Towards a Bayesian modelling of drought in the Cévennes: Design of a tool to assist watershed management
Vers une modélisation bayésienne de la sécheresse en Cévennes : Conception d'un outil d'aide à la gestion des bassins versants
Résumé
The southern regions of France with a Mediterranean climate are known for their summer droughts, which led to the construction of large hydraulic works (Canal de Provence, Canal du Bas-Rhône Languedoc...) shortly after the Second World War. The function of these works is to extend the perimeter of the zones where water shortages can be avoided because of massive local resources such as the Rhône. This is the case, for example, of the Gard rhodanien irrigated by the CNABRL. Beyond these perimeters, on the karstic foothills of the south-eastern edge of the Massif Central, on the garrigue plateaus for example, aquifers, such as that of the Lez spring in Montpellier, can be used. Further upstream from the tributaries of the Rhone, such as the Ardèche, the Cèze, the Gardon, the Hérault... and therefore in the Cévennes (l. s.), which are largely devoid of aquifers, the question of water resources during the dry summer phase is central. It is obviously old, but had been "solved", in part, by the installation of a micro-hydraulic (béal...) during the past centuries. Some of these equipments have become patrimonial, but they do not correspond (when they are still operational) to the local water needs, even taking into account the deep transformation of agriculture (reduction of the activity, labelled productions: onion, apple...). By turning to tourism (a major consumer of water and water landscapes), this region is affected by increasing difficulties due to the increase in demand, regulations that pay greater attention to the good ecological status of rivers (volume of water that can be drawn) and climate change. The latter, at least in terms of factors such as temperature, plays an obvious role, especially since these mountains have experienced a rural exodus (production of wastelands and wastelands), then the transition to all oil (abandonment of wood heating) and finally the closure of coal mines (end of afforestation wood ...) which have led to a decrease in withdrawals and therefore a biological recovery, reforestation or, at least, a very significant overgrowth of the slopes. All this leads to an increase of the real evapotranspiration (ETR) which reduces the available water supply, even without clear variations linked to climate change, of the precipitated volumes which remain however very variable from one year to another. With this in mind, the local EPTBs (and the Rhone-Mediterranean-Corsica Water Agency) wanted to know with precision (which the national network does not provide) the flows of the Cevennes rivers during these summer phases. This has led to the installation of about fifteen hydrometric low-water stations since 2015 in the Cévennes upstream basins (of the base) of the Cèze and the Gardon. This approach was carried out within the paradigmatic framework of an involved science that associates, managers, politicians, the population and researchers. This background was developed in the so-called HydroPop program (2017 - 2020) which will be mentioned here only as a reminder. This being said, the production of high resolution data from about fifteen stations generates a significant and constantly growing mass of information. This led to the creation of a relational database called HydroSec. The first objective of this database is to keep all the information from the measurements made by the probes (pressure, temperature...) to the data that can be used in the study of different issues (flows...). This tool being globally available, the next step consisted in defining the drought no longer as a strict hydrological phenomenon (low water), but as a societal problem (tension between the anthropic water supply and demand on a territory - a municipality, a canton, etc. - in a given time: week, month). Some elements of this research posture will be analyzed in the proposed paper, in particular the fact that this epistemological choice allows to consider the level and the evolution of the tension on the water resource from probabilities determined on the variables of the supply and on those of the anthropic demand. It is therefore no longer a question of making the classic mass balances, but of combining probability distributions, of working on conditional probabilities (knowing the probability of A, what is the probability of B? Knowing the level of precipitation, of such and such a variable, what is the probability that the pressure on the water resource in such and such a canton, at such and such a time, will be high?) This approach naturally leads to a Bayesian framework. We will therefore present a Bayesian conceptual model that is currently being developed. This implies the selection of natural (rain, temperature, flow...) and anthropic (irrigation, AEP, recreational water...) variables to be probabilized. However, these variables must be, can be, transformed before being injected into the Bayesian model, in the Bayesian networks which are the structural tools (acyclic graph...) for calculating the concatenations of the probability distributions. In other words, it seems useful, upstream of Bayesian calculations on conditional probabilities, to develop particular models or calculations in order to have, in the probability distributions, information as specific and operational as possible. In this state of mind, we have modeled the periods without rainfall under a certain threshold (0 mm, 1 mm, 3 mm...), but also worked on the phase of low flows and proposed what we call GraviSec scales (of severity of the drought) which give a local account (for a river section), by a system of color code and notes, of the level of the flow of a river according to the paraetian statistical analysis which can be made of the available data and relating to the previous years. The text will develop this new methodology tested in the HydroPop program. In the end, the objective is therefore to make available to the managers of Mediterranean mountain basins, initially, a tool -1- for the conservation of all the field information collected, and -2- for the processing of this information, for example, to evaluate the tension on the water resource, but it could be many other facets of these mountain territories through specific modules. We can think for example of the possibilities of water storage, etc.
