Thèse (Ph.D.) -- Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 273-300. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Mémoire de licence. / En annexes, recueil de documents en latin. Bibliogr. p. 223-233. Index.

L'intérêt principal des canaux d'irrigation est d'assurer une bonne distribution de l'eau aux usagers tout en préservant la ressource en eau. L'automatisation des ouvrages de régulation des canaux a largement contribué à l'amélioration de la gestion de l'eau. La commande automatique d'un canal consiste à agir sur l'ouverture et la fermeture des vannes suivant les données issues des différents instruments de mesures placés sur le canal. Le bon déroulement du processus de commande exige que ces mesures soient fiables. En pratique, ces mesures sont souvent entachées de bruits ou encore d'erreurs. Ces erreurs sont généralement l'effet de défauts dans les capteurs ou actionneurs. Il est par conséquent impératif de munir le canal d'un système de supervision permettant de détecter et de localiser ces défauts.<br /><br />Nous développons dès lors une méthodologie de détection et de localisation des défauts dans les canaux d'irrigation. Cette méthodologie s'appuie sur les techniques de réconciliation de données et de diagnostic à base d'observateurs. La première partie est consacrée à l'application de la réconciliation de données sur un site réel du Canal de Gignac. Les canaux d'irrigation étant des systèmes à retards, la deuxième partie de ce travail porte sur l'extension des méthodes de diagnostic à base d'observateurs pour systèmes à retards.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Digiplante au laboratoire MAS de l'École Centrale Paris, en collaboration avec l'unité de recherche G-eau au sein de l'IRSTEA. Dans un contexte de raréfaction de la ressource en eau, il est important de mieux valoriser l'usage de l'eau dans la production agricole. Pour la conception d'outils d'aide à la décision pour les agriculteurs ou les gestionnaires agricoles, il est nécessaire de développer une démarche quantitative permettant de décrire l'interaction de la ressource en eau avec la production végétale. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse multidisciplinaire est de proposer une méthodologie basée sur la modélisation de l'interaction plante-sol-atmosphère par couplage de modèles et sur le contrôle optimal pour gérer les stratégies d'irrigation. La première contribution de cette thèse consiste en le développement et l'étude de modèles couplés plante-sol, à différentes échelles. A titre de comparaison avec le modèle Pilote qui simule le rendement en se basant sur l'indice de récolte et la description empirique de l'indice foliaire LAI, on a proposé deux autres niveaux de modélisation pour la partie plante, ainsi que leur couplages avec le module sol de Pilote. D'une part, on a introduit un modèle par compartiments qui permet à la fois une gestion plus fine de l'allocation et une meilleure adaptation aux données expérimentales. D'autre part, le couplage a aussi été effectué avec le modèle GreenLab qui décrit la croissance architecturale de la plante. Ceci a nécessité le développement d'une version continue de GreenLab qui facilite en particulier l'intégration de l'effet du stress hydrique. Un jeu de données expérimentales a permis la paramétrisation de ces modèles, sous différents régimes d'irrigation et donc différents niveaux de stress hydrique. La deuxième contribution majeure a été le développement d'un cadre méthodologique pour le contrôle optimal des apports d'eau, dans le cas déterministe et le cas stochastique. La résolution proposée est basée sur la programmation dynamique qui permet de traiter différentes formulations du critère à optimiser, sans contraintes ou avec contraintes (par exemple logistiques ou réglementaires, comme les quotas d'irrigation). Une version itérative de l'algorithme a également été proposée afin d'améliorer la performance de la résolution numérique, mais également afin de pouvoir gérer les systèmes dynamiques à retards (qui peuvent apparaître pour certaines formulations du processus de sénescence dans les modèles de croissance). Notre méthodologie générique a pu être appliquée pour des problématiques concrètes, et permet d'envisager l'élaboration d'outils d'aide à la décision en agriculture afin de gérer les ressources en eau de façon plus efficace.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Digiplante au laboratoire MAS de l’École Centrale Paris, en collaboration avec l'unité de recherche G-eau au sein de l'IRSTEA. Dans un contexte de raréfaction de la ressource en eau, il est important de mieux valoriser l'usage de l'eau dans la production agricole. Pour la conception d'outils d'aide à la décision pour les agriculteurs ou les gestionnaires agricoles, il est nécessaire de développer une démarche quantitative permettant de décrire l'interaction de la ressource en eau avec la production végétale. