Couplage agronomie hydrologie dans le modèle intégré des hydrosystèmes Eau-dyssée

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1 Couplage agronomie hydrologie dans le modèle intégré des hydrosystèmes Eau-dyssée F. Habets 1 *, W. Queyrel 1, H. Blanchoud 1, E. Guigon 1, M. Launay 2, D. Ripoche 2, P. Bernard 2, P. Viennot 3, N. Flipo 3, P. Goblet 3, E. Ledoux 3, B. Mary 4, N. Beaudoin 4, J. Tournebize 5, P.A. Jayet 6, E. Martin 7, C. Mignolet 8, C. Schott 8, T. Morel 9 1 UMR Sisyphe, 2 INRA, AgroClim 3 Centre de Géosciences, 4 INRA Agro-Impact 5 CEMAGREF, 6 INRA Economie Publique 7 CNRM-GAME 8 INRA SAD 9 CERFACS 1. Historique du couplage agro-hydrologique sur la Seine 2. Développement du modèle intégré Eau-dyssée 3. Palm_Parasol pour faciliter la spatialisation de Stics

2 1.Historique Modélisation agro-hydrologique de la Seine Modélisation de la contamination des nappes de la Seine par les nitrates Reconstitution de l historique des pratiques agricoles sur la Seine sur une période de 30 ans (Mignolet et al., Stoten 2007) Modélisation avec Stics des quantités de nitrate lixiviées ( spatialisation de stics v4) Modélisation des transferts des nitrates dans l hydrosystème Seine avec le modèle hydrogéologique MODCOU (Gomez et al, Houille Blanche 2003, Viennot et al,piren Seine, 2007 Ledoux et al, Stoten 2007) Modélisation de l irrigation Modélisation des prélèvements en nappe (Viennot Diren Ile de France 2007)

3 1.Historique Application hydrogéologique MODCOU sur Le bassin de la Seine

4 1.Historique Principe du couplage STICS-MODCOU MODSUR Bilan hydrique QI, QR Couplage Qi, CN NONSAT zone non saturée QI,CN STICS Flux d azote MODCOU Écoulement en nappes et en rivières NEWSAM Écoulement et transport en nappe

5 1.Historique L étude de la contamination nitrique du bassin de la Seine Résultats de la simulation STICS-MODCOU bonne restitution des observations en moyenne erreurs locales importantes Viennot et al., Piren 2007

6 1.Historique impacts des prélèvements de l irrigation estimés par Stics Volumes prélevés en nappe pour l'agriculture Moyenne (m3) km Volumes prélevés en nappe pour l agriculture (moyenne 1997/2001) 92 Mm Viennot et al., Diren 2007

7 1.Historique Études des impacts des prélèvements de l irrigation sur la ressource en eau: Cartographie des prélèvements Rapport prélèvements agricoles/infiltration moyenne Part relative des prélèvements agricoles en nappe par rapport à l'alimentation efficace des nappes (%) Plus de 40% de la recharge km ± Viennot et al., Diren

8 1.Historique Le couplage agro-hydrologique a de multiples débouchés Quelques problèmes cependant: Conclusion des précédentes études Stics et Modcou sont connectés en mode forcé et pas couplé Impossible de prendre en compte une interaction La spatialisation de Stics v4 a nécessité des modifications du code et l application STICS-MODCOU est peu évolutive Développement du projet Eau-dyssée: modélisation intégrée des hydrosystèmes

9 Développement d une modélisation intégrée des hydrosystèmes Basé sur le couplage de modèles disciplinaires Permettant une réel interaction entre les modèles Conservant des capacités d évolution (couplage non intrusif) Numériquement performant (calcul parallèle) Utilisation du coupleur externe: Première étape: couplage entre les modèles Hydrogéologique Agronomique Economique Atmosphérique MODCOU Stics AROPA-j ISBA

10 Développement d une modélisation intégrée des hydrosystèmes Basé sur le couplage de modèles disciplinaires Permettant une réel interaction entre les modèles Conservant des capacités d évolution (couplage non intrusif) Numériquement performant (calcul parallèle) Utilisation du coupleur externe: Première étape: couplage entre les modèles Hydrogéologique Agronomique Economique Atmosphérique MODCOU Stics AROPA-j ISBA Développement d une version modularisée 1 ière étape: modularisation de MODCOU

11 Version modularisée et Palmée du modèle hydrologique Hauteur d eau en rivière Bilan Hydrique Écoulement en rivière Transfert Zone non saturée Transfert vers la rivière Écoulement en nappe Recodage en Fortran 90 (vectorisation, Allocation dynamique) Échanges entre modules par instruction Palm put get Interactions possibles Calcul parallèle Transport convective en nappe

