Thèse en informatique H/F : Élaboration d'une approche multi-fidélité et multi-modèles pour les bassins versants d'amont

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Sujet De Thèse

Élaboration d'une approche multi-fidélité et multi-modèles pour les bassins versants d'amont

Contexte — Les bassins versants constituent les parties les plus en amont des réseaux fluviaux et représentent une part importante du système hydrologique européen. Bien qu'ils soient relativement petits (de quelques kilomètres carrés à quelques centaines de kilomètres carrés), ils jouent un rôle prépondérant dans la gestion des ressources en eau.

Au cœur de leur fonctionnement se trouvent les aquifères qu'ils abritent, qui régulent l'infiltration, le stockage et le rejet de l'eau vers les cours d'eau. Ces aquifères assurent le débit des rivières pendant les périodes de sécheresse et influencent fortement les réactions hydrologiques face à la variabilité et aux phénomènes climatiques extrêmes.

Pourtant, malgré leur importance, ces systèmes restent mal compris et difficiles à prévoir. Leur comportement résulte d'interactions complexes et très variables entre la géologie, la topographie et le climat. À travers l'Europe, cette diversité entraîne de forts contrastes dans la dynamique des eaux souterraines, tandis que la plupart des aquifères de tête de bassin font l'objet d'une surveillance insuffisante.

Dans un contexte marqué par l'aggravation des sécheresses et la pression croissante sur les ressources en eau, ce manque de connaissances limite notre capacité à anticiper les changements dans la disponibilité de l'eau. Pour relever ce défi, il faut mettre en place de nouvelles approches de modélisation capables de représenter les processus liés aux eaux souterraines dans des milliers de bassins versants hétérogènes.

Pour travailler sur ce problème, le projet FutureFlow propose de transposer à l'hydrologie des concepts issus du génie logiciel, tels que la modélisation à plusieurs niveaux de fidélité et le changement de modèle. L'objectif est de mettre au point des systèmes de modélisation adaptatifs capables de sélectionner et de combiner des modèles de complexité variable, afin de mieux représenter la dynamique des eaux souterraines et d'améliorer les prévisions à grande échelle dans le contexte du changement climatique.


Objectif — Cette thèse de doctorat s'appuiera sur les ressources numériques existantes et mettra à profit des méthodes avancées issues du génie logiciel afin de développer un cadre robuste et adaptable permettant de manipuler et de coupler différents modèles. L'interface, les modèles et les stratégies d'évaluation comparative qui en résulteront jetteront les bases d'interactions fluides entre les modèles, facilitant ainsi leur déploiement automatique, du bassin versant à l'échelle régionale.


La question de recherche principale est la suivante : comment intégrer, interconnecter et combiner de manière dynamique des modèles hydrologiques hétérogènes au sein d'un cadre unifié à plusieurs niveaux de fidélité ?

Enjeu scientifique — Il existe déjà de nombreux modèles de calcul, mais ceux-ci ont généralement été développés de manière isolée, avec des structures de données et des interfaces hétérogènes. Par conséquent, le remplacement d'un modèle par un autre — ce que l'on appelle ici le « changement de modèle » — reste difficile à mettre en œuvre dans la pratique.

Cette limitation entrave la comparaison systématique, la combinaison et l'utilisation adaptative des modèles. L'objectif est donc de permettre le passage d'un modèle à l'autre, qu'ils soient de nature différente (par exemple, des modèles fondés sur la physique par opposition à des modèles simplifiés ou fondés sur des données) ou qu'ils présentent des niveaux de précision différents, afin de favoriser les approches à fidélité multiple.

Méthodes — Les travaux porteront dans un premier temps sur la conception d'une interface commune visant à normaliser les interactions avec les modèles HWC. Cela implique notamment d'harmoniser les entrées et les sorties, de gérer les flux de travail de simulation et d'assurer l'interfaçage avec les outils d'étalonnage, tout en permettant une interaction fluide entre les modèles utilisés dans le projet sans modifier leur code source.

Cela impliquera le développement d'adaptateurs spécifiques visant à harmoniser l'accès aux différents modèles hydrogéologiques. Sur la base d'une analyse de leurs structures et formats de données, les travaux consisteront à définir des représentations normalisées des domaines de simulation, des propriétés hydrogéologiques, des conditions aux limites et des conditions initiales, des termes source/puits, des périodes de contrainte et des résultats, ainsi que des adaptateurs spécifiques à chaque modèle permettant la communication avec l'interface commune.

Parallèlement, un cadre de modélisation unifié sera mis au point pour traiter les données et coordonner les flux de travail de simulation. Une attention particulière sera accordée à la cohérence de la paramétrisation entre les différents modèles, notamment lorsqu'il s'agit de processus physiques, de discrétisations spatiales et de résolutions temporelles différents.

Contributions scientifiques — S'appuyant sur ces avancées, ces travaux contribueront à la conception de systèmes de simulation adaptatifs multimodèles et multifidélité. L'une des principales contributions consistera à formaliser et à mettre en œuvre un mécanisme de changement de modèle permettant des transitions fluides entre des modèles de différents niveaux de fidélité.

Au-delà de la mise en œuvre, ces travaux aborderont des questions scientifiques fondamentales liées à la définition de la fidélité des modèles, à la caractérisation des domaines de validité des modèles et à l'élaboration de critères de sélection des modèles. Ils examineront comment des modèles hétérogènes peuvent être combinés au sein d'un cadre unifié afin d'optimiser les compromis entre précision, robustesse et coût de calcul.

Ces contributions visent à approfondir la compréhension des systèmes de simulation adaptatifs et à fournir un cadre générique pour l'intégration multimodèle au-delà de l'hydrologie.Mise en œuvre, validation et impact — Les concepts proposés seront mis en œuvre sous forme de prototypes, notamment une plateforme en ligne hébergeant le cadre de modélisation, les modèles de simulation et leurs adaptateurs. Ces prototypes permettront de mener des évaluations empiriques, des tests et de diffuser les résultats scientifiques.

Au-delà de leur mise en œuvre, les résultats attendus ont un double impact. Du point de vue de l'informatique, ces travaux contribueront à faire progresser les méthodologies d'intégration multimodèle, de simulation adaptative et de systèmes multifidélité. D'un point de vue environnemental, le cadre de modélisation mis au point sera utilisé par un large éventail de chercheurs et de professionnels impliqués dans la gestion des ressources en eau et la protection des écosystèmes, ce qui permettra de mieux évaluer et anticiper les réactions hydrologiques au changement climatique.

Environnement — Ce doctorat se déroulera dans un environnement multidisciplinaire, à la croisée de l'informatique et de l'hydrologie, dans le cadre d'une collaboration internationale entre la France et la Suisse. Les travaux impliqueront une interaction étroite entre le génie logiciel et les sciences de l'environnement, favorisant ainsi le développement de compétences interdisciplinaires.

Il n'est pas nécessaire d'avoir une formation en hydrologie, car les connaissances requises dans ce domaine seront acquises progressivement au cours du doctorat, grâce à la collaboration avec des hydrogéologues et les partenaires du projet.

Bibliographie

Sallou, J., et al., 2020. Loop Aggregation for Approximate Scientific Computing. ICCS
2020 - International Conference on Computational Science.

Marcais, J., de Dreuzy, J.-R., et al., 2017. Dynamic coupling of subsurface and seepage flows solved within a regularized partition formulation. AWR 109, 94

Langevin, C.D., Provost, A.M., Panday, S., Hughes, J.D., 2022. Documentation for the MODFLOW 6 Groundwater Transport Model, Techniques and Methods. Reston, VA

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