Abstract :
[en] The water resource management often results from a compartmented view coming from conceptual clippings and administrative apportionments, involving a great specific vertical expertise, confined to a unique expertise field. The computer science era immediately participated to the numerical transcription of this order. Numerous compartmented models coexist separately and - if other multi-sectorial are available - the required multidisciplinary expertise that consolidates them is not always ensured in all represented knowledge fields.
However, the stakes of the integrated water resource management require a multidisciplinary approach which leads to the emerging of new adapted organizations (water agencies, multidisciplinary centers, international commissions, networks …). Also, since the 70’s, the European Union concern for water policy was leading to a sectorial way of management driven by about thirty water related directives. The 23rd of October 2000, the European Parliament has adopted the Water Framework Directive, establishing a common policy in water domain (European Parliament, 2000). The common approach introduced (watershed level management, objectives by water body, measurement program and agenda, economic analysis of water use…) aimed at harmonizing the water resource management by - among others -integrating available tools (including the former directives).
Similarly, at the end of the 90’s, new numerical solutions appeared, allowing to follow this evolution by authorizing the coupling of compartmented models while ensuring the self-preservation of each proper module expertise. More recently, the concept of standard interface dedicated to integrated modeling appeared, sometimes instigating the (wrong) idea, nevertheless desirable, of evolving towards more simplicity.
However, the development of such integrated models is still demanding, and requires to strictly follow a modus operandi that guarantees the viability, the consistence and the durability of these new tools.
Indeed, the complexity of the modeled systems is reflected in the computer architecture’s tangle allowing couplings, considering numerical and hardware constraints and the pertinence of the represented processes as well as the physical consistency of the integrated model. This kind of tools can also need to satisfy constraints that go beyond the field of expertise of developers as well as the scientific community (usability, autonomous management of scenarios and interoperability of results), to make them operational for an eventual external end-user.
The investigation field covered by the present work aims to structure the integrating expertise acquired for several years at the University of Liege, through numerous concrete developed applications. In that way, we propose an original and operational methodology for internal coupling of compartmented models, primarily applicable to the transversal water resource management (environmental modeling, hydrology in a general way), but also applicable to other related expertise (quality, economy, sociology, …), while considering the boundaries of the field of application of the models and the strong constraints linked to their use.
The MOHISE project, dedicated to the integrated hydrological simulation of the water cycle in the scope of studying the effect of potential climatic changes on the state of the water resources, is used as a reference application. In parallel, concrete applications are deployed to illustrate the following topics:
• Numerical coupling issues (problems and solutions) ;
• Conceptual and processing architectures (interfaces, supervisor, synchronization, …) and the fixation of validity range of the integrated models in the scope of their physical and numerical consistencies ;
• Preliminary operations required to implement integrated tools ;
• The constrains linked to the methodological choices ;
• The management of the simulations themselves (calibration-validation, stability, sensitivity…) ;
• Creation of scenarios within the validity range of the model.
The subjects are not only addressed on the basis of their strict computer science or compartmented modeling implications but also through an original and sideway lighting to emphasize the essential coupling constraints and the global coherence of the integrated system.
[fr] La Gestion de la ressource en eau résulte souvent d’une vision compartimentée, issue des découpages conceptuels et administratifs impliquant une grande expertise verticale, confinée à un champ d’expertise unique. L’ère informatique a immédiatement participé à la transcription numérique de cette ordonnance. De nombreux modèles compartimentaux coexistent séparément et - s’il en est d’autres multisectoriels - l’expertise pluridisciplinaire nécessaire à leur maîtrise n’est pas toujours assurée dans tous les domaines de connaissance qu’ils représentent.
Pourtant les enjeux de la gestion intégrée de la ressource en eau requièrent plutôt une approche transversale qui se traduit administrativement par l’émergence de structures organisationnelles adaptées (agences, centres multidisciplinaires, commissions internationales, réseaux, …). De même, depuis les années 70, la préoccupation de l’Union européenne en matière de politique de l’eau se traduisait par une gestion sectorielle avec une trentaine de directives sur l’eau. Le 23 octobre 2000, le Parlement européen adoptait la directive cadre établissant une politique communautaire dans le domaine de l’eau (Parlement européen, 2000). La démarche commune mise en place (gestion par bassin, objectifs par masse d’eau, programme de mesures et agenda, analyse économique de l’utilisation de l’eau, …) visait à harmoniser la gestion des ressources en eau, à l’échelle européenne, entre autres par l’intégration des outils disponibles (y compris les directives précédentes).
De manière similaire, à la fin des années 90, de nouvelles solutions numériques ont émergé, permettant également de suivre cette évolution en autorisant le couplage de modèles compartimentaux et en s’assurant de la conservation de l’expertise spécifique liée à chaque module. Plus récemment, le concept d’interfaces standards propres à assurer l’intégration des modèles a fait son apparition, promouvant parfois la - fausse - idée pourtant souhaitable d’une évolution vers plus de simplicité.
Cependant, le développement de modèles intégrés reste exigeant et requiert le suivi d’un mode opératoire propre à assurer la viabilité, la consistance et la pérennité de ces nouveaux outils.
En effet, la complexité des systèmes modélisés se retrouve dans l’écheveau des architectures informatiques permettant leurs couplages, tant sur les plans des contraintes numériques et hardware que sur la pertinence des processus représentés et la consistance physique du modèle intégré. Ce type d’outil peut également devoir répondre à des contraintes qui dépassent le champ d’expertise des développeurs ou de la communauté scientifique (utilisabilité, gestion autonome des scénarios, interopérabilité des résultats, …) afin de les rendre exploitables par un opérateur extérieur le cas échéant.
Le champ d’investigation couvert par ce travail vise à présenter l’expertise intégratrice que nous avons acquise depuis de nombreuses années à l’Université de Liège au départ de nombreuses applications concrètes. En ce sens, nous proposons une méthode originale et opérationnelle de couplage interne entre modèles compartimentaux, applicable prioritairement à la gestion transversale des ressources en eau (modélisation environnementale, hydrologique au sens général) mais transposable à d’autres expertises connexes (qualitative, économique, sociologique, …), tout en nous préoccupant des limites du champ d’application des modèles et des contraintes fortes liées à leur utilisation.
Ainsi l’application MOHISE dédiée à la simulation hydrologique intégrée du cycle de l’eau avec pour objectif l’étude de l’effet des changements climatiques potentiels sur l’état des ressources en eau servira de fil conducteur. En parallèle, d’autres applications concrètes seront développées pour illustrer les thématiques suivantes :
• la problématique du couplage numérique et les solutions qui peuvent être déployées ;
• l’architecture conceptuelle et informatique (interfaces, Superviseur, synchronisation, …) et la fixation des limites de validité des modèles intégrés (cohérences physique et numérique) ;
• les opérations préparatoires à l’implémentation de ces structures intégrées ;
• les contraintes liées aux choix méthodologiques ;
• la gestion des simulations proprement dite (calibration-validation, stabilité, sensibilité, …) ;
• l’élaboration des scénarios dans les limites de validité du modèle.
Les sujets ne seront pas seulement abordés sur base de leurs strictes implications informatiques ou de « modélisation compartimentale » mais par un éclairage oblique et original reflétant les contraintes essentielles de couplage tout en assurant la consistance et la cohérence globale du système intégré.
