Optimisation des tours d’eau sur un réseau de canaux d’irrigation

Optimisation des tours d’eau sur un réseau de canaux d’irrigation

 Distribution de l’eau sur un réseau de canaux à surface libre 

 Structure des réseaux d’irrigation 

Un réseau de canaux à surface libre comprend des ouvrages linéaires et ponctuels. Les ouvrages linéaires sont des canaux qui assurent le cheminement depuis la source jusqu’à la répartition de l’eau aux différentes positions des prises d’irrigation2 qui peuvent se situer à tous les niveaux des 1Une quantité d’eau attribuée au usager, qui s’exprime en général par une durée unitaire de prélèvement (exemple : 5h/ha/semaine) 2Point de prélèvement de l’eau dans un canal Canal primaire Canal tertiaire Ouvrages en travers Canal secondaire Parcelle agricole Figure 1.3 – Présentation du réseau de canaux d’irrigation canaux (Fig. 1.3), en général au nombre de 3 : primaire, secondaire, et tertiaire. Un canal primaire achemine l’eau depuis la source ou la tête morte 3 vers les canaux secondaires qui acheminent l’eau ensuite vers les canaux tertiaires. Les sections de canaux primaires et secondaires diminuent au fur et à mesure vers l’aval en fonction de la superficie irriguée restante. Un canal tertiaire est appelé parfois arroseur si c’est le dernier niveau du réseau. Il peut y avoir un 4eme niveau pour un grand périmètre irrigué, le canal quaternaire remplaçant le rôle du canal tertiaire (ex. périmètre de Narmada en Inde). Les ouvrages linéaires sont construits en terre, en béton, ou revêtus par un géotextile en fonction des moyens financiers. Les canaux en terre sont moins coûteux mais la perte d’eau par infiltration peut être importante [Wachyan et Rushton, 1987]. En plus, le coût d’entretien est aussi élevé. Outre les ouvrages linéaires, les autres ouvrages qui contrôlent les niveaux et la répartition des débits, et aident à franchir des obstacles, sont les ouvrages de régulation de niveau, les ouvrages de répartition et de prise, et les ouvrages de sécurité [Tran-Minh, 2006]. Ces ouvrages sont construits en travers ou en latéral en fonction du type d’ouvrage, par exemple : la vanne, le seuil ou le déversoir, le bec de canard, le partiteur, la prise d’irrigation, le siphon, etc. Sur un réseau Un canal d’amenée qui achemine l’eau depuis la source jusqu’au périmètre. La tête morte ne dessert pas d’usagers. 

DISTRIBUTION DE L’EAU 

 traditionnel ne ne trouve en général que des vannes manuelles. Un garde canal a la responsabilité de les manœuvrer pour assurer les débits aux prises d’irrigation (d’eau) selon le calendrier d’arrosage. Des vannes automatiques sont de plus en plus installées aujourd’hui, notamment sur les périmètres de distribution arrangée et à la demande afin de réduire la main d’œuvre, et aussi améliorer la qualité de distribution grâce à la flexibilité sur la régulation des débits. Les vannes automatiques sont des vannes motorisées avec régulation externe, et des vannes à flotteurs avec régulation intégrée (ex. Vanne Neyrtec AMIL, AVIO, et AVIS) [Replogle et Clemmens, 1987; Goussard, 2006]. Souvent, les vannes automatiques sont installées dans un canal primaire et secondaire en fonction des moyens financiers disponibles. Malaterre [2006] a décrit les différents niveaux d’automatisation qui existent : surveillance-acquisition automatique, télécommande automatique, élaboration automatique des consignes et/ou des ordres, automatisme de manœuvre, et automatisme de réglage. 

