Hybridation de modèles pour une prise de décision fiable

Abstract

En el context del canvi global, les ciutats s’estan orientant cap a pràctiques de gestió de l’aigua més sostenibles i resilients. Les solucions basades en la natura contribueixen a l’enfocament integrat de la gestió de l’aigua mitjançant la gestió local dels volums d’aigua i el tractament de la contaminació, alhora que fomenten la biodiversitat i donen suport a les dinàmiques socioeconòmiques del paisatge urbà a un cost raonable. Aquestes solucions estan proliferant arreu del món sota diferents denominacions i manquen de directrius per a la seva implementació. Aquest repte és abordat pel projecte MULTISOURCE, dins del qual aquesta tesi se centra en l’aspecte tècnic de proporcionar un pre-dimensionament de les unitats tecnològiques desenvolupades per al tractament d’aigües residuals. En particular, els aiguamolls construïts per al tractament de l’aigua pateixen una manca de comprensió de la relació entre els dissenys i els processos de tractament implicats, així com una manca de dades comparables sobre els sistemes. Els models de disseny actuals són senzills i conservadors, mentre que els models basats en dades són poc fiables.Aquesta tesi proposa, com a primer pas, el desenvolupament d’una ontologia per aclarir ambigüitats terminològiques, unificar el coneixement sobre els aiguamolls construïts i identificar millor les seves principals característiques pel que fa a l’eliminació de contaminants. El segon pas d’aquest treball planteja l’homogeneïtzació dels controls de qualitat de les dades mitjançant una metodologia de validació de dades amb una avaluació quantitativa de la qualitat de les observacions. En el tercer pas, es desenvolupen dues metodologies d’hibridació de models mecanicistes i basats en dades per proporcionar estimacions de disseny basades tant en el coneixement com en les dades. Finalment, aquesta metodologia s’aplica al conjunt de dades validat i es desenvolupen mètodes d’optimització del disseny per abordar la incertesa inherent en la presa de decisions.In the context of global change, cities are moving towards more sustainable and resilient water practices. Nature-based solutions contribute to integrated water management approaches by locally managing water volumes and treating pollution, while bringing biodiversity and supporting socio-economic dynamicsto the urban landscape at a reasonable cost. These solutions are flourishing around the world under different terminologies and lack guidelines for their implementation. This challenge is addressed by the MULTISOURCE project, within which this thesis aims at the technical aspect of providing a pre-sizing of technological units developed for wastewater treatment. In particular, treatment wetlands face a lack of understanding of the relationship between the designs and the treatment processes involved, and a lack of comparable data on the systems. Current design models are simple and conservative, while data-driven models are unreliable.This thesis proposes, as a first step, the development of an ontology to clarify terminological ambiguities, to unify knowledge on treatment wetlands and to better identify their main characteristics in terms of pollutant removal. The second step of this work proposes to homogenise data quality checks through a methodology for data validation with a quantitative assessment of the quality of the observations. In the third step, two methodologies of hybridisation of mechanistic and data-driven models are developed to provide design estimates based on both knowledge and data. Finally, this methodology is applied to the validated data set and design optimisation methods are developed to address the uncertainty inherent in decision making.En el contexto del cambio global, las ciudades avanzan hacia prácticas hídricas más sostenibles y resilientes. Las soluciones basadas en la naturaleza contribuyen a los planteamientos de gestión integrada del agua gestionando localmente los volúmenes de agua y tratando la contaminación, al tiempo que aportan biodiversidad y apoyan la dinámica socioeconómica del paisaje urbano a un coste razonable. Estas soluciones están floreciendo en todo el mundo bajo diferentes terminologías y carecen de directrices para su aplicación. Este reto se aborda en el proyecto MULTISOURCE, dentro del cual esta tesis tiene por objeto el aspecto técnico de proporcionar un dimensionamiento previo de las unidades tecnológicas desarrolladas para el tratamiento de aguas residuales. En particular, los humedales de tratamiento se enfrentan a una falta de comprensión de la relación entre los diseños y los procesos de tratamiento implicados, y a una falta de datos comparables sobre los sistemas. Los modelos de diseño actuales son simples y conservadores, mientras que los modelos basados en datos son poco fiables.Esta tesis propone, como primer paso, el desarrollo de una ontología para aclarar las ambigüedades terminológicas, unificar el conocimiento sobre los humedales de tratamiento e identificar mejor sus principales características en términos de eliminación de contaminantes. El segundo paso de este trabajo propone homogeneizar los controles de calidad de los datos mediante una metodología de validación de datos con una evaluación cuantitativa de la calidad de las observaciones. En el tercer paso, se desarrollan dos me todologías de hibridación de modelos mecanicistas y basados en datos, para proporcionar estimaciones de diseño basadas tanto en el conocimiento como en los datos. Por último, esta metodología se aplica al conjunto de datos validados y se desarrollan métodos de optimización del diseño para abordar la incertidumbre inherente a la toma de decisiones.Dans le contexte du changement global, les villes s’orientent vers des pratiques plus durables et résilientes en matière d’eau. Les solutions fondées sur la nature contribuent aux approches de gestion intégrée de l’eau en gérant localement les volumes d’eau et en traitant la pollution, tout en préservant la biodiversitéet en soutenant la dynamique socio-économique dans le paysage urbain à un coût raisonnable. Ces solutions fleurissent dans le monde entier sous de multiples terminologies et manquent de lignes directrices pour leur mise en œuvre. Ce défi est relevé par le projet MULTISOURCE, dans le cadre duquel cette thèsevise l’aspect technique du pré-dimensionnement des unités technologiques développées pour le traitement des eaux usées. En particulier, les filtres plantés sont confrontés à un manque de compréhension de la relation entre leur conception et les méchanismes de traitement impliqués, ainsi qu’à un manque de donnéescomparables sur ces systèmes. Les modèles de conception actuels sont simples et conservateurs, tandis que les modèles basés sur des données ne sont pas fiables.Cette thèse propose, dans un premier temps, le développement d’une ontologie afin de clarifier les ambiguïtés terminologiques, d’unifier les connaissances sur les filtres plantés et de mieux identifier leurs principales caractéristiques en termes d’élimination des polluants. La deuxième étape de ce travail propose d’homogénéiser les contrôles de qualité des données grâce à une méthodologie de validation des données avec une évaluation quantitative de la qualité des observations. Dans un troisième temps, deux méthodologies d’hybridation des modèles mécanistes et des modèles basés sur les données sont développées pour fournir des estimations de conception basées à la fois sur les connaissances et les données. Enfin, cette méthodologie est appliquée à l’ensemble des données validées, et des méthodes d’optimisation de la conception sont mises au point pour tenir compte de l’incertitude inhérente à la prise de décision