Couplage de la modélisation basée sur les agents et de la modélisation agro-hydrologique pour représenter les actions humaines au sein d’un agro-hydrosystème. Application à l’irrigation collective dans le bassin du Buëch (France).

Coupling agent-based and agro-hydrological modeling to represent human actions within an agro-hydrosystem. Application to collective irrigation in the Buëch catchment (France).

• Auteur / Autrice : Bastien Richard
• Direction : Olivier Barreteau, Isabelle Braud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'eau
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Paris, Institut agronomique, vétérinaire et forestier de France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR G-eau (Gestion de l'eau, acteurs et usages, Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Anquetin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Anquetin, Christophe Cudennec, Benoît Gaudou, Bruno Bonte, Rémy Courdier, Delphine Leenhardt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Cudennec, Benoît Gaudou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coordinations

Sécheresse

Hydrosystèmes

Irrigation -- Gestion

Mots clés libres

Irrigation collective

Gestion opérationnelle

Modélisation à base d'agents

Modèle de culture

Modélisation hydrologique distribuée

Buëch

Collective irrigation

Operational management

Agent-Based model

Crop model

Distributed hydrological model

Buëch

Résumé

Dans un contexte de changement global, la gestion de la ressource en eau, entre acteurs aux objectifs parfois conflictuels, doit être revisitée. Des outils de modélisation et de simulation, destinés à la conduite d'analyses prospectives, sont actuellement développés à Irstea en partenariat avec les acteurs de la gestion de l'eau. Les processus hydrologiques sont relativement biens connus et des plateformes de modélisation et de simulation permettent de les simuler. Toutefois, avant de pouvoir produire des scénarios prospectifs pertinents, plusieurs améliorations sont nécessaires, notamment la prise en compte des rétroactions entre composantes physiques et sociales, pourtant déterminantes sur la quantification des usages de l'eau. La modélisation hydrologique distribuée permet de simuler les dynamiques hydrologiques d'un bassin versant en intégrant l'hétérogénéité spatiale du bassin et donc en permettant d'imaginer des boucles de rétroactions locales liées à l'activité anthropique. L'objectif de la thèse est de coupler un modèle hydrologique distribué existant à un modèle agent à construire, représentant les dynamiques sociales et pilotant les rétroactions locales liées à l'activité anthropique. Pour construire ce modèle agent, nous proposons d'utiliser la théorie de l'action située (qui donne un cadre pour décrire les actions et les décisions individuelles en se basant sur le concept d'affordance) et le concept de stigmergie (qui permet de décrire les interactions indirectes entre acteurs). Dans ce cadre, la représentation de la prise de décision d'un ou plusieurs agents se base sur la définition de l'ensemble d'actions pouvant être réalisées à un moment donné. Ceci implique de se focaliser sur les variables d'intérêt de l'agent (variables perçues et variables de contrôle, y compris les variables hydrologiques) qui sont le plus souvent locales. Ainsi, l'exercice de couplage entre le modèle agent et le modèle d'hydrologie distribué consistera en grande partie à définir ces variables d'intérêts des agents et à les relier aux variables d'états ou aux sorties du modèle hydrologique distribué. Cette liaison permettra de spécifier les rétroactions locales liées aux activités humaines mais aussi de disposer de sorties de simulation spatialisées correspondant à des variables d'intérêts pour les acteurs. Dans le cadre de cette thèse, nous nous limiterons aux secteurs d'activités principaux de deux bassins versants représentatifs de la Durance. Nous analyserons au fur et à mesure l'impact des rétroactions locales implémentées sur les sorties calculées à l'échelle du bassin. L'objectif est d'obtenir un modèle couplé, calibré sur les deux-sous bassins, que l'on puisse utiliser pour discuter des impacts des stratégies d'adaptations locales (principalement du secteur de l'irrigation qui constitue la plus grande demande en eau sur le bassin) sur le comportement global du système sous contrainte de stratégies définies à l'échelle du bassin (subventions, réglementations,...).

In a context of global change, management of water resources between actors with sometimes conflicting objectives should be revisited. Modeling and simulation tools, dedicated to prospective analysis, are being developed at Irstea, in partnership with stakehoders of water management. Hydrological processes are rather well know and modeling and simulation platforms are available for their simulation. However, before they can produce relevant prospective scenarios, several improvments are required, in particular accounting for feedbacks loops between social and physical dynamics. Distributed hydrological modeling enables the simulation of hydrological dynamics considering spatial heterogeneity of the catchments and consequently gives the opportunity to imagine local feedback loops related to human activites. The objectives of the thesis is to couple an existing distributed hydrological model to an agent based model representing social dynamics and driving the local feedback loops related to human activities. We propose to use the theory of situed action (providing a framework to describe individual actions and decisions) and the concept of stigmergy (providing a framework to describe indirect interactions amongst actors) to build the agent based model. In this context, the decision making process of one or several agents is based on the set of actions that he can possibly realize at each moment. this implies to put the focus on the variables of interest of the agent (perceived variables and control variables, including hydrological variables) that are most of the time local variables. Hence, the exercice of coupling the agent model and the hydrological model will consist mainly in defining agents's variables of interest and to relate them to state variables or outputs of the hydrological model. This link will enable to specify local feedback loops related to human activities and furthermore to get spatial simulation outputs matching stakeholders' variables of interest. The scope of the PhD thesis is limited to the main sectors of activity of the two chosen sub-catchments of the Durance river. We will iteratively measure the impact of the implemented local feedback loops on the outputs computed at the scale of the sub-catchment. The impacts of local and sectoral adaptations (mainly from the irrigated agriculture sector constituting the main water use), on the global behavior oh the hydrosystem, under constraints of management strategies specified at the scale of the sub-catchment (incentives, regulations,..).