Spatial modelling of discharge and concentration of matter along a stream network

Spatial modelling of discharge and concentration of matter along a stream networ

Modélisation qualitative des agro-écosystèmes et aide à leur gestion par utilisation d'outils de model-checking

La modélisation dans le domaine de l'agro-écologie est importante car elle permet de mieux comprendre les interactions entre l'environnement et les activités humaines. Des travaux basés sur la simulation ont été développés depuis des années. Cependant, non seulement ces outils restent difficiles à utiliser par les utilisateurs non experts, mais aussi le coût des modèles rend leur utilisation difficile à case de la complexité élevée en cas d'application réelle. Nous proposons une approche qui consiste à représenter le système étudié dans un formalisme de système à événements discrets qui est bien adapté quand la dynamique du système est liée à des interactions entre les entités concernés. Ceci permet de profiter l'efficacité du model-checking pour étudier le comportement du système modélisé et d'utiliser la synthèse de contrôleur pour générer automatiquement des stratégies optimales. Nous présentons deux contributions dans cette thèse. La première contribution concerne le projet EcoMata. Cette modélisation qualitative en automates temporisés pour un réseau trophique marin de type proie-prédateur permet d'analyser l'écosystème à l'aide de model-checking sans avoir à faire des simulations. Des scénarios de requête prédéfinis ont été développés dans un langage naturel pour que les utilisateurs non expert puissent faire des requêtes sur les réseaux trophiques sans avoir des connaissances sur la langage TCTL. Nous avons amélioré la génération automatique d'automates temporisés à partir d'une description des équation Lotka-Votera. Nous avons aussi proposé une approche de synthèse de contrôleur pour générer automatiquement des stratégies optimales de gestion de pêche. Le prototype logiciel EcoMata implémente l'ensemble des propositions incluant la recherche de stratégies optimales. Dans la seconde contribution, nous proposons une modélisation hybride en automates temporisés d'une exploitation de pâturage. Cette modélisation hybride combine un modèle numérique de la croissance d'herbe et un modèle qualitatif des activités de pâturage. Une structure hiérarchique organise les modèles dans quatre couches: la couche biologique, la couche activité, la couche décisionnelle et la couche d'horloge. Nous proposons quatre méthodes pour générer des stratégies optimales des activités de pâturage. La première méthode est appliquée à la recherche de stratégies optimales de la mise au pâturage. Trois méthodes sont dédiées à la recherche de stratégies optimales de la fertilisation. Une d'entre elles utilise la synthèse de contrôleur alors que les deux autres combinent la synthèse de contrôleur et l'apprentissage supervisé pour générer des stratégies génériques par type d'exploitation. Un prototype logiciel PaturMata a été développé implémentant cette modélisation, permettant aux utilisateurs de simuler des scénarios de pâturage et rechercher des stratégies optimales de mise au pâturage.The modeling in the domain of agro-ecology is important since it helps us to better understand the interactiosn between the environment and the human activities. Some research works based on simulation has been carried out during the recent years. Mainwhile, not only these simulation tools are difficult to use by the non expert users, but also the high complexity of models makes interactive uses impossible. We propose an approch in which we represent the system to be studied in a discret event system formalism. This kind of representation benefits the efficiency of model-checking and makes it possible to use controller synthesis to generate strategies. We present two contributions in this thesis. The first one concerns the project EcoMata. This project proposes a qualitative modelling which represents a marine prey-predator type food chain in timed automata. Predifined query patterns in natural langurage are also proposed which allow users to investigate easiy the food chain. We have improved the efficiency of the algorithm of timed automata generation and also developped a strategy synthesis method to generate best fishing management strategy. The prototype software EcoMata implements all these propositions including the best strategy synthesis. In the second contribution, we propose a hybrid modelling which represents grazing activities in timed automata. This hybrid modelling combines a numerical grass model and a qualitative grazing model. These sub models are organized in a hierarchical struture of four layers: the biological layer, the activity layer, the decision layer and the clock. We propose four methods to generate best grazing management strategy. One of these methods is applied to the movement of herd. The other three methods are applied to fertilization among which one of them use controller synthesis on timed automata and the other two combine controller synthesis and machine learning to generate generic strategy for a exploitation type. A prototype software PaturMata has been developped which implements this modelling method and the generation of the best strategy of herd movement.RENNES1-Bibl. électronique (352382106) / SudocSudocFranceF