With this in mind, the local EPTBs (and the Rhone-Mediterranean-Corsica Water Agency) wanted to know precisely (what the national network does not provide) the flows of the Cevennes rivers during these summer phases. This led to the installation of about fifteen hydrometric stations of low water since 2015 in the Cévennes upstream basins (of base) of the Cèze and the Gardon. This approach was carried out within the paradigmatic framework of an involved science that associates, managers, politicians, the population and researchers. This background was developed in the so-called HydroPop program (2017 - 2020) which will be mentioned here only as a reminder. This being the case, the production of high resolution data from about fifteen stations generates a large and constantly growing mass of information. This has led to the creation of a relational database called HydroSec. The first objective of this database is to keep all the information from the measurements made by the probes (pressure, temperature...) to the data that can be used in the study of different issues (flows...). This tool being globally available, the next step consisted in defining the drought no longer as a strict hydrological phenomenon (low water), but as a societal problem (tension between the anthropic water supply and demand on a territory - a municipality, a canton, etc. - in a given time: week, month). Some elements of this research posture will be analyzed in the proposed paper, in particular the fact that this epistemological choice allows to consider the level and the evolution of the tension on the water resource from probabilities determined on the variables of the supply and on those of the anthropic demand. It is therefore no longer a question of making the classic mass balances, but of combining probability distributions, of working on conditional probabilities (knowing the probability of A, what is the probability of B? Knowing the level of precipitation, of such and such a variable, what is the probability that the pressure on the water resource in such and such a canton, at such and such a time, will be high?) This approach naturally leads to a Bayesian framework. We will therefore present a Bayesian conceptual model that is currently being developed. This implies the selection of natural (rain, temperature, flow...) and anthropic (irrigation, AEP, recreational water...) variables to be probabilized. However, these variables must be, can be, transformed before being injected into the Bayesian model, in the Bayesian networks which are the structural tools (acyclic graph...) for calculating the concatenations of the probability distributions. In other words, it seems useful, upstream of Bayesian calculations on conditional probabilities, to develop particular models or calculations in order to have, in the probability distributions, information as specific and operational as possible. In this state of mind, we have modeled the periods without rainfall under a certain threshold (0 mm, 1 mm, 3 mm...), but also worked on the phase of low flows and proposed what we call GraviSec scales (of severity of the drought) which give a local account (for a river section), by a system of color code and notes, of the level of the flow of a river according to the paraetian statistical analysis which can be made of the available data and relating to the previous years. The text will develop this new methodology tested in the HydroPop program. In the end, the objective is therefore to make available to the managers of Mediterranean mountain basins, initially, a tool -1- for the conservation of all the field information collected, and -2- for the processing of this information, for example, to evaluate the tension on the water resource, but it could be many other facets of these mountain territories through specific modules. We can think for example of the possibilities of water storage, etc.
