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^ S ^ Ô S {5} ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES UNIVERSITE DE PARIS-CRETEI

^ S ^ Ô S {5} ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES UNIVERSITE DE PARIS-CRETEIL ELABORATION DES CONSIGNES DE GESTION DES BARRAGES - RESERVOIRS Eric PARENT Mémoire de dissertation doctorale présenté pour l'obtention du diplôme de Docteur de l'ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES. Domaine : Environnement DECEMBRE 1991 pastel-00569481, version 1 - 25 Feb 2011 pastel-00569481, version 1 - 25 Feb 2011 ^IZL NSASW3 ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES UNIVERSITE DE PARIS-CRETEIL ELABORATION DES CONSIGNES DE GESTION DES BARRAGES - RESERVOIRS Eric PARENT Mémoire de dissertation doctorale présenté pour l'obtention du diplôme de Docteur de l'ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES. Domaine : Environnement Thèse soutenue le 13 décembre 1991 devant le jury compose de: R. POCHAT, president J. BERNER, rapporteur L. DUCKSTEIN, rapporteur P.A. ROCHE, examinateur P. HURAND. examinateur P. CAZES. examinateur E-N.P.C. DOC08418 pastel-00569481, version 1 - 25 Feb 2011 pastel-00569481, version 1 - 25 Feb 2011 S O M M A I R E Avant-Propos 2 Résumé 3 PARTIE 1: LA GESTION DES BARRAGES-RESERVOIRS 1. La gestion des barrages réservoirs 15 1.1. Un enjeu économique important 15 1.1.1. Quelques exemples 15 1.1.2. Etudes, investissement et fonctionnement 16 1.1.3. La rigidité introduite par les grands aménagements 16 1.1.4. Valeur de l'eau et rentabilité économique des améliorations de gestion 17 1.1.5. Le contrôle-commande et la gestion 18 1.2. Un contexte aléatoire 21 1.3. Des systèmes déplus en plus complexes 23 1.4. Des objectifs multiples et parfois mal définis 23 1.5 Conclusions 25 PARTIE 2: DU GESTIONNAIRE A L' HOMME D'ETUDES 1. Présentation du système Neste 30 1.1. Introduction : Un déséquilibre hydrologique 30 1.2. L'hydrologie des apports 32 1.2.1. Le régime nival de la Neste 32 1.2.2. Les régimes de type pluvial des rivières de coteaux 33 1.3. La demande en eau pour l'irrigation 34 1.4. Fonctionnement actuel 37 1.4.1. Les acteurs 37 1.4.2. Le mode opératoire 37 1.4.3. Conclusions 38 1.5. Les problèmes du système Neste : quelques chiffres .39 1.5.1. Bilan en terme de débit de transit instantané 39 1.5.2. Bilan en terme de débits hebdomadaires 39 1.5.3. Bilan en termes de volumes 41 1.5.4. Conclusions 42 2. L' exemple du barrage Seine 43 2.1 .Présentation 43 2.2.0bjectifs 43 2.3. Les données disponibles._ -o 3. Les problèmes du gestionnaire et la problématique du chargé d'études T. '. .". 46 3.1. De l'utilité de la modélisation 46 3 1 1 La situation oblige reposer le problème ae gestion -6 3 1 2 Une justification de nature scientifique Dour convaincre du bien fondé de sa politique -~ 3 1 3 L' interface entre le gestionnaire et l'homme d'étuaes 3.2. Les embûches de la modélisation 47 3.2.1. Identifier le décideur -7 3.2.2. Reconnaître les enjeux -X 3.2.3 Le piège du langage : " système". Un concept pratique en trompe-l'œil :0 pastel-00569481, version 1 - 25 Feb 2011 3.3. Le point de vue du modélisateur 52 3.3.1. Décrire au mieux la réponse du système 52 3.3.2. Respecter le processus de décision 55 3.4. Conclusions 56 PARTIE 3: DEMARCHES DE MODELISATION 1. Cadre méthodologique pour l'analyse de systèmes 60 1.1.Modélisation d'état: le cas déterministe 60 1.1.1. Système dynamique déterministe de barrages 60 1.1.2. Les commandes u 61 1.1.3. Les états du système x 61 1.1.4. La fonction d'évolution f 61 1.2. Feedback et règle de gestion 64 1.3. Modélisation d'état: le cas stochastique 65 1.3.1. L'exemple de la gestion d'un réservoir avec apports indépendants : une chaîne de Markov 65 1.3.2. Matrice de transition 66 1.3.3. Les propriétés asymptotiques des chaînes de Markov stationnaires : indices statistiques de défaillances 68 1.3.4. Formalisme général du modèle d'état en avenir incertain .69 1.3.5. Modélisation de l'aléa 71 1.3.6. Commentaires 73 1.4. Commande optimale 75 1.4.1. La fonction d'évaluation J 75 1.4.2. Le cas déterministe : principe du minimum 77 1.4.3. Le cas aléatoire: recours au gradient stochastique 78 1.4.4. Le principe de Massé-Bellman 80 1.4.5. Applications directes de la programmation dynamique 87 2. Pratiques courantes de modélisation pour la gestion de barrages 94 2.1. Le fil tendu .7... .7 94 2.2. Règles empiriques par courbe objectif de remplissage 96 2.2.1. Détail de la représentation d'un réservoir 96 2.2.2. Fonctionnement au cours de l'année 97 3. Démarches originales de modélisation pour la gestion de barrages 98 3.1. Restreindre la classe des règles de gestion 98 3.1.1. Règles linéaires 99 3.1.2. Règle paramétrée .99 3.2. Circonscrire l'aléa 100 3.2.1. La programmation dynamique par simulation de scénarios 101 3.2.2. Méthode de GAL 101 3.2.3. Programmation dynamique avec échantillonnage ! 