 Mode de distribution de l’eau 

La répartition de l’eau aux prises sur un réseau d’irrigation par gravité est faite selon un calendrier d’arrosage qui est déterminé en fonction des modes de distribution choisis. Ces modes de distribution se caractérisent par 3 paramètres de distribution qui sont « l’heure (l’instant) de démarrage », « la durée », et « le débit ». L’heure de démarrage est le moment où un usager peut prélever l’eau dans un canal. La durée et le débit sont respectivement le temps et le débit de prélèvement. Ces trois paramètres peuvent être « fixes », « modulés », « arrangés », « limités » ou « libres ». La définition de ces terminologies est comme suit : • Fixe : la détermination d’un paramètre est faite avant la saison d’irrigation et aucune modification n’est faite durant la saison d’irrigation. • Modulé : la modification est faite par le gestionnaire. • Arrangé : la modification est faite par accords entre les usagers et le gestionnaire. • Limité : les usagers ont accès à l’eau à volonté mais dans les limites imposées par le gestionnaire. • Libre : les usagers ont accès à l’eau à volonté sans limites. Gilot et Ruf [2006] et Clemmens [1987] ont décrit quatre grands groupes de modes de distribution qui sont : 1. Distribution par rotation. Il s’agit d’une distribution lorsque la période d’irrigation est tranchée en durées constantes (fréquences de rotation) et durant chaque tranche, les usagers ont le droit de recevoir l’eau seulement une fois. Les heures de démarrage peuvent être fixées ou limitées. Les durées et les débits peuvent être fixés, modulés, et / ou limités. Les caractéristiques de ces trois paramètres déterminent les variantes des modes de distribution par rotation. Par exemple, la distribution par rotation fixe est exprimée quand ces trois paramètres sont fixes. Lorsqu’au moins un paramètre est modulé et les autres sont fixes, il s’agit de la distribution par rotation modulée. Dans un autre cas, lorsqu’au moins un paramètre est limité et les autres sont fixes, il s’agit de la distribution par rotation souple. En outre, la distribution continue est aussi dans la famille des modes de distribution par rotation. Dans ce contexte, les usagers ont le droit de recevoir l’eau en continu, il n’y a aucun partage du temps d’utilisation entre les usagers. 2. Distribution par la gestion centrale. Aucun arrosage n’est prévu longtemps à l’avance. Le gestionnaire du réseau décide seul des arrosages en fonction des besoins des cultures, des conditions climatiques, et des contraintes techniques. Les trois paramètres sont ainsi modulés. 3. Distribution arrangée. Il s’agit d’une distribution faite lorsque les trois paramètres sont arrangés. Si au moins l’heure de démarrage est arrangée, les deux autres paramètres peuvent être fixés etou limités, il s’agit de la famille des modes de distribution arrangée. Par exemple, la distribution arrangée à débit limité : le débit est limité, mais l’heure de démarrage et la durée sont arrangées. L’arrangement peut porter sur ces 3 paramètres et est fait un certain laps de temps après la demande de l’usager (d’un à quelques jours), en tenant compte des autres demandes, des possibilités des infrastructures et des disponibilités des ressources. La distribution arrangée est employée de plus en plus aux États-Unis, en Australie et en Europe. 4. Distribution à la demande. Les usagers ont libre accès à l’eau. Les trois paramètres sont contrôlés localement par les usagers. Il existe deux autres modes : demande limitée en débit, et demande avec fréquence arrangée. Ceux-ci signifient respectivement que le débit est limité et que l’heure de démarrage est arrangée. Les deux autre paramètres sont libres. La distribution à la demande en débit limité est appliquée par exemple sur le périmètre du Canal de Provence, du Canal de la Neste et du Bas Rhône Languedoc (en France) [Malaterre, 2006]. Ces deux périmètres comprennent les réseaux sous pression. La distribution à la demande est rarement appliquée sur les réseaux d’irrigation de canaux à surface libre, ceci étant dû au temps de retard important dans le transfert d’eau. Ce qui ne peut s’adapter facilement à une demande importante [Malaterre, 2006]. Les distributions par rotation fixe ou continue sont simples à gérer, et en plus le coût d’opération est faible [Clemmens, 1987]. Cependant, ces modes de distribution imposent beaucoup de contraintes aux usagers et aux cultures. Ces contraintes sont réduites lorsque la distribution arrangée est mise en place. Dans la distribution à la demande, les contraintes sont négligeables. En même temps, il est nécessaire d’avoir une grande capacité du canal, et des vannes automatiques, entraînant d’importants investissements [Clemmens, 1987; Merriam, 1987]. 