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse multidisciplinaire est de proposer une méthodologie basée sur la modélisation de l'interaction plante-sol-atmosphère par couplage de modèles et sur le contrôle optimal pour gérer les stratégies d'irrigation. La première contribution de cette thèse consiste en le développement et l'étude de modèles couplés plante-sol, à différentes échelles. A titre de comparaison avec le modèle Pilote qui simule le rendement en se basant sur l'indice de récolte et la description empirique de l'indice foliaire LAI, on a proposé deux autres niveaux de modélisation pour la partie plante, ainsi que leur couplages avec le module sol de Pilote. D'une part, on a introduit un modèle par compartiments qui permet à la fois une gestion plus fine de l'allocation et une meilleure adaptation aux données expérimentales. D'autre part, le couplage a aussi été effectué avec le modèle GreenLab qui décrit la croissance architecturale de la plante. Ceci a nécessité le développement d'une version continue de GreenLab qui facilite en particulier l'intégration de l'effet du stress hydrique. Un jeu de données expérimentales a permis la paramétrisation de ces modèles, sous différents régimes d'irrigation et donc différents niveaux de stress hydrique. La deuxième contribution majeure a été le développement d'un cadre méthodologique pour le contrôle optimal des apports d'eau, dans le cas déterministe et le cas stochastique. La résolution proposée est basée sur la programmation dynamique qui permet de traiter différentes formulations du critère à optimiser, sans contraintes ou avec contraintes (par exemple logistiques ou réglementaires, comme les quotas d'irrigation). Une version itérative de l'algorithme a également été proposée afin d'améliorer la performance de la résolution numérique, mais également afin de pouvoir gérer les systèmes dynamiques à retards (qui peuvent apparaître pour certaines formulations du processus de sénescence dans les modèles de croissance). Notre méthodologie générique a pu être appliquée pour des problématiques concrètes, et permet d'envisager l'élaboration d'outils d'aide à la décision en agriculture afin de gérer les ressources en eau de façon plus efficace. / This thesis is part of the project Digiplante in the MAS laboratory of Ecole Centrale Paris, in collaboration with the research unit G-water in the IRSTEA. In a context of scarcity of water resources, it is important to better promote the use of water in agricultural production. When designing decision support tools for farmers or farm managers, it is necessary to develop a quantitative approach to describe the interaction of water resources with crop production. In this context, the objective of this thesis is to propose a multidisciplinary methodology based on modeling the soilplant- atmosphere interaction with coupled models and on the strategy optimization for managing irrigation. The first contribution of this thesis is the development and study of plant-soil coupled models at different scales. In comparison with the Pilote model that simulates the crop yield based on the harvest index and the empirical description of the leaf area index LAI, we proposed two other levels of modeling for the plant part and their coupling with the soil module of Pilote. On the one hand, we have introduced a compartment model which allows both a finer management of the allocation and better adaptation to the experimental data. On the other hand, the coupling was also carried out with the GreenLab model which describes the architectural growth of the plant. This has necessitated the development of a continuous version of GreenLab which facilitates in particular the integration of the effect of water stress. A set of experimental data has allowed the parametrization of these models under different irrigation regimes and thus different levels of water stress. The second major contribution was the development of a methodological framework for the optimal control of water supplies in both deterministic and stochastic case. The proposed resolution is based on dynamic programming that can handle different optimization criterion either without or under constraints (for example regulatory or logistical constraints, such as irrigation quotas). An iterative version of the dynamic programming algorithm has also been proposed to improve the performance of the numerical solution, but also in order to deal with dynamical systems with delay (which can occur in some formulations of senescence in growth models). Our generic methodology could be applied to concrete problems, and allows the development of decision support tools in agriculture for a more efficient water resources management.

