INOWAS – Un système basé sur le Web pour soutenir la mise en œuvre réussie des méthodes de recharge maitrisée des aquifères

INOWAS

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INOWAS est une plateforme de modélisation gratuite basée sur le Web, pour la planification, l’évaluation et l’optimisation de la recharge maitrisée des aquifères (RMA), une solution inspirée de la nature qui vise à recharger intentionnellement les aquifères pour une utilisation ultérieure ou des avantages environnementaux. Cette plate-forme est composée d’un ensemble d’outils pour trouver l’emplacement optimal pour les systèmes de RMA, évaluer les paramètres pour une conception optimale et une gestion opérationnelle et quantifier les impacts attendus de la mise en œuvre. Il contient une compilation d’algorithmes de complexité variable pour résoudre des équations empiriques, analytiques et numériques, fonctionnant sur un serveur accessible via des navigateurs Web standard. Il s’agit d’une solution non dépendante du système d’exploitation et qui a été principalement développée en tant que système d’aide à la décision (DSS) pour les applications de gestion des eaux souterraines utilisant des technologies Web, soutenues par des fonctionnalités de systèmes d’information géographique et effectuant des simulations basées sur le cloud. Sa nature open source permet une mise en œuvre et une diffusion faciles. Il dispose d’une modélisation numérique MODFLOW aux différences finies et est actuellement mis à niveau avec des capacités de collecte et d’analyse de données de surveillance in situ en temps réel pour alimenter et calibrer les modèles d’eaux souterraines. L’objectif principal est de rapprocher les procédures de modélisation réactive en temps réel et la prise de décision pour l’amélioration des ressources en eau intégrées.

Entité responsable

La plate-forme INOWAS a été développée au sein de l’Université technique de Dresde (TUD), par le groupe de recherche junior Managed Aquifer Recharge (MAR) – le groupe INOWAS (Fig. 1). Il s’agit d’une unité de recherche rattachée au Département des Hydrosciences de la Faculté des Sciences de l’Environnement du TUD.

NOWAS MAR junior research group logo
Fig. 1 – Logo du groupe de recherche junior INOWAS MAR

Le groupe INOWAS est fondé sur deux piliers principaux : un pilier expérimental pour comprendre les processus se produisant pendant la recharge et leur variabilité causée par le changement climatique, l’urbanisation et la croissance démographique, et un pilier instrumental pour le développement d’outils de simulation avec un accent sur l’analyse de scénarios.

L’équipe INOWAS est composée de 18 personnes de 12 pays différents et a été continuellement engagée dans le réseautage international depuis sa création en 2014. Parmi les contacts établis, INOWAS, a un réseautage actif avec des associations internationales telles que l’IAH, l’Institut de l’UNESCO pour l’éducation à l’eau ou le CSIRO australien. Le groupe contribue également par des conférences à divers cours d’études tels que « Hydrosciences et ingénierie » et « Eaux souterraines et changement global – Impacts et adaptation » et a promu une série d’écoles d’été internationales depuis 2016.

Le groupe est actuellement dirigé par Catalin Stefan et est responsable du développement du premier inventaire mondial des applications de recharge maitrisée en 2015 (Stefan et Ansems, 2018). Cette enquête a couvert 62 pays et recueilli des informations sur 1200 études de cas concernant l’évolution historique, la caractérisation du site, le schéma opérationnel, les objectifs et les méthodes utilisées, ainsi que la caractérisation quantitative et qualitative des entrées et sorties d’eau. Cette base de données robuste est actuellement disponible dans l’outil de carte Web du Centre international d’évaluation des ressources en eaux souterraines de l’UNESCO.

Explication détaillée

Le groupe INOWAS a reconnu que la plupart des systèmes d’aide à la décision pour la gestion de l’eau sont basés sur des ordinateurs de bureau, ce qui représente une contrainte particulière dans la diffusion. La plate-forme INOWAS est développée comme un service Web en libre accès où l’ensemble du flux de travail est géré directement dans un navigateur Web sans qu’il soit nécessaire d’installer des plug-ins supplémentaires. 

Cela permet également une collaboration multi-utilisateurs en ligne entre chercheurs et décideurs apportant une perspective globale à la gestion des ressources en eau, simplifiant la communication et rendant l’information rapidement disponible partout si nécessaire. Les utilisateurs peuvent travailler sur des tâches privées, publiques ou partagées tandis que la progression du travail est enregistrée à tout moment et peut être reprise plus tard.