12 Couplage avec le modèle agronomique Stics (en cours) Hauteur d eau en rivière Bilan Hydrique Transfert Zone non saturée Transfert vers la rivière Estimation de la lixiviation Gestion de l irrigation Écoulement en rivière Écoulement en nappe Transport convective en nappe

13 Etat du couplage synchrone MODCOU-F90 avec STICS v7 Limité à une parcelle agricole Capable de gérer des rotations de culture Couplage multi-processeurs Echanges synchrones, mais, limités à la gestion des pompages pour irrigation Limitation possible de l irrigation en période de stress en fonction des critères Débits Objectif d étiage ou Niveau Piézométrique d Alerte Illustration nappe du Champigny sur la Seine

14 Visualisation via PréPalm du couplage

15 Visualisation via PréPalm du couplage Echanges: Stics envoie la quantité d irrigation (m 3 /s) SAM envoie une autorisation d irriguer

16 Visualisation via PréPalm du couplage Gestion des rotations: Script shell dans branche Stics

17 Visualisation via PréPalm du couplage

18 Illustration : Cas d un pompage pour des parcelles de Maïs couvrant 100 ha

19 Illustration : Cas d un pompage pour des parcelles de Maïs couvrant 100 ha Niveau Piézométrique d Alerte théorique: NPA=102 m Simulation piézométrie sans irrigation

20 Illustration : Cas d un pompage pour des parcelles de Maïs couvrant 100 ha On débute sous la cote d alerte

21 Illustration : Cas d un pompage pour des parcelles de Maïs couvrant 100 ha Cumul des lames d eau irriguées Simulation piézométrie avec irrig

22 Illustration : Cas d un pompage pour des parcelles de Maïs couvrant 100 ha On dépasse la cote d alerte

23 Illustration : Cas d un pompage pour des parcelles de Maïs couvrant 100 ha Rajout interaction avec la nappe

24 Illustration : Cas d un pompage pour des parcelles de Maïs couvrant 100 ha Cumul des lames d eau irriguées avec prise en compte des autorisations Simulation piézométrie avec irrigation sous autorisation

25 Illustration : Cas d un pompage pour des parcelles de Maïs couvrant 100 ha Pas d irrigation car cote d alerte dépassée

26 Illustration : Cas d un pompage pour des parcelles de Maïs couvrant 100 ha Plus de dépassement de la cote d alerte

27 Développement à faire : Gérer plusieurs parcelles Stics spatialisation 2 problèmes distincts: 1. Gérer la simulation simultanée de plusieurs parcelles Stics 2. Gérer la base de données spatialisée

28 3.Palm_Parasol pour faciliter la spatialisation de Stics Problèmes: 1. Gérer la simulation simultanée de plusieurs parcelles Stics modèle 2D : paysage modèles 1D : parcelle Stics 1 Stics 2 Stics 3 n parcelles n n calculs 1D couplés au calcul 2D Stics n

29 3.Palm_Parasol pour faciliter la spatialisation de Stics Problèmes: 1. Gérer la simulation simultanée de plusieurs parcelles Stics Palm_ParaSol: Pré-processeur générant automatiquement l interface conduisant à un pool de processus Très peu intrusif dans Stics. S appuiera sur la bibliothèque MPI pour être portable et efficace, Mettra à disposition les champs de couplage en entrée et sortie Géré par l équipe de PALM du CERFACS (documentation, maintenance, évolution, formation ) n parcelles n m processeurs Parallèlisation sur m procs n m modèles 1D // p = n/m tâches parallèles Boucle sur p Palm_ParaSol La principale difficulté : définition d un schéma de communication efficace entre les modèles pour ne pas multiplier les communications entre les modèles.

30 3.Palm_Parasol pour faciliter la spatialisation de Stics Problèmes: 2. Gérer la base de données spatialisée Schott et al., Piren 2007

31 3.Palm_Parasol pour faciliter la spatialisation de Stics Problèmes: 2. Gérer la base de données spatialisée Avant (mode forcé): simulation de toutes les rotations possibles, puis estimation de la moyenne Maintenant (simulation couplée synchrone) : un seul calcul par parcelle agricole tirage aléatoire des rotations possibles sur chaque parcelle Schott et al., Piren 2007

32 Conclusion Premier couplage interactif et non intrusif STICS-MODCOU dans Eau-dyssée Besoin de passer à une version distribuée de Stics pour avoir des applications réalistes Développement de Palm-Parasol inclus dans un projet ANR