fait tenant compte :– Des barrages,– Du traitement des données

disponibles.

2

1a1b

3

Évaluation finale(2)

• Forme générale du profil des données MES reconstruites, – MAIS les données journalières mal reconstruites, (-83% to

+238%).– L’introduction des données mesurées devrait améliorer le calcul

• Annual tonnage correctly assessed (Δ~4%)• Calculation system included into the Nopolu platform facility.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

01/01/1983 01/01/1984 31/12/1984 31/12/1985

ME

S (

mg/

l)

MES (mesures)

MES (estimations)Modèle 5

Calculs pratiques

Ouvre l’application Nopolu. Lien supprimé si l’application n’est pas installée.

Fin de l’exposéauteur: philippe.crouzet@ifen.fr