Les régions méridionales de la France sous climat méditerranéen sont connues pour leurs sécheresses estivales qui ont conduit à la réalisation d’imposants aménagements hydrauliques (Canal de Provence, Canal du Bas-Rhône Languedoc…) peu après la Seconde Guerre mondiale. Ces ouvrages ont pour fonction d’étendre le périmètre des zones où les pénuries d’eau peuvent être évitées en raison de ressources massives de proximité comme le Rhône. C’est le cas, par exemple, du Gard rhodanien irrigué par la CNABRL. Au-delà de ces périmètres, sur le piémont karstique du rebord sud-est du Massif central, sur des plateaux de garrigues par exemple, des aquifères, comme celui de la source du Lez à Montpellier, peuvent être sollicités. Plus en amont des affluents du Rhône que sont l’Ardèche, la Cèze, le Gardon, l’Hérault… et donc en Cévennes (l. s.), très largement dépourvues de formations aquifères, la question de la ressource en eau, lors de la phase sèche d’été, est centrale. Elle est évidemment ancienne, mais avait été « résolue », en partie, par l’installation d’une micro hydraulique (béal…) lors des siècles passés. Certains de ces équipements sont devenus patrimoniaux, mais ne correspondent (quand ils sont encore opérationnels) en rien aux besoins en eaux locaux, même en prenant en compte la transformation profonde de l’agriculture (réduction del’activité, productions labellisées : oignon, pomme…). En se tournant entre autres choses vers le tourisme (fort consommateur d’eau et de paysages hydriques) cette région se voit affectée par des difficultés croissantes en raison de l’augmentation de la demande, de réglementations qui portent une attention plus forte au bon état écologique des rivières (volumes prélevables…) et en fonction du changement climatique. Celui-ci, au moins au niveau de facteurs comme la température, joue un rôle évident d’autant plus que ces montagnes ont connu un exode rural (production de déprises etde friches), puis le passage au tout pétrole (abandon du chauffageau bois) et enfin la fermeture des mines de charbon (fin des bois de boisement…) qui ont induit une baisse des prélèvements et donc une remontée biologique, une reforestation ou, au moins, un embroussaillement très important des versants. Tout ceci conduit donc à un accroissement de l’évapotranspiration réelle (ETR) qui réduit d’autant l’offre disponible en eau, même sans variations claires liées au changement climatique, des volumes précipités qui restent toutefois très variables d’une année sur l’autre. Fort de ce constat les EPTB locaux (et l’Agence de l’eau Rhône Méditerranée – Corse) ont souhaité connaitre avecprécision (ce que ne fournit par le réseau national) les débits des rivières cévenoles lors de ces phases estivales. Ceci a conduit à l’installation d’une quinzaine de stations hydrométriques d’étiage depuis 2015 dans les bassins amont cévenols (de socle) de la Cèze et du Gardon. Cette démarche a été réalisée dans le cadre paradigmatique d’une science impliquée qui associe, les gestionnaires, les politiques, la population et les chercheurs. Cet arrière-plan a été développé dans le programme dit HydroPop (2017 – 2020) qui ne sera ici évoqué que pour mémoire. Cela étant, la production de données à haute résolution d’unequinzaine de stations génère une masse d’informationsimportante et en accroissement constant. Ceci a conduit à imaginer une base de données relationnelle dite HydroSec. Celleci a pour objectif premier de conserver l’intégralité de l’information depuis les mesures faites par les sondes (Pression, température…) jusqu’aux données exploitables dans l’étude de différentes questions (débits…). Cet outil étant globalement disponible, l’étape suivante a consisté à définir la sécheresse non plus comme un strict phénomène hydrologique (basses eaux), mais comme un problème sociétal (tension entre l’offre et la demande anthropique en eau sur un territoire — une commune, un canton, etc. — en un temps donné : semaine, mois). Certains éléments de cette posture de recherche seront analysés dans la communication proposée, en particulier le fait que ce choix épistémologique permet d’envisager le niveau et l’évolution de la tension sur la ressource en eau à partir de probabilités déterminées sur les variables de l’offre et sur celles de la demande anthropique. Il n’est donc plus question de faire les classiques bilans de masse, mais de conjoindre des distributions de probabilité, de travailler sur des probabilités conditionnelles (sachant la probabilité de A, quelle est la probabilité de B ? Connaissant le niveau des précipitations, de telle ou telle variable, quelle est la probabilité que la tension sur la ressource en eau dans tel canton, à tel moment, soit forte ?). Cette approche conduit tout naturellement à se placer dans un cadre bayésien. On fera donc la présentation d’une modélisation conceptuelle bayésienne en cours de développement informatique. Ceci implique de sélectionner des variables naturelles (pluie, température, débit…) et anthropiques (irrigation, AEP, eau ludique…) à probabiliser. Toutefois ces variables doivent être, peuvent être, transformées avant d’être injectées dans le modèle bayésien, dans les réseaux bayésiens qui sont les outils structurels (graphe acyclique…) de calcul des concaténations des distributions de probabilité. En d’autres termes, il apparait utile, en amont des calculs bayésiens sur les probabilités conditionnelles, de développer des modélisations ou des calculs particuliers afin de disposer, dans les distributions de probabilité, d’informations aussi spécifiques et opérationnelles que possible. Dans cet état d’esprit nous avons modélisé les périodes sans pluies sous un certain seuil (0 mm, 1 mm, 3 mm…), mais aussi avons travaillé sur la phase de bas débits et proposé ce que nous appelons des échelles GraviSec (de gravité de la sécheresse) qui rendent compte localement (pour un tronçon de rivière), par un système de code couleurs et de notes, du niveau du débit d’une rivière en fonction de l’analyse statistique parétienne qui peut être faite des données disponibles et relatives aux années précédentes. Le texte développera cette nouvelle méthodologie testée dans le programme HydroPop. Au final l’objectif est donc de mettre à disposition des gestionnaires de bassins de montagnes méditerranéennes, dans un premier temps, un outil -1-de conservation de l’intégralité de l’information de terrain collectée, et -2- de traitement de cette information, pour, par exemple, évaluer la tension sur la ressource en eau, mais ce pourrait être bien d’autres facettes de ces territoires de montagne au travers de modules spécifiques. On peut penser par exemple aux possibilités de stockage d’eau, etc.