L'irrigation occupe une place très importante dans la société et l'économie chinoises. Toutefois, dans plusieurs régions de la Chine, notamment dans la Plaine du Nord, la pratique même de l'agriculture irriguée est remise en question. En effet, depuis le début des années 1970, la Chine fait face à une grave pénurie d'eau qui menace son développement et son environnement. À mesure que la pénurie s'intensifie, le secteur agricole résiste de plus en plus difficilement aux pressions des secteurs industriel et domestique qui exigent des parts croissantes des ressources en eau du pays. Paradoxalement, l'utilisation faite de l'eau dans le secteur agricole reste pour le moins extensive. Par conséquent, la rationalisation des modes de consommation d'eau des usagers agricoles constitue un élément indispensable dans la résolution du problème de pénurie d'eau. Conscient de la gravité du problème, le gouvernement chinois élaborait au début des années 1990 une série de programmes visant à réformer le processus de gestion de l'eau en milieu rural. Aujourd'hui, cette réforme s'appuie principalement sur la consolidation du système de tarification de l'eau dans le secteur agricole, ainsi que sur l'institutionnalisation d'un système de gestion local des eaux d'irrigation. Par cette réforme, l'État entend, d'une part, assurer le financement des agences d'irrigation, et d'autre part, inciter les usagers à adopter des pratiques plus responsables en favorisant le transfert de droits de gestion aux collectivités locales. L'objectif de cette thèse consiste à comprendre la nature des arrangements institutionnels adoptés dans le cadre de la réforme des systèmes d'irrigation en Chine. Pour ce faire, cette recherche repose sur l'utilisation du cadre d'analyse institutionnelle développé par E. Ostrom du Centre de politiques environnementales de l'Université d'Indiana. L'application de ce cadre sous-entend la présentation des attributs contextuels, la décomposition de l'espace décisionnel, l'étude des changements institutionnels, l'analyse des schémas d'interaction et l'évaluation des performances institutionnelles. Quant aux données utilisées pour cette recherche, elles proviennent de plusieurs sources et ont été rassemblées au moyen de différentes techniques, dont une revue de littérature, une analyse de contenu, d'observations sur le terrain et d'entrevues de recherche.

La thèse explore l’utilisation de modèles hydrologiques globaux pour estimer la disponibilité en eau agricole dans le contexte des Andes chiliennes semi-arides. Dans cette région, l’approvisionnement en eau des cultures irriguées de fonds de vallée durant l’été dépend de précipitations se produisant sous forme de neige à haute altitude lors de quelques évènements hivernaux. L’influence des phénomènes ENSO et PDO induit par ailleurs une forte variabilité climatique à l’échelle inter-annuelle, marquée par l’occurrence d’années extrêmement sèches ou humides. La région connaît aussi depuis les années 1980 une progression importante de la viticulture irriguée. Afin de prendre en compte les variations saisonnières et inter-annuelles de la disponibilité et de la consommation en eau d’irrigation, une chaîne de modélisation intégrée a été développée et différentes méthodes de quantification/réduction des incertitudes de simulation ont été mises en œuvre. Les écoulements naturels ont été simulés avec un modèle hydrologique global de type empirique/conceptuel prenant en compte les processus d’accumulation et d’ablation de la neige. En parallèle, les besoins en eau d’irrigation ont été estimés à l’échelle du bassin à partir de modèles phénologiques orientés processus et d’une approche simple du bilan hydrique du sol. Dans l’ensemble, une approche holistique et parcimonieuse a été privilégiée afin de maintenir un niveau d’abstraction mathématique et de représentation des processus équivalent à celui des modèles de bassin couramment utilisés. Afin d’améliorer l’utilité et la fiabilité des simulations obtenues en contexte de changement ou de forte variabilité climatique, l’effet des températures extrêmes sur le développement des cultures et l’impact des pertes en eau par sublimation à haute altitude ont fait l’objet d’une attention particulière. Ce cadre de modélisation conceptuel a été testé pour un bassin typique des Andes semi-arides (1512 km2, 820–5500 m a.s.l.) sur une période de 20 ans incluant une large gamme de conditions climatiques et des pratiques agricoles non-stationnaires (évolution des variétés de vigne, des surfaces et modes d’irrigation, etc). L’évaluation des modèles a été réalisée dans un cadre bayésien en faisant l’hypothèse d’erreurs auto-corrélées, hétéroscédastiques et non-gaussiennes. Différents critères et sources de données ont par ailleurs été mobilisés afin de vérifier l’efficacité et la cohérence interne de la chaîne de modélisation ainsi que la fiabilité statistique et la finesse des intervalles de confiance obtenus. De manière alternative, une caractérisation des erreurs de structure et de l’ambiguïté propre au choix du modèle hydrologique a été réalisée de manière non-probabiliste à partir d’une plate-forme de modélisation modulaire. Dans l’ensemble, la prise en compte explicite de la consommation en eau des cultures a mis en valeur certaines interactions entre paramètres hydrologiques et permis d’améliorer la fiabilité des simulations hydrologiques en année sèche. Finalement, une étude de sensibilité à différents seuils d’augmentation de la température et de la concentration en CO2 a été effectuée afin d’évaluer l’impact potentiel des changements climatiques sur le comportement de l’hydrosystème et la capacité à satisfaire la demande en eau d’irrigation dans le futur. / This thesis investigates the use