Adaptation of multi-purpose reservoirs management on the Seine River basin in a climate change perspective: results of the ClimAware project
Adaptation de la gestion multi-objectif des réservoirs du bassin versant de la Seine dans une perspective de changement climatique : résultats du projet ClimAware
Résumé
Climate projections established by the IPCC indicate that significant changes in precipitation and temperature are to be expected in Europe in the next decades. The ClimAware project (2010-2013, funded by IWRM-Net) was set up to develop adaptation strategies to limit the impacts of climate change in several water related domains, each being investigated through a case study: hydrogeomorphology in Germany, irrigation in Italy and reservoir management in France. An integrated European-wide modelling approach was also developed for cross-scale analysis. The Seine River case study focuses on the adaptation of reservoir management for two main objectives: low-flow augmentation and flood alleviation, with important socio-economic stakes especially in the great Paris area. Four large reservoirs control the upstream parts of the four main rivers (Aube, Seine, Yonne and Marne) and are managed by the Seine Grands Lacs public basin authority. A daily hydrological modelling chain was designed to explicitly account for reservoir management rules. It was calibrated in current conditions (1958 to 2009) and then fed by the outputs of seven climate models in present (1961 to 1991) and future (2046 to 2065) conditions, forced by the SRES A1B scenario, downscaled using a weather-type method and statistically bias-corrected. The impact of climate change was assessed using performance indicators for different scenarios of reservoirs management. The adaptation of two levels of management design was investigated in the project: - tactical management based on the annual objective filling curve of the reservoirs and designed from an analysis of historical hydrological regimes and extreme events; - real time management, accounting for real time constraints linked to ongoing conditions, which is currently reactive and decentralized and only depends on local available data (level in the reservoir and flows in the upstream and downstream reaches). The proposed adaptation scenario for tactical management is based on a statistical method, giving the filling curves associated to risk probability of failure in achieving one objective in the future. We developed new filling curves for the available climate simulations by minimizing the risk, following a priority order among objectives. For real time management, a Tree-Based Model Predictive Control (TB-MPC) was used. It is a proactive and a centralized method, using information available in real-time, including ensemble weather forecasts. TB-MPC uses an internal model and an objective function to find the optimal release from the reservoirs. The internal model predicts the future effect of present releases, and the objective function penalizes high and low flows at different locations downstream, including at Paris. Adaptation strategies for the two management levels were tested in present and future climate conditions and management performances were compared to current management practice.
Les projections climatiques établies par le GIEC prévoient des changements significatifs des précipitations et des températures en Europe pour les prochaines décennies. Le projet ClimAware (2010-2013, financé par IWRM-NET) a été réalisé pour développer des stratégies d'adaptation chargées de limiter les impacts du changement climatique dans plusieurs domaines liés à l'eau chacun étant étudié à partir de cas d'étude : hydro-morphologie en Allemagne, irrigation en Italie et gestion de réservoir en France. Une modélisation intégrée à l'échelle européenne a aussi été développé à des fins d'analyses croisées entre les deux échelles d'étude. Le cas d'étude sur la Seine se focalise sur l'adaptation de la gestion des réservoirs pour deux principaux objectifs : le soutien d'étiage et la gestion des crues dans le cadre des enjeux socio-économiques majeurs présents en Région Parisienne. Quatre grands réservoirs gérés par l'Etablissement Public Territorial de Bassin Seine Grands Lacs contrôlent la partie amont des quatre principaux affluents (Aube, Seine, Yonne et Marne). Une chaîne de modélisation hydrologique à pas de temps journalier a été développée pour simuler la gestion des réservoirs. Ses paramètres ont été calés à partir des conditions actuelles (1958-2009). La chaîne de modélisation a ensuite été forcée par les données en conditions actuelles (1961-1991) et en conditions futures (2046-2065) issues de sept modèles climatiques eux-mêmes forcés par le scénario A1B d'émissions de gaz à effet de serre. Cette modélisation a permis d'évaluer, à partir d'indicateurs de performance, l'impact du changement climatique pour différents scénarios de gestion des réservoirs. L'adaptation au changement climatique a été étudiée pour deux niveaux de gestion différents : - La gestion tactique actuellement basée sur des courbes annuelles de remplissage des réservoirs dessinées à partir d'une analyse des régimes hydrologiques et des événements extrêmes ; -La gestion opérationnelle prenant en compte les contraintes en temps réel et qui est actuellement réactive et décentralisée, dépendant uniquement des mesures locales disponibles (niveau du réservoir et débit à l'amont et à l'aval de celui-ci). Le scénario d'adaptation proposé pour la gestion tactique est basé sur une méthode statistique fournissant les courbes associées aux probabilités de risque d'échec de suivi d'un objectif dans le futur. De nouvelles courbes multi-objectif ont été dessinés à partir des données climatiques disponibles en minimisant le risque pour chaque objectif et en priorisant ceux-ci. L'adaptation de la gestion temps-réel a été réalisée via une commande prédictive (Tree-based Model Predictive Control, TB-MPC). Cette méthode, proactive et centralisée, utilise les informations disponibles en temps-réel, notamment les prévisions météorologiques d'ensemble, un modèle interne prédisant les effets futurs des commandes actuelles et une fonction objectif pénalisant les forts et faibles débits au niveau des stations situées à l'aval y compris à Paris. Le tout permet de trouver les commandes optimales des réservoirs. Les performances des stratégies d'adaptation pour les deux niveaux de gestion ont été testées en conditions climatiques présentes et futures et comparées avec celles de la gestion actuelle.