Quali.Net : outil d analyse statistique et multicritère des données sur les eaux souterraines

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1 Auteurs : Quali.Net : outil d analyse statistique et multicritère des données sur les eaux souterraines Claire Ritaly : Olivier Sedan Miegemolle : Nolwenn Croiset : Maïa Akopian : Agence de l Eau Seine-Normandie 51 rue Salvador Allende Nanterre BRGM 3 avenue Claude-Guillemin Orléans Public visé : Tout public Logiciel Esri : ArcGIS Thématique : Eaux souterraines Mots-clés : ADES, bases de données, C#, couplage, Directive Cadre sur l Eau, état chimique, état quantitatif, ODBC, PostgreSQL, programmation, R, traitements statistiques, Visual Studio Résumé : La Directive Cadre sur l Eau (DCE) fixe un certain nombre d objectifs aux Etats membres de l Union Européenne dans le but de préserver la qualité des milieux aquatiques et des eaux de consommation humaine. Elle requiert, en particulier, que toutes les eaux souterraines atteignent ou maintiennent un bon état chimique et quantitatif pour 2015 avec des dérogations possibles en 2021 et Ces états doivent être évalués sur la base d une analyse statistique et rapportés à l Europe lors de chaque cycle DCE ( , et ). Pour simplifier ces traitements, chronophages manuellement, un outil de calculs statistiques et multicritère couplé R-SIG, «Quali.Net», est en cours de finalisation entre l AESN et le BRGM. Les calculs statistiques sont codés sous R, et sollicitent les données disponibles dans un clone de la base de données nationale sur les eaux souterraines, ADES ( géré par PostgreSQL 9.3. L interface de l outil est celle d ArcGIS, ce qui permet d utiliser toutes ses commandes. De plus, un large panel de sélections est possible en entrée : sélection géographique ou par attributs, paramètres à prendre en compte, calculs statistiques, période de calculs et listes des valeurs seuil. Les résultats sont visualisables directement sur la carte, mais peuvent aussi être exportés dans un fichier texte. 1

2 Objectifs de l outil Quali.Net Les eaux souterraines sont une ressource essentielle dont l utilisation principale est l alimentation en eau potable (76% de l usage sur le bassin Seine-Normandie). Afin de veiller à leur bonne gestion et à la préservation de leur qualité, la Directive Cadre sur l Eau (DCE) impose l atteinte ou le maintien du bon état chimique et quantitatif d ici 2015, avec des reports de délai possibles jusqu à 2021 ou Ainsi, chaque cycle de la DCE, d une durée de six ans ( , et ), nécessite une réévaluation de l état des eaux souterraines basée sur l analyse de l état chimique et de l état quantitatif et des risques de non atteinte du bon état. Cette analyse mobilise principalement les données de qualité et de prélèvements des eaux souterraines sur le bassin Seine-Normandie. Les traitements statistiques s effectuent sur des bases de données volumineuses : par exemple, sur la période 2007 à 2013, il a fallu traiter plus de 6 millions de données de qualité. Il est donc indispensable d automatiser les calculs en considérant différentes échelles spatiales pour la sélection des données en entrée, ainsi que les étapes de correction et de contrôles de cohérence de ces données. C est dans ce contexte qu a été mis en place un outil d analyse statistique des données déposées dans la base nationale relative aux eaux souterraines, ADES ( L outil, «Quali.net», effectue les calculs statistiques avec le logiciel R et est accessible via une interface réalisée avec ArcGIS («complément» ou «Add-In»). Cette interface permet la visualisation et la sélection aisée des données au départ et l affichage direct des résultats. Présentation de l interface utilisateur Figure 1 : Aperçu de l interface utilisateur L environnement de l outil est composé de la table des matières comportant les couches cartographiques à gauche, ainsi que de la carte au centre. Toutes les commandes d ArcGIS peuvent être utilisées. Des onglets ont été ajoutés dans la partie basse de la fenêtre. L utilisateur peut ainsi définir : - les points à prendre en compte via les outils de sélection d ArcGIS : sélection géographique ou par attributs (ex. le bassin Seine-Normandie en totalité, la masse d eau souterraine, le secteur ou la région) ; 2

