Une commande robuste pour contrôler les barrages-rivières

Pour garantir un apport d’eau régulier aux cultures en période d’étiage, de nombreux pays se sont appuyés sur l’irrigation. Pourtant, les systèmes irrigués mis en place gaspillent encore trop d’eau, surtout lors de son transport de la rivière jusqu’aux champs. Xavier Litrico dans sa thèse s’est intéressé au cas des systèmes barrages-rivières fréquents dans le sud de la France. Il est parvenu à mettre au point une commande automatique des vannes du barrage ajustée aux demandes en eau des agriculteurs mais sans faire varier brutalement le débit de la rivière.

En France, l’irrigation représente 40% de la consommation en eau. Les cultures irriguées sont surtout réparties sur la façade atlantique et dans le sud de la France. Un réseau de canaux et de conduites appelé système irrigué transporte l’eau de la source jusqu’aux cultures. Aujourd’hui encore, l’efficience de ces systèmes est très faible, de l’ordre de 30%. Cela signifie qu’il y a en moyenne 70 % de perte d’eau entre le volume prélevé dans la rivière et celui effectivement apporté dans les champs. Pour éviter de gaspiller l’eau, il est possible d’améliorer toutes les étapes du système irrigué. Xavier Litrico dans sa thèse s’est intéressé au transport de l’eau. Il a étudié les systèmes barrages-rivières où un barrage en amont stocke l'eau acheminée par la rivière jusqu'aux utilisateurs.

Plus de 350 barrages-rivières dans le Sud de la France

Les systèmes irrigués sont répandus en Europe, en Afrique du Nord et en Amérique du Sud et en Asie. Les plus grands systèmes irrigués se trouvent en Inde et au Pakistan. Le bassin de l’Indus représente à lui seul 16 millions d’hectares irrigués. Ils sont également fréquents dans le Sud de la France. Cela représente plus de 350 systèmes barrages-rivières utilisés conjointement pour irriguer et soutenir l’étiage. Automatisés, ces systèmes peuvent être gérés à la semaine ou au pas de temps horaire. Dans le premier cas, les consignes à suivre sont déterminées chaque semaine en fonction du taux de remplissage des retenues, des prévisions météorologiques et de l’estimation des prélèvements. Mais il est aussi possible de gérer en temps réel, au pas de temps horaire et commander l’ouverture des vannes du barrage afin de compenser rapidement les prélèvements à l’aval. La gestion en temps réel est plus souple pour les utilisateurs puisque c’est au système de répondre aux demandes. Seulement, elle n’est pas toujours satisfaisante car elle entraîne parfois des oscillations du débit de la rivière. En effet, si le temps de transfert de l’eau est mal évalué, la commande automatique des vannes du barrage peut relâcher plus d’eau que nécessaire pour compenser un prélèvement. Cela peut occasionner des oscillations et un gaspillage de la ressource pouvant aller jusqu’à 30 % du volume stocké dans le barrage.

Comment les lâchers d’eau se propagent dans la rivière ?

L’ouverture des vannes du barrage est commandée automatiquement en fonction de plusieurs points de mesure du débit répartis le long de la rivière. Comment rendre plus robustes les algorithmes de régulation automatique des systèmes barrages-rivières ? A mi chemin entre l’hydraulique et l’automatique, la thèse de Xavier Litrico a combiné une analyse méthodologique et des études de cas pour concevoir un nouveau modèle robuste. Ce travail s’est effectué avec la collaboration de la Compagnie d’aménagement des coteaux de Gascogne (CACG). L’automatisation nécessite de bien connaître le comportement dynamique du système à commander. Aussi, la première étape du travail a consisté à trouver tous les paramètres décrivant le mieux la dynamique de la rivière. Pour cela, il a fallu déterminer comment un lâcher d’eau se propage dans la rivière. Xavier Litrico a élaboré un modèle non linéaire représentant bien la dynamique de la rivière pour une large gamme de débits. Ensuite, il a analysé les méthodes de commande robuste existantes et a développé une méthode compatible avec une application opérationnelle à brève échéance.

Validé dans les Coteaux de Gascogne

Les erreurs du modèle ont été estimées et prises en compte lors de la conception de l’algorithme de contrôle. Un algorithme de contrôle permettant de garantir l’absence d’oscillations a été conçu et appliqué. Les automaticiens parlent maintenant et pour cela de contrôle «robuste». Cette méthode développée par le Cemagref a été testée avec succès sur deux rivières des Coteaux de Gascogne. Les apports d’orage et les prélèvements des agriculteurs sont corrigés automatiquement. Elle peut être étendue à des systèmes comportant plusieurs barrages comme sur le Dropt dans l’Aveyron. Une autre application peut aussi bénéficier de ces avancées : il s’agit des systèmes d’assainissement urbains non séparatifs qui peuvent être modélisés de façon similaire aux systèmes barrages-rivières. Il devient alors possible de limiter l’influence des pluies sur le fonctionnement des stations d'épuration.