of lumped catchment models to assess water availability for irrigation in the upland areas of northern-central Chile (30°S). Here, most of the annual water supply falls as snow in the high Cordillera during a few winter storms. Seasonal snowpacks serve as natural reservoirs, accumulating water during the winter and sustaining streams and aquifers during the summer, when irrigation demand in the cultivated valleys is at its peak. At the inter-annual timescale, the influence of ENSO and PDO phenomena result in the occurrence of extremely wet and dry years. Also, irrigated areas and grape growing have achieved a dramatic increase since the early 1980s. To evaluate the usefulness of explicitly accounting for changes in irrigation water-use in lumped catchment models, an integrated modeling framework was developed and different ways of quantifying/reducing model uncertainty were explored. Natural streamflow was simulated using an empirical hydrological model and a snowmelt routine. In parallel, seasonal and inter-annual variations in irrigation requirements were estimated using several process-based phenological models and a simple soil-water balance approach. Overall, this resulted in a low-dimensional, holistic approach based on the same level of mathematical abstraction and process representation as in most commonly-used catchment models. To improve model reliability and usefulness under varying or changing climate conditions, particular attention was paid to the effects of extreme temperatures on crop phenology and the contribution of sublimation losses to water balance at high elevations. This conceptual framework was tested in a typical semi-arid Andean catchment (1512 km2, 820–5500 m a.s.l.) over a 20–year simulation period encompassing a wide range of climate and water-use conditions (changes in grape varieties, irrigated areas, irrigation techniques). Model evaluation was performed from a Bayesian perspective assuming auto-correlated, heteroscedastic and non-gaussian residuals. Different criteria and data sources were used to verify model assumptions in terms of efficiency, internal consistency, statistical reliability and sharpness of the predictive uncertainty bands. Alternatively, a multiple-hypothesis and multi-criteria modeling framework was also developed to quantify the importance of model non-uniqueness and structural inadequacy from a non-probabilistic perspective. On the whole, incorporating the effects of irrigation water-use led to new interactions between the hydrological parameters of the modeling framework and improved reliability of streamflow predictions during low-flow periods. Finally, a sensitivity analysis to changes in climate conditions was conducted to evaluate the potential impacts of increasing temperatures and atmospheric CO2 on the hydrological behavior of the catchment and the capacity to meet future water demands.

Ce travail concerne la commande optimale robuste des systèmes hydrauliques à surface libre<br />(canaux d'irrigation). Nous nous sommes intéressés à deux approches de synthèse de<br />commande optimale. La première approche consiste à synthétiser une loi de commande<br />optimale LQG /H2-LTR (de dimension finie) avec pondérations fréquentielles robuste vis-àvis<br />des erreurs engendrées par la réduction à un modèle de dimension finie des équations de<br />Saint Venant. Le modèle réduit est obtenu par collocation orthogonale à partir du modèle<br />linéarisé tangent de Saint Venant. Un observateur est également proposé qui permet de<br />reconstruire l'état du système à partir des seuls états mesurés à l'amont et à l'aval de chaque<br />bief. Le régulateur optimal robuste et l'observateur ont été testés sur différents modèles de<br />référence ainsi que sur un micro-canal expérimental réel. Ils sont comparés aux résultats<br />obtenus par d'autres méthodes de régulation connues. La seconde approche de synthèse<br />consiste à faire l'approximation en dimension finie d'une loi de commande (de dimension<br />infinie) obtenue à partir des équations de Saint Venant linéarisées mais non réduites. Nous<br />présentons dans ce rapport des résultats liés à l'analyse et à la synthèse du régulateur optimal<br />LQ en dimension infinie appliquée aux équations de Saint Venant. Nous décrivons ensuite le<br />moyen d'obtenir une approximation en dimension finie du régulateur LQ sur la base de<br />l'équation de Riccati d'opérateurs associée au problème.

La Commande prédictive ou Commande Optimale à Horizon Glissant (COHG) devient de plus en plus populaire dans de nombreuses applications pratiques en raison de ses avantages importants tels que la stabilisation et la prise en compte des contraintes. Elle a été bien étudiée pour des systèmes en dimension finie même dans le cas non linéaire. Cependant, son extension aux systèmes en dimension infinie n'a pas retenu beaucoup d'attention de la part des chercheurs. Ce travail de thèse apporte des contributions à l'application de cette approche aux systèmes de lois de conservation. Nous présentons tout d'abord une preuve de stabilité complète de la COHG pour certaines classes de systèmes en dimension infinie. Ce résultat est ensuite utilisé pour les systèmes hyperboliques 2x2 commandés aux frontières et appliqué à un problème de contrôle de canal d'irrigation. Nous proposons aussi l'extension de cette stratégie au cas de réseaux de systèmes hyperboliques 2x2 en cascade avec une application à un ensemble de canaux d'irrigation connectés. Nous étudions également les avantages de la COHG dans le contexte des systèmes non linéaires et semi-linéaires notamment vis-à-vis des chocs. Toutes les analyses théoriques sont validées par simulation afin d'illustrer l'efficacité de l'approche proposée.