Tour d’eau 

Un tour d’eau est un concept pour définir le tour des usagers pour prélever l’eau dans un canal d’irrigation. Selon notre analyse sur différents documents [Hautreux, 2001; Leconte, 2003; Chapdaniel, 2009; Dorchies et al., 2011], la distribution au tour d’eau est un autre terme utilisé dans la distribution de l’eau sur un réseau de canaux à surface libre, lorsque la distribution est faite par tranches de temps (soit un cycle d’irrigation de l’ensemble des usagers). Chaque usager n’a qu’un seul prélèvement sur un tour d’eau. La longueur de tranche est appelée « durée de tour d’eau ». Si cette durée est constante, ça renvoie à la notion de rotation : dans ce cas, la distribution au tour d’eau et la distribution par rotation sont les mêmes. Ainsi, les distributions par rotation modulée et souple deviennent respectivement la distribution au tour d’eau modulé et tour d’eau souple. La distribution au tour d’eau peut être aussi la distribution par la gestion centrale (tour d’eau modulé) et la distribution arrangée (tour d’eau arrangé). La distribution au tour d’eau est en général faite par « module4 ». Sur une période d’irrigation, il existe plusieurs tours d’eau et pour chaque tour d’eau, il existe également plusieurs modules. Par exemple, la distribution sur un réseau du Canal de Gignac, en France, commence le 15 mars et finit le 15 octobre. Les tours d’eau se font toutes les semaines avec 100 modules dont chacun a une main d’eau de 35 l/s et chaque usager a un droit d’eau de 5 h/ha. D’autres exemples se trouvent dans le nord-est de l’Inde et au Pakistan pour lesquels la distribution de l’eau est basée sur le principe du « Warabandi » [Dhillon et Paul, 1988; Pike, 1995; Khepar et al., 2000; Gorantiwar et Smout, 2007]. Ce mode de distribution est pratiqué sur un secteur tertiaire auquel l’eau est délivrée en continu avec un module. Les usagers de ce secteur ont le droit de prélever toute l’eau dans le canal lors de son tour. La durée d’un tour d’eau est souvent de 7 jours (exemple : système de tours d’eau dans les périmètres du Bassin de l’Indus) mais dans certains cas cette durée peut être plus élevée (par exemple entre 9,5 et 10,5 jours5 . Le droit d’eau dépend du périmètre. Dans le secteur tertiaire 34790R du périmètre Sirhind au Punjab en Inde, le droit d’eau est estimé à 0,75 h/ha et une main d’eau de 52 l/s [Khepar et al., 2000]. Ce type de mode de distribution est aussi pratiqué sur les canaux de la Crau (Sud de la France). Dans la plupart des périmètres du monde, la distribution de l’eau aux prises d’irrigation s’effectue par le mode de distribution au tour d’eau [Replogle, 1987] qui nécessite un calendrier d’arrosage et un planning de manœuvre des ouvrages, en particulier des vannes de régulation des débits. Cela demande donc de planifier l’allocation de l’eau pour les usagers en avance, et les manœuvres des vannes avant et pendant le tour d’eau. 4Un groupe d’usagers qui ont la même main d’eau (un débit fixé constant pour un usager qui peut le prélever dans un canal) et prélève l’eau de manière séquentielle par l’ordre soit de l’amont vers l’aval, soit de l’aval vers l’amont. 5Un nombre non entier de jours permet de décaler, d’une fois sur l’autre, le moment de la journée où l’usager a accès à l’eau. 

Planification de l’allocation de l’eau 

La planification de l’allocation de l’eau est une action de détermination des trois paramètres de distribution ci-dessus ou un calendrier d’arrosage. A quelle heure, pendant combien de temps, et avec quel débit un usager peut-il prélever l’eau sur sa prise d’irrigation ? Dans la gestion des canaux, la planification de l’allocation de l’eau correspond au cadre de la gestion tactique [Malaterre, 1994; Lamacq, 1997] dont l’échelle de temps est de l’ordre journalière ou hebdomadaire (durée d’un tour d’eau). La planification tient compte de la ressource, des contraintes sur le réseau, et des contraintes sur les usagers. Les règles de planification dépendent des modes de distribution employée dans le périmètre. • Dans la distribution au tour d’eau fixe, le calendrier est défini avant la saison d’irrigation et appliqué tout au long de la saison. Dans la méthode traditionnelle, les 3 paramètres sont fixés selon le droit d’eau et l’ordre d’arrosage qui est défini par le gestionnaire. La durée de prélèvement d’un usager dépend ainsi de la superficie de sa parcelle et l’heure de démarrage dépend de l’ordre qui est en général défini par la position des prises, de l’amont vers l’aval ou à l’inverse. Une fois l’heure de démarrage d’une prise connue, les heures de démarrage des prises sont systématiquement trouvées. Les calendriers des tours d’eau suivants sont les mêmes. L’intervalle entre deux prélèvements d’une prise correspond à la durée d’un tour d’eau, à la durée de rotation, ou la période d’attente qui est aussi fixée par le gestionnaire. • Dans la distribution au tour d’eau arrangé, le calendrier est défini pour chaque tour d’eau selon la flexibilité des paramètres de distribution. Par exemple, si l’arrangement porte sur l’heure de démarrage, la durée et le débit sont définis selon le droit d’eau fixé avant la saison d’irrigation et l’heure de démarrage sont modifiables à chaque tour d’eau. Le gestionnaire collecte les demandes des usagers et les étudie afin de trouver un calendrier commun. Cette action est faite dans un certain laps de temps avant chaque tour d’eau. • Dans la distribution par la gestion centrale ou au tour d’eau modulé, le calendrier est fait au fur et à mesure au cours du temps par la décision du gestionnaire qui est fonction de la croissance des plantes, des conditions météorologiques, et des contraintes liées au réseau, à la ressource et au personnel. Pour un grand périmètre, il peut y avoir des modes de distribution mixtes ; par exemple : tour d’eau fixe et tour d’eau arrangé, à la demande et/ou distribution continue suivant les usagers dans le secteur. La règle de gestion peut être aussi variable. En plus, il existe également différentes fréquences ou durées de rotation. En général, le calendrier est établi par secteur qui comprend un seul mode de distribution et avec une seule fréquence de rotation.