Analyse multidimensionnelle interactive de résultats de simulation (aide à la décision dans le domaine de l'agroécologie)

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'analyse des données de simulation issues du modèle agro-hydrologique TNT. Les objectifs consistaient à élaborer des méthodes d'analyse des résultats de simulation qui replacent l'utilisateur au coeur du processus décisionnel, et qui permettent d'analyser et d'interpréter de gros volumes de données de manière efficace. La démarche développée consiste à utiliser des méthodes d'analyse multidimensionnelle interactive. Tout d'abord, nous avons proposé une méthode d'archivage des résultats de simulation dans une base de données décisionnelle (i.e. entrepôt de données), adaptée au caractère spatio-temporel des données de simulation produites. Ensuite, nous avons suggéré d'analyser ces données de simulations avec des méthodes d'analyse en ligne (OLAP) afin de fournir aux acteurs des informations stratégiques pour améliorer le processus d'aide à la prise de décision. Enfin, nous avons proposé deux méthodes d'extraction de skyline dans le contexte des entrepôts de données afin de permettre aux acteurs de formuler de nouvelles questions en combinant des critères environnementaux contradictoires, et de trouver les solutions compromis associées à leurs attentes, puis d'exploiter les préférences des acteurs pour détecter et faire ressortir les données susceptibles de les intéresser. La première méthode EC2Sky, permet un calcul incrémental et efficace des skyline en présence de préférences utilisateurs dynamiques, et ce malgré de gros volumes de données. La deuxième méthode HSky, étend la recherche des points skyline aux dimensions hiérarchiques. Elle permet aux utilisateurs de naviguer le long des axes des dimensions hiérarchiques (i.e. spécialisation / généralisation) tout en assurant un calcul en ligne des points skyline correspondants. Ces contributions ont été motivées et expérimentées par l'application de gestion des pratiques agricoles pour l'amélioration de la qualité des eaux des bassins versants agricoles, et nous avons proposé un couplage entre le modèle d'entrepôt de données agro-hydrologiques construit et les méthodes d'extraction de skyline proposées.This thesis concerns the analysis of simulation data generated by the agrohydrological model TNT. Our objective is to develop analytical methods for massive simulation results. We want to place the user at the heart of the decision-making process, while letting him handle and analyze large amounts of data in a very efficient way. Our first contribution is an original approach N-Catch, relying on interactive multidimensional analysis methods for archiving simulation results in a decisional database (i.e. data warehouse) adapted to the spatio-temporal nature of the simulation data. In addition, we suggest to analyze the simulation data with online analytical methods (OLAP) to provide strategic information for stakeholders to improve the decision making process. Our second contribution concern two methods for computing skyline queries in the context of data warehouses. These methods enable stakeholders to formulate new questions by combining conflicting environmental criteria, to find compromise solutions associated with their expectations, and to exploit the stakeholder preferences to identify and highlight the data of potential interest. The first method EC2Sky, focuses on how to answer efficiently and progressively skyline queries in the presence of several dynamic user preferences despite of large volume of data. The second method HSky, extends the skyline computation to hierarchical dimensions. It allows the user to navigate along the dimensions hierarchies (i.e. specialize / generalize) while ensuring the online computation of associated skylines. Finally, we present the application of our proposals for managing agricultural practices to improve water quality in agricultural watersheds. We propose a coupling between the agro-hydrological data warehouse model N-Catch and the proposed skyline computation methods.RENNES1-Bibl. électronique (352382106) / SudocSudocFranceF

Modélisation du transfert de l’eau et des sels dans les casiers rizicoles du Delta du Fleuve Sénégal