La plate-forme INOWAS inclut la possibilité d’assembler des modèles de différences finies des eaux souterraines basés sur MODFLOW et d’effectuer les calculs de simulations directement dans le navigateur Web, sans avoir besoin d’installer de logiciel. 

Cette possibilité diminue les problèmes de compatibilité liés aux systèmes d’exploitation, qui sont récurrents dans les applications de bureau, et ne nécessitent aucune procédure de mise à jour. Pendant la modélisation, le flux de travail est enregistré à tout moment et peut être poursuivi ultérieurement à partir d’une autre machine si nécessaire, en utilisant l’intégration continue de services basés sur le cloud (qui permettront à l’avenir des simulations de modèles numériques très complexes).

La plateforme est structurée comme présenté dans la Fig. 3

nappes du fossé Rhénan

  La place centrale de la plate-forme INOWAS est le tableau de bord personnel qui offre à l’utilisateur un accès aux outils disponibles et aux projets développés par l’utilisateur. Les projets peuvent être enregistrés en tant que privés ou publics (tout utilisateur enregistré peut y accéder), ce qui permet aux autres utilisateurs de visualiser son contenu, de le cloner et d’en éditer une copie. A ce sujet, INOWAS développe actuellement les projets partagés dans lesquels un utilisateur peut créer un groupe pour partager un projet en invitant d’autres utilisateurs et en le rendant accessible et modifiable. Par rapport à l’option Public, tous les membres d’un groupe peuvent travailler ensemble sur un même projet.

Les outils de simulation sont le point fort de la plateforme INOWAS. Ceux-ci sont organisés hiérarchiquement en trois types : (1) empiriques (dérivés de l’exploration de données telles que l’inventaire mondial des applications en RMA ou une base de données pour la cartographie de l’adéquation des sites en RMA basée sur le SIG) ; (2) analytique (basée sur des équations simples pour l’évaluation de l’intrusion d’eau salée, le calcul du rabattement de la rivière induit par le pompage ou l’estimation de la formation d’un monticule d’eau souterraine sous un bassin d’infiltration) ; (3) numérique (simulations basées sur MODFLOW utilisant des modèles numériques de flux et de transport).

Dans les procédures de modélisation, la gestion et l’analyse du scénario convivial permettent une interprétation flexible des résultats et des prévisions futures. L’ensemble d’outils numériques est composé de la modélisation en temps réel T20, de l’écoulement à densité variable T03c (SEAWAT), du gestionnaire de scénarios du modèle MODFLOW T07, du transport de solutés T03b (MT3DMS) et de la modélisation et de l’optimisation numériques des eaux souterraines T03.

Dans son état actuel, l’accès à la plateforme INOWAS est gratuit à des fins éducatives et non commerciales, étant nécessaire pour l’utilisateur de créer un compte. Il s’appuie sur un ensemble très robuste de bibliothèques et de plates-formes open source (Fig. 4).

 INOWAS platform architecture
Fig. 4 – Architecture de la plateforme INOWAS (adapté de Stefan, 2017)

Preuve des avantages de la mise en œuvre

En raison de la nature de la plate-forme, aucun avantage palpable n’est présenté. Les outils compris dans la plate-forme INOWAS ont été utilisés pour évaluer la faisabilité de RMA à plusieurs endroits (Glass et al. 2017a, Kwoyiga et Stefan, 2019), ce qui a abouti à une quantité substantielle de documentation scientifique et technique. Il peut être conclu en raison de l’état actuel de développement de la plate-forme que le projet de base a été mené à bien avec succès. Le groupe INOWAS, à travers la plateforme, a réussi à effectuer une analyse diagnostique des aquifères, à accéder aux schémas de mise en œuvre de RMA, à aider à planifier et à optimiser ces schémas, à promouvoir la gestion durable de l’eau, à développer les capacités des acteurs et la formation académique et surtout à ouvrir la voie à l’amélioration du lien entre la modélisation et prise de décision. Il a été possible de promouvoir la recharge maitrisée des aquifers, grâce au développement d’une base de connaissances intégrée avec des descriptions détaillées et des exemples de meilleures pratiques des techniques de RMA les plus courantes ; et démontrer les avantages de la RMA grâce à la simulation de plusieurs scénarios de gestion (Glass et al., 2017b).