Fort de ce constat les EPTB locaux (et l’Agence de l’eau Rhône Méditerranée – Corse) ont souhaité connaitre avec précision (ce que ne fournit par le réseau national) les débits des rivières cévenoles lors de ces phases estivales. Ceci a conduit à l’installation d’une quinzaine de stations hydrométriques d’étiage depuis 2015 dans les bassins amont cévenols (de socle) de la Cèze et du Gardon. Cette démarche a été réalisée dans le cadre paradigmatique d’une science impliquée qui associe, les gestionnaires, les politiques, la population et les chercheurs. Cet arrière-plan a été développé dans le programme dit HydroPop (2017 – 2020) qui ne sera ici évoqué que pour mémoire. Cela étant, la production de données à haute résolution d’une quinzaine de stations génère une masse d’informations importante et en accroissement constant. Ceci a conduit à imaginer une base de données relationnelle dite HydroSec. Celle ci a pour objectif premier de conserver l’intégralité de l’information depuis les mesures faites par les sondes (Pression, température…) jusqu’aux données exploitables dans l’étude de différentes questions (débits…). Cet outil étant globalement disponible, l’étape suivante a consisté à définir la sécheresse non plus comme un strict phénomène hydrologique (basses eaux), mais comme un problème sociétal (tension entre l’offre et la demande anthropique en eau sur un territoire — une commune, un canton, etc. — en un temps donné : semaine, mois). Certains éléments de cette posture de recherche seront analysés dans la communication proposée, en particulier le fait que ce choix épistémologique permet d’envisager le niveau et l’évolution de la tension sur la ressource en eau à partir de probabilités déterminées sur les variables de l’offre et sur celles de la demande anthropique. Il n’est donc plus question de faire les classiques bilans de masse, mais de conjoindre des distributions de probabilité, de travailler sur des probabilités conditionnelles (sachant la probabilité de A, quelle est la probabilité de B ? Connaissant le niveau des précipitations, de telle ou telle variable, quelle est la probabilité que la tension sur la ressource en eau dans tel canton, à tel moment, soit forte ?). Cette approche conduit tout naturellement à se placer dans un cadre bayésien. On fera donc la présentation d’une modélisation conceptuelle bayésienne en cours de développement informatique. Ceci implique de sélectionner des variables naturelles (pluie, température, débit…) et anthropiques (irrigation, AEP, eau ludique…) à probabiliser. Toutefois ces variables doivent être, peuvent être, transformées avant d’être injectées dans le modèle bayésien, dans les réseaux bayésiens qui sont les outils structurels (graphe acyclique…) de calcul des concaténations des distributions de probabilité. En d’autres termes, il apparait utile, en amont des calculs bayésiens sur les probabilités conditionnelles, de développer des modélisations ou des calculs particuliers afin de disposer, dans les distributions de probabilité, d’informations aussi spécifiques et opérationnelles que possible. Dans cet état d’esprit nous avons modélisé les périodes sans pluies sous un certain seuil (0 mm, 1 mm, 3 mm…), mais aussi avons travaillé sur la phase de bas débits et proposé ce que nous appelons des échelles GraviSec (de gravité de la sécheresse) qui rendent compte localement (pour un tronçon de rivière), par un système de code couleurs et de notes, du niveau du débit d’une rivière en fonction de l’analyse statistique parétienne qui peut être faite des données disponibles et relatives aux années précédentes. Le texte développera cette nouvelle méthodologie testée dans le programme HydroPop. Au final l’objectif est donc de mettre à disposition des gestionnaires de bassins de montagnes méditerranéennes, dans un premier temps, un outil -1- de conservation de l’intégralité de l’information de terrain collectée, et -2- de traitement de cette information, pour, par exemple, évaluer la tension sur la ressource en eau, mais ce pourrait être bien d’autres facettes de ces territoires de montagne au travers de modules spécifiques. On peut penser par exemple aux possibilités de stockage d’eau, etc.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)