3 - les paramètres à étudier qui peuvent être sélectionnés à partir d une liste déroulante ou grâce à des listes prédéfinies par défaut (ex : pesticides, paramètres physico-chimiques, liste DCE ) ou créées par l utilisateur ; - les calculs statistiques à effectuer : moyennes, fréquence de dépassement de valeurs seuil, calculs de tendances et de ruptures et calcul d indicateurs à partir des métriques précédemment citées ; - la période de calcul ; - les valeurs seuil utilisées pour le calcul des métriques. Les valeurs à prendre en compte peuvent être indiquées à l échelle du bassin, du point, du secteur de masse d eau ou de la masse d eau. Une liste de valeurs seuil est proposée par défaut mais peut être modifiée par l utilisateur (ex. si besoin d appliquer des concentrations plus élevées à cause du fond géochimique). La majorité des données de qualité des eaux souterraines ont des caractéristiques qui rendent peu puissants ou même inapplicables certains tests statistiques (données peu nombreuses, non régulièrement échantillonnées, souvent autocorrélées et non-normalement distribuées, présentant fréquemment des données censurées - inférieures à une limite de quantification). Les méthodes statistiques intégrées dans l outil et les conditions d utilisation des tests ont été décrites dans une étude sur les «Méthodes statistiques d identification des tendances des séries temporelles existantes et leur applicabilité au domaine des eaux souterraines» (RP FR). Un schéma décisionnel est établi permettant que le test le plus adapté aux caractéristiques de chaque chronique soit appliqué. Quali.Net intègre, en outre, des contrôles de cohérence et de correction de la base de données. Par exemple, les doublons sont corrigés, les données présentant manifestement des erreurs d unité sont écartées, les paramètres correspondant à la somme de plusieurs éléments sont recalculés. Une fois les calculs lancés, l utilisateur peut basculer sur un écran de visualisation cartographique des résultats. L affichage dépend des métriques calculées. Les résultats sont exportables sous format texte. Figure 2 : Aperçu des résultats pour le test sur la qualité générale sur la masse d'eau du Bajo-Bathonien de la plaine de Caen pour l'atrazine. 3

4 Conception de l outil Quali.Net Quali.Net a été développé sous ArcGis 10.2 pour rester pleinement compatible avec les outils SIG de l Agence de l Eau Seine-Normandie. L interface, sous forme d Add-in ArcGIS for Desktop, est développée en C#, framework.net 3.5 dans un environnement Visual Studio Les tests statistiques sont réalisés avec le logiciel R sur des données issues d une base de données PostgreSQL. Une partie du traitement est également réalisé par des requêtes SQL. Le paragraphe suivant détaille les différents outils utilisés et les modalités de communication entre eux. Quali.Net utilise les données de la base de données nationale sur les eaux souterraines, ADES ( Pour des raisons de sécurité, et notamment pour garantir l intégrité de la base ADES lors du développement, la version actuelle de l outil utilise un clone de cette base, géré par PostgreSQL 9.3 sur un serveur linux dédié. Une version réduite aux données du territoire de l agence Seine-Normandie (la base complète gère plus de 52 millions de résultats d analyses et environ 12 millions de mesures piézométriques) est également implantée sur le PC Windows de développement dans une base locale PostgreSQL 9.3. Au-delà de leur fonction de mise à disposition des données ADES, ces bases servent aux échanges entre l Add-In et le code R, par le biais de tables de travail, et stockent les résultats des traitements. La base locale est utilisée lorsque le poste de traitement ne peut se connecter au réseau. Les calculs statistiques sont réalisés sous R, un logiciel de traitement de données et d analyse statistique libre et très largement utilisé par la communauté scientifique. R est un langage interprété, qui, en plus de sa version de base qui permet de réaliser un bon nombre de traitements statistiques, a développé de très nombreuses librairies (distribuées par le biais de «packages») mises à disposition de la communauté. Les développements R ont été réalisés dans un environnement RStudio, l interfaçage avec la base de données se faisant via le middleware ODBC via la librairie RODBC. L interfaçage C# / PostgreSQL se fait également en ODBC. Le code C# de l Add-in communique avec R grâce à R.Net 1.3 ( Les figures 3 et 4 schématisent les mécanismes et interactions entre l Add-in ArcGIS, la base PostgreSQL et les scripts R. 4

5 Figure 3 : Mécanismes de mise en œuvre des traitements statistiques Figure 4 : Mécanismes d exploitation des traitements statistiques 5

6 Avantages d un tel outil et perspectives L outil Quali.Net est donc un outil d analyse statistique conçu pour l évaluation des états chimique et quantitatif des eaux souterraines. Son utilisation est rendue aisée par le pilotage via l interface ArcGIS et toutes ses fonctions, ainsi que la facilité d importer de nouvelles couches cartographiques et de nouvelles listes de paramètres automatiquement prises en compte. Pour la réalisation des calculs, Quali.Net offre à l utilisateur la possibilité de choisir un grand nombre de critères en entrée. L affichage des résultats directement sur la carte permet un contrôle visuel rapide de vraisemblance. Les données en sortie peuvent aussi être exportées dans un fichier texte. En vue d améliorer Quali.Net, il est prévu de ne plus utiliser le clone d ADES pour les données en entrée, et de passer directement par la banque de données en ligne. La gestion de l évolution permanente des différents logiciels utilisés pour la conception de l outil est une difficulté importante. L évolution vers une application web est une piste envisagée afin de faciliter la diffusion de l outil. 6

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