Potentiel de réplication dans la région SUDOE

Les méthodes de RMA se sont révélées être un outil important dans la gestion intégrée des ressources en eau, en particulier dans les zones sujettes à la pénurie d’eau telles que les régions méditerranéennes. Il est donc fondamental de développer des modèles pour évaluer la faisabilité de ces méthodes et prouver leur fiabilité à la fois économique et environnementale, la plate-forme INOWAS bien documentée et testée étant une étape déjà éprouvée pour de telles procédures.

Cadre institutionnel

Le principal moteur du groupe de recherche INOWAS est la recharge maitrisée des aquifers, la recharge ciblée d’un aquifère pour une récupération ultérieure de l’eau ou des avantages environnementaux (Dillon et al., 2009; Bouwer, 2002) et s’est avéré être un instrument fiable pour la gestion durable des eaux souterraines. Ce concept comprend une série de méthodes différentes, des méthodes d’épandage en surface (c’est-à-dire des bassins d’infiltration et des structures similaires) à l’injection de forage, et chacune avec des exigences spécifiques pour la mise en œuvre. Malgré ses avantages économiques et écologiques démontrés, la recharge maitrisée des aquifères n’est toujours pas répandue, en partie à cause d’un accès limité à l’information et d’un manque de connaissances. Pour aider à relever ces défis, INOWAS a encouragé l’innovation technique et le développement d’outils tels que la plate-forme INOWAS pour planifier, évaluer et optimiser les applications de recharge maitrisée des aquifers.

Cadre géographique

Le groupe de recherche junior INOWAS MAR est situé sur le campus externe TUD TU Dresde de Pirna. Pirna est une ville de 38.252 habitants dans le Land allemand de Saxe, la capitale du district administratif de la Suisse saxonne-Monts Métallifères orientaux. 

Dans le cadre du pilier expérimental du groupe INOWAS et de son principal sujet de recherche, un site pilote de RMA a été développé sur le campus TUD de Pirna. Ce site est situé sur les rives de l’Elbe et a permis de mener diverses investigations à la fois en laboratoire et à l’échelle réelle. Le pilote est composé d’un bassin d’infiltration rapide pour simuler des scénarios de RMA dans des conditions naturelles, sept puits de surveillance des eaux souterraines pour effectuer des expériences de traçage et déterminer la direction et la vitesse d’écoulement des eaux souterraines (utile pour les méthodes de stockage-récupération des aquifères) et onze piézomètres de petit diamètre – Fig. 2. 

Tous sont équipés de dispositifs de surveillance en temps réel pour collecter des paramètres in-situ dont l’analyse approfondie a permis de servir d’entrée pour l’étalonnage de modèles numériques de la zone vadose (fondamental pour la RMA).

Location of INOWAS rapid infiltration basin and groundwater monitoring wells
Fig. 2 – Emplacement du bassin d’infiltration rapide INOWAS et des puits de surveillance des eaux souterraines (adapté du site Web du groupe INOWAS)

historique

Un projet portant le même nom de plate-forme financé par le ministère fédéral allemand de l’éducation et de la recherche a jeté les bases du développement d’INOWAS. Le projet a été mené de mai 2014 à avril 2019 et, à l’époque, visait à fournir aux parties prenantes un système d’aide à la décision (DSS) scientifiquement fondé pour la planification, la conception et la gestion des applications dans le secteur de l’eau. Le projet s’est concentré sur l’évaluation qualitative et quantitative des ressources en eaux souterraines, par l’analyse de scénarios, le pronostic et l’évaluation des risques et en ce qui concerne les facteurs climatiques influents. Le projet présentait quatre piliers principaux (Qualification, Connaissances, Informatique et Applications) et était composé de neuf modules de travail (Fig. 5)

Le DSS à plusieurs composants, a ensuite été développé sur une plate-forme Web interactive qui combinait une base de connaissances complète avec des outils d’analyse de scénarios complexes. Un schéma directeur public de la plateforme a été présenté lors du 9e Symposium international sur la recharge gérée des aquifères (ISMAR9), organisé en 2016 à Mexico (Stefan et al. 2016). La sortie publique officielle a eu lieu au cours des derniers mois de 2017, tandis qu’une série d’écoles d’été INOWAS sur la RMA a débuté en septembre 2016. La première université d’été a réuni 26 participants de 18 pays. En 2017, la 2ème université d’été d’une durée de deux semaines (4-15 septembre en 2017), était structurée en deux parties principales : (1) Planification et optimisation des schémas de RMA et (2) Mise en œuvre pratique et études de cas. Une session spéciale a été consacrée à la simulation assistée par ordinateur et à l’analyse de différents scénarios de RMA à l’aide de la plateforme gratuite INOWAS (Stefan et al., 2019).