La salinisation des sols constitue un risque majeur du développement de l’irrigation dans le monde. Dans le Delta du Fleuve Sénégal, l’existence d’une nappe phréatique salée et proche de la surface du sol accentue ce risque. Une modélisation des transferts hydriques a été réalisée pour mieux évaluer ce risque. Elle a été faite à partir du code Hydrus sur l’ensemble du cycle cultural et a pris en compte deux types de sol et deux modes de culture de cette région : la simple et la double culture. Elle a permis d’estimer les flux hydriques descendants pendant la phase d’irrigation par submersion, et les flux hydriques et salins ascendants pendant la phase d’irrigation et de non-irrigation. Cette modélisation indique que : i) le toit de la nappe salée remonte d’environ 50 cm pendant la phase d’irrigation; ii) une zone non saturée de faible épaisseur subsiste entre la surface inondée et la nappe; iii) l’infiltration cumulée est deux fois plus forte en double qu’en simple culture; et iv) la forte évaporation durant la phase de non-irrigation peut faire remonter entre 5,5 à 6 t de sels par ha et par an, selon les sols et les conditions de culture. Cette modélisation, qui s’appuie sur des mesures in situ des paramètres hydrodynamiques, devra être confrontée à des observations in situ de flux. Elle devra intégrer des processus non pris à ce stade tel que le piégeage d’air. Les relevés piézométriques depuis dix ans montrent, par ailleurs, un léger relèvement du niveau de la nappe salée. L’ensemble de ces résultats est suffisamment préoccupant pour préconiser, dans le cas d’une irrigation par submersion, la mise en place d’un drainage superficiel pour éviter le relèvement de la nappe et assurer l’évacuation des sels hors de la nappe et, par là, la pérennisation de l’agriculture dans cette région du Delta du fleuve SénégalSoil salinisation is a major hazard of the extension of irrigation in the world. In the Delta of the Senegal River Valley, a highly saline groundwater close to the soil surface increases this hazard. A water and salt modeling by means of the Hydrus code has been performed to evaluate this hazard. Two soil types and two crop systems, a single and a double one, have been considered. The calculations have been performed on the complete agricultural cycle to determine water flows going down during the irrigation phase, and water and salt flows ascending to the soil surface during the irrigation and non irrigation phases. The modeling shows that: 1) the recharge due to the irrigation period induces an elevation of the water table of about 50 cm; 2) an unsaturated zone persists between the flooded surface and the water table; 3) the cumulative infiltration is two times higher in the double crop rice system than in the single crop system; 4) the high evaporation during the dry phase causes an ascension of from 5.5 to 6 t of salts per ha and per year according to the soil type and the crop system. This modeling, which was based on field measurements of hydrodynamic properties, has to be validated by field observations of the fluxes. Some processes such as air trapping should be tested. Piezometer monitoring over the past 10 years indicates a slight rise in the saline water table. All these results demonstrate the relevance of setting up a surficial drainage system for the flooded irrigation fields, to avoid an elevation of the water table and to evacuate salts from the soil surface, in order to perpetuate agriculture in the Delta of the Senegal River Valley

How to assess water quality change in temperate headwater catchments of western Europe under climate change: examples and perspectives

Climate change effects on water quality are related directly and indirectly to the water cycle and human activities. We present examples of these effects using a retrospective analysis across European catchments according to three objectives: (i) identification of extreme or anomalous values in climatic and chemical variables at multiple time scales, (ii) assessment of variability in seasonal and inter-annual chemical cycles, and (iii) identification of a general water chemistry response to the North Atlantic Oscillation. From these examples, we highlight four challenges for research on the relationships between climate and water quality: (i) developing functional typologies of chemical elements, (ii) performing multi-temporal and multi-spatial analysis by aggregating data into water-cycle periods, (iii) decoupling effects of climate conditions and human activities by testing hypotheses using parsimonious models, and (iv) incorporating water quality and aquatic ecosystem health into integrated models. Water quality integrates current and past (legacy) conditions, flow pathways, and biogeochemical reactivity, which themselves depend on the climate. As our results highlight, water quantity and quality need to be studied together

How to assess water quality change in temperate headwater catchments of western Europe under climate change: examples and perspectives

Climate change effects on water quality are related directly and indirectly to the water cycle and human activities. We present examples of these effects using a retrospective analysis across European catchments according to three objectives: (i) identification of extreme or anomalous values in climatic and chemical variables at multiple time scales, (ii) assessment of variability in seasonal and inter-annual chemical cycles, and (iii) identification of a general water chemistry response to the North Atlantic Oscillation. From these examples, we highlight four challenges for research on the relationships between climate and water quality: (i) developing functional typologies of chemical elements, (ii) performing multi-temporal and multi-spatial analysis by aggregating data into water-cycle periods, (iii) decoupling effects of climate conditions and human activities by testing hypotheses using parsimonious models, and (iv) incorporating water quality and aquatic ecosystem health into integrated models. Water quality integrates current and past (legacy) conditions, flow pathways, and biogeochemical reactivity, which themselves depend on the climate. As our results highlight, water quantity and quality need to be studied together