Promue comme la technique d'irrigation en théorie la plus efficiente, et mise à contribution pour régler les grandes crises d'eau, le goutte à goutte se diffuse très rapidement de par le monde. La perspective d'une technique étudiée en station expérimentale, sans utilisateurs, et en définitive idéalisée, nous a d'emblée interpellé. Rejetant une vision normative du goutte à goutte (ce qu'il devrait être/faire), nous l'avons étudié en pratique, en interactions avec une multitude d'acteurs (ce qu'est le goutte à goutte et ce qu'il fait et pour qui). Notre objectif est d'analyser comment la pratique de cette innovation technique a changé la technologie et les trajectoires socioprofessionnelles des acteurs, et l'impact sur les efficiences d'irrigation. Nous montrons comment les acteurs locaux ont pris le contrôle de l'innovation, et des responsabilités dans des domaines que l'on pensait réservés aux ingénieurs dans la production, l'utilisation et la diffusion de l'innovation. Ces initiatives locales croisent et renforcent les programmes étatiques de développement du goutte à goutte. La technologie a séduit un grand nombre d'acteurs non-conventionnels qui ont changé la technologie, mais ont changé aussi eux-mêmes. La diffusion réussie du goutte à goutte assure leur promotion socioprofessionnelle, et à leur tour ils vont attirer d'autres utilisateurs dans le monde du goutte à goutte. C'est là où se résume la force du goutte à goutte comme objet technique autour duquel de puissants réseaux sociotechniques se sont construits. Le bricolage a permis la conception de systèmes plus adaptés aux conditions locales, mais aussi un apprentissage de la technique pour apprivoiser le changement. D'une technologie importée accessible à une minorité de grands agriculteurs, une pluralité de systèmes de goutte à goutte de proximité sont désormais accessibles au plus grand nombre. Enfin, les performances d'irrigation de ces systèmes sont hétérogènes, certains agriculteurs irriguant 3-4 fois plus que les volumes nécessaires aux besoins de la culture. Ces performances peuvent être expliquées par des pratiques d'irrigation favorisant le confort hydrique de la plante, traduisant ainsi les logiques des acteurs. Aujourd'hui, « l'économie d'eau » est un objectif irréalisable, qui n'est prioritaire pour aucun des acteurs, y compris l'Etat-promoteur. Nous concluons qu'il serait intéressant de mobiliser les acteurs non-conventionnels pour en faire des alliés pour intégrer le concept d'économie d'eau sur le terrain auprès des utilisateurs. / Abstract Promoted as the most efficient irrigation technology, able to contribute to solving the major current water crises, drip irrigation spreads quickly throughout the world. The perspective of an idealized technology with a theoretical efficiency studied in experimental stations without users struck us immediately. Rejecting a normative view of drip irrigation (what it should be/do), we studied it in practice, interacting with a multitude of actors focusing on what it does and for whom. Our objective is to analyse how the practice of this technical innovation has changed the technology and the socio-professional pathways of different actors involved in drip irrigation, and analyse the impact on actual irrigation efficiencies. We show how local actors took control of the innovation taking responsibility in spheres once thought reserved for engineers in the production, use and dissemination of innovation. These local initiatives crossed and strengthened state development programs promoting drip irrigation. The technology attracted a large number of non-conventional actors who changed the technology, but also changed themselves. The successful diffusion of drip irrigation ensures their socio-professional promotion, and they in turn will attract more users to the world of drip irrigation. This constitutes the strength of drip irrigation, which is a technical object around which powerful socio-technical networks were built. Bricolage helped design systems better suited to local conditions, but was also a learning process to incorporate change. From an imported technology accessible to a minority of large farmers, a plurality of drip systems is now accessible for a wide diversity of farmers. Finally, the performance of irrigation systems is heterogeneous, some farmers irrigating 3-4 times the volume necessary for crop water requirements. This performance can be explained by irrigation practices favouring a water comfort to crops, reflecting the logic of the actors. Today, "water saving" is an unattainable goal, as it is not a priority for any of the actors, including the state. We conclude that it would be interesting to engage non-conventional actors as allies in order to promote the concept of water saving on the field with users.