INOWAS project architecture
Fig. 5 – INOWAS project architecture (adapted from INOWAS project flyer)

Perspectives d’avenir

Il est prévu qu’INOWAS soit la plateforme de modélisation de RMA à Katmandou (Népal) et d’enseignement de la modélisation des eaux souterraines au Brésil. Une avancée importante pour la plateforme est le projet de recherche en cours SMART-Control, dirigé par le groupe INOWAS et financé par l’Initiative de programmation conjointe de l’eau (WaterJPI) et mis en œuvre par neuf institutions d’Allemagne, de France, de Chypre et du Brésil. L’objectif principal est de réduire les risques associés à la RMA par le développement d’un système de surveillance et de contrôle en temps réel en combinaison avec des outils d’évaluation et de gestion des risques. L’approche du projet repose sur le couplage d’un système d’observation in situ en temps réel composé de capteurs en ligne et d’une plateforme de surveillance et de modélisation des eaux souterraines basée sur le Web. Le système résultant fournira aux opérateurs et aux gestionnaires des systèmes de RMA des outils d’aide à la décision automatique pour surveiller, contrôler et prévoir les processus se produisant pendant la RMA. L’approche sera testée et validée sur six sites de RMA dans différentes conditions environnementales et opérationnelles (Glass et al., 2020). La plate-forme INOWAS sera enrichie dans le cadre du projet SMART-Control par quatre outils de simulation supplémentaires (Fig. 6) :

  • T1. Évaluation initiale des risques. Pour évaluer la viabilité d’un projet de RMA et l’évaluation préliminaire des risques pour la santé humaine et l’environnement avec une composante d’évaluation quantitative des risques microbiens (QMRA) comprenant l’identification des dangers, l’évaluation de l’exposition, l’analyse des doses et la caractérisation des risques pour prédire le risque d’infection ou de résultat lié à la maladie.
  • T2. Surveillance et contrôle en temps réel. Faciliter la gestion opérationnelle des sites de RMA en procédant à l’intégration en temps réel des données de séries temporelles dans la plateforme de modélisation INOWAS. Les capteurs installés dans les installations de RMA du monde entier peuvent être connectés à la plate-forme INOWAS pour transférer les données collectées en temps réel.
  • T3. Mise à jour automatique du modèle d’eau souterraine et simulations reposant sur les capacités de la plateforme INOWAS permettant une réponse rapide et une gestion optimisée.
  • T4. Prédictions pour la gestion avancée du système afin d’évaluer la disponibilité spatiale et temporelle de l’eau selon différents scénarios tels que le changement climatique et l’utilisation des terres.

 Les capacités de modélisation collaborative d’INOWAS seront également la plate-forme centrale du prochain projet AgreeMAR financé par PRIMA de l’Union européenne.

SMART-control architecture
Fig. 6 – Architecture de contrôle SMART (adapté de Glass et al., 2020)

Ce projet devrait démarrer en 2022 et vise à développer un cadre de gouvernance adaptatif intégré à un ensemble d’outils qui aideront les décideurs et les gestionnaires de l’eau à parvenir à une gestion intégrée durable des ressources en eau et sera mis en œuvre dans les régions méditerranéennes de Tunisie, d’Espagne, Chypre et Portugal.

Points clés de la méthode innovante

  • INOWAS Platform est une plateforme de modélisation gratuite basée sur le Web pour la planification, l’évaluation et l’optimisation des applications de RMA
  • Elle a été développé par un groupe de recherche récemment constitué basé à l’Université technique de Dresde et se concentre sur la RMA
  • La plate-forme permet l’utilisation intégrée de diverses complexités de modèles et offre la meilleure accessibilité des données de projet et une collaboration multi-institutionnelle grâce à une mise en œuvre basée sur le Web
  • utilise une combinaison d’outils open source largement disponibles et promeut l’approche d’analyse basée sur des cas avec prise en charge de l’estimation des paramètres du modèle et de la recherche de solutions
  • Des capacités cloud sont en cours de développement ainsi que la capacité d’analyser des données en temps réel pour l’étalonnage de la modélisation numérique

Remerciements

Cette pratique innovante a été suggérée par Teresa Leitão du Laboratoire national portugais de génie civil – LNEC – après discussion entre PPA et LNEC.