Nonlinear empirical modeling to estimate phosphorus exports using continuous records of turbidity and discharge

Special section: Continuous nutrient sensing in research and management: applications and lessons learned across aquatic environments and watershedsInternational audienceWe tested an empirical modeling approach using relatively low‐cost continuous records of turbidity and discharge as proxies to estimate phosphorus (P) concentrations at a subhourly time step for estimating loads. The method takes into account nonlinearity and hysteresis effects during storm events, and hydrological conditions variability. High‐frequency records of total P and reactive P originating from four contrasting European agricultural catchments in terms of P loads were used to test the method. The models were calibrated on weekly grab sampling data combined with 10 storms surveyed subhourly per year (weekly+ survey) and then used to reconstruct P concentrations during all storm events for computing annual loads. For total P, results showed that this modeling approach allowed the estimation of annual loads with limited uncertainties (≈ −10% ± 15%), more reliable than estimations based on simple linear regressions using turbidity, based on interpolated weekly+ data without storm event reconstruction, or on discharge weighted calculations from weekly series or monthly series. For reactive P, load uncertainties based on the nonlinear model were similar to uncertainties based on storm event reconstruction using simple linear regression (≈ 20% ± 30%), and remained lower than uncertainties obtained without storm reconstruction on weekly or monthly series, but larger than uncertainties based on interpolated weekly+ data (≈ −15% ± 20%). These empirical models showed we could estimate reliable P exports from noncontinuous P time series when using continuous proxies, and this could potentially be very useful for completing time‐series data sets in high‐frequency surveys, even over extended periods

Variabilite spatiale des proprietes hydriques du sol, methodes et resultats ;cas d'une seule variable : revue bibliographique

Diverses méthodes sont utilisées pour analyser la variabilité spatiale des propriétés hydriques du sol. On distingue d’entrée celles portant sur une variable donnée, faisant l’objet de cette revue bibliographique et celles analysant conjointement différentes variables. Dans une première partie, l’utilisation de méthodes classiques est décrite. Ces méthodes visent à déterminer certains paramètres statistiques tels que la loi de distribution, le coefficient de variation, la distance d’autocorrélation ; ces paramètres permettent de caractériser la variabilité spatiale et d’optimiser l’échantillonnage. L’analyse bibliographique des résultats expérimentaux portant sur les différentes propriétés hydriques est effectuée; elle montre l’importance des conditions expérimentales dans les résultats. La seconde partie porte sur l’utilisation de méthodes d’estimation, en particulier sur la géostatistique. Les fondements de la méthode sont exposés. Les applications à la science du sol, encore peu nombreuses, sont analysées. Elles ont pour but de reconstituer la réalité, visualisant les variations spatiales de la propriété étudiée, d’accéder à un écart type d’estimation, qui est la base d’études sur l’optimisation des échantillonnages, et de mettre en oeuvre diverses techniques telles que des modèles ou méthodes de corrélation à partir des grilles d’estimations. Ainsi, ces méthodes, permettent d’étudier certains problèmes où l’on doit tenir compte des variations spatiales, de façon nouvelle et plus précise.Different methods have been used to analyse the spatial variability of hydraulic properties in soil. This bibliographical review concerns the methods which study one and only one given property and not those that jointly analyse several properties. In the first part is described the use of classical methods which determine statistical parameters, such as the distribution law, the coefficient of variation and the autocorrelation distance. These parameters characterize spatial variability and can optimize sampling. A bibliographical review of experimental results on different hydraulic properties is given ; experimental conditions are very important for the results. The second part shows the use of estimation methods, particularly geostatistics. The basic of this method is exposed. The few applications in soil science are analysed. Their aim is to reconstitute reality from a sample and so to visualize spatial variations. Standard deviations can be estimated, which is the basis for studying sampling optimization. Different techniques such as correlation methods or models are used in association with geostatistics. These methods thus allow one to study problems in which spatial variation is important in a new and more precise way