7. 102 3.2.4. Méthode de KITANIDIS 103 3.2.5. Méthode de SAAD et TURGEON 103 3.2.6. Méthode de FANG et al 104 3.3. Introduire des risques spécifiques 104 3.3.1. Règles S et SQ avec équivalents déterministes 104 3.3.2. Transformation du risque en coût : programmation non linéaire avec fiabilité 107 4. Avantages et limites du cadre modèles d'état pour l'aide à la décision 7 .' 109 4.1. Critiques de l'utilité espérée 109 pastel-00569481, version 1 - 25 Feb 2011 4.1.1 On peut objecter qu'elle traduit mal l'attitude face au risque 110 4.1.2 L'utilité espérée impose fans le cas multicritère une vision de complète transitivité sur les préférences 110 4.2. Tableau de bord et gestion du risque 110 4.3. Retour sur le principe de Massé-Bellman 111 4.4. Quelques points sur le multicritère 113 4.5. Formulation linéaire simple 114 4.6. Programmation dynamique et compromise programming 114 4.7. Retour sur le principe de Massé-Bellman : le cas multicritère 117 PARTIE 4: MODELES LE CAS DE LA NESTE 127 1. Tentatives de modélisation mathématique du système 127 1.1. Modèle complet 127 1.1.1. Les équations de bilan 129 1.1.2. Les quantités r k (t) restantes après les prélèvements 130 1.1.3. Contraintes de capacité 130 1.2. Description globale à deux réservoirs 131 1.3. Le système aggloméré 134 1.3.1. Description du système aggloméré 134 1.3.2. Prise en compte de la contrainte de capacité du canal Neste .......135 1.3.3. Que perd-on par rapport aux modèles précédents ? 135 1.4. Hypothèses complémentaires de modélisation 136 1.4.1. Période d'analyse du système 136 1.4.2. Conditions initiales et constantes 137 1.4.3. Etat d'information du gestionnaire 137 2. Prise en compte du risque 139 2.2. Un mode opératoire qui intègre déjà le risque 139 2.2.1. Le fonctionnement normal 139 2.2.2. Le fonctionnement de pré-crise 139 2.2.3. Le fonctionnement de crise 140 2.2.4. Transition possible d'un mode de fonctionnement à un autre 140 2.3. Petit lexique du risque 140 2.4. Simulations de vidanges 141 2.5. En quête d'objectifs de gestion 142 2.5.1. Hiérarchisation des objectifs et recherche d'un compromis 2.5.2. Le respect d'une contrainte du type débit réserve ' 143 2.5.3. Modélisation de l'objectif d'irrigation 143 2.5.4. Calcul de l'indice de précrise 143 2.5.5. Satisfaction de l'objectif d'augmentation de ¡a qualité . 4~ 1-P 3. Gestion de compromis 1-h 3.1. Objectifs de gestion..... 146 3.1.1. Les objectifs d'augmentation de la quaiité 146 3.1.2. Les objectifs de satisfaction de l'irrigation 147 3.1.3. Le compromis global 147 pastel-00569481, version 1 - 25 Feb 2011 3.1.4. Optimisation avec contraintes de fiabilité 148 3.1.5. Les gains suivant les modes de fonctionnement à une période donnée 149 3.1.6. Restriction sur a et ß 149 3.2. Contraitnes et indicateurs de gestion 150 3.2.1. Les contraintes fonctionnelles 150 3.2.2. Les indicateurs de gestion 150 3.3. Analyse du système 151 3.3.1. L'état du système 151 3.3.2. Les commandes du système 151 3.3.3. Les transitions 151 3.3.4. Les équations et inéquations du système 151 3.4. Résolution du problème par programmation dynamique stochastique 152 3.4.1. Le calcul numérique.. 153 3.4.2. Contraintes de fiabilité 154 3.5. Gestion de compromis ....154 3.6. Un exemple de l'optimisation séquentielle de la fonction de Bellman 156 3.6.1. La fonction de Bellman 156 3.6.2. Les autres indicateurs: 157 4. Prise en compte des tours d'eau et modifications du modèle 160 4.1. Les modifications apportées 160 4.2. Le nouveau modèle 160 4.2.1. L' objectif général de compromis 160 4.2.1. Analyse du système 160 4.3. Exemple de tableaux de bord 161 4.4. Validation par rapport à un autre modèle 164 5. Gestion stratégique par synthèse d'une courbe de vidange type 165 5.1. Principes de la synthèse 165 5.2. Comment établir une gestion du compromis 165 5.2.1 La statistique des V.(T) 165 5.2.2 Fréquence des défaillances par rapport au débit seuil 166 5.2.3 Fréquence de défaillance par rapport au débit objectif 166 5.3. Choix d'une loi pour les débits de salubrité 167 5.4. Courbes vidanges-type VL(F, t) .....167 5.5. Prévision et calcul d'une stratégie 168 5.6. Etude de la gestion sur les chroniques passées 170 5.6.1. Année humide du type 1977 170 5.6.2. Année normale du type 1980 170 5.6.3. Année exceptionnellement sèche du type 1985 170 5.7. Conclusions partielles 171 LE CAS DE LA SEINE 172 6. Comparaison de la programmation dynamique en avenir certain avec la méthode des scénarios 172 6.1. Modèles et méthodes 1 ~2 6.1.1. Le critère de gestion 172 6.1.2. La composante hydrologique 173 6.1.3. La composante décisionnelle: 174 6.2. Résultats numériques 178 6.3.Validation des politiques de gestion en crues et soutien d'étiage 178 6.4. Discussions et conclusions 179 pastel-00569481, version 1 - 25 Feb uploads/Management/ elaboration-des-consignes-de-gestion-des-barrages 3 .pdf