References

Bouwer, H., 2002. Artificial recharge of groundwater: hydrogeology and engineering. Hydrogeology Journal 10, 121–142. https://doi.org/10.1007/s10040-001-0182-4

Dillon, P., Pavelic, P., Page, D., Beringen, H., Ward, J., 2009. Managed aquifer recharge. An introduction waterlines report series 13. https://recharge.iah.org/files/2016/11/MAR_Intro-Waterlines-2009.pdf

Glass, J., Stefan, C., Junghanns, R., 2017a. Free MODFLOW-based web modeling framework for planning and assessment of managed aquifer recharge schemes. Presentation at the MODFLOW and More 2017: « Modeling for Sustainability and Adaptation » Conference, Golden, Colorado, USA, 21-24 May 2017. http://igwmc.mines.edu/MODFLOW2017/2017_PROCEEDINGS_MODFLOW-and-More.pdf 

Glass, J., Sallwey, J., Junghanns, R., Fichtner, T., Stefan, C., 2017b. Web-based compilation of empirical and analytical equations for the sustainable management of groundwater resources. 44th Annual Congress of the International Association of Hydrogeologists, IAH, Dubrovnik, Croatia. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.11414.86083

Glass, J., Junghanns, R., Schlick, R., Stefan, C., 2020. SMART-Control Deliverable D4.2: Web-based real-time monitoring and control capabilities -Implementation of web-based real-time monitoring tool on INOWAS platform. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.16843.52007.

Stefan, C., Fatkhutdinov, A., Ringleb, J., Sallwey, J., 2016. Integrated web-based framework for planning and assessment of managed aquifer recharge. 9th International Symposium on Managed Aquifer Recharge – ISMAR9. https://recharge.iah.org/files/2021/02/ISMAR9_book_abstracts.pdf 

Stefan, C., 2017. Web-Based Modelling Framework for Planning and Assessment of Managed Aquifer Recharge Application. Presentation for the Dresden Nexus Conference (DNC2017). http://dresden-nexus-conference.org/archive/2017/wp-content/uploads/2017/06/A5-Stefan.pdf

Stefan, C., Junghanns, R., Glass, J., Sallwey, J., Fatkhutdinov, A., Fichtner, T., Barquero, F., Moreno Gómez, M., Bonilla, J., 2017. Free web-based modelling platform for managed aquifer recharge (MAR) applications. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.23732.04483

Stefan, C., Ansems, N., 2018. Web-based global inventory of managed aquifer recharge applications. Sustain. Water Resour. Manag. 4, 153–162. https://doi.org/10.1007/s40899-017-0212-6

Stefan, C., Junghanns, R., Glass, J., Sallwey, J., Barquero, F., Fichtner, T., Schönekerl, C., 2019. Using free web-based tools for strengthening capacities and promotion of MAR. 10th International Symposium on Managed Aquifer Recharge – ISMAR10. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.16129.10088 

INTERNET REFERENCES:

INOWAS platform website (https://inowas.com/)

INOWAS project flyer (https://tu-dresden.de/bu/umwelt/hydro/iak/ressourcen/dateien/inowas/dateien/2014/poster_kassel?lang=en)

SMART-control project information (https://www.smart-control.inowas.com)

IGRAC GW Resources Assessment Center MAR Portal (https://ggis.un-igrac.org/view/marportal)

Other sources:

https://tu-dresden.de/bu/umwelt/hydro/inowas/research/projects/inowas

http://en.pirna.de/Home/4188l1/

INOWAS platform participating members:

INOWAS MAR junior research group (https://tu-dresden.de/bu/umwelt/hydro/inowas/about)

Technical University of Dresden (https://tu-dresden.de/)

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Description et objectifs du projet

La communauté scientifique recommande une amélioration substantielle de la connaissance des aquifères, la mise en place de réseaux de surveillance fiables et une plus grande implication de l'administration et des usagers pour parvenir à une gestion durable des...

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La Communauté des usagers de l'eau du delta du Llobregat a conçu des bassins de recharge à Molins de Rei pour recharger l'aquifère du Baix Llobregat. Vue d'un des bassins de rechargement pendant la phase de test La Communauté des usagers de l'eau du delta du Llobregat...

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