Méthodologie d'aide à la décision multi-acteur et multi-échelles pour les systèmes nexus eau-énergie-alimentation

Methodology for multi-actor and multi-scale decision support for Water-Food-Energy systems

• Auteur / Autrice : Amaya Saint-Bois
• Direction : Ludovic Montastruc, Marianne Boix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 24/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Floquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Montastruc, Marianne Boix, Pascal Floquet, Stratos Pistikopoulos, Grégoire Léonard, Olivier Thérond
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raffaella Ocone, Ana Paula Barbosa-Povoa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol, Utilisation agricole du

Énergies renouvelables

Simulation, Méthodes de

Mots clés libres

Méthodologie d'aide à la décision

Nexus Eau - Energie - Alimentation (WEFN)

Multi-acteur

Multi-échelles

Modélisation intégrée

Decision-support approach

Water-Energy-Food Nexus (WEFN)

Multi-actor

Multi-scale

Integrated modeling

Résumé

Cette étude présente une méthodologie générique multi-acteurs et multi-niveaux pour la gestion des systèmes nexus eau-énergie-alimentation. Les systèmes nexus eau-énergie-alimentation sont des systèmes où l’eau, l’énergie et l’alimentation interagissent et présentent des synergies et des compromis à différentes échelles spatiales et temporelles. Leur gestion est menée par des décideurs provenant de secteurs divers, qui interviennent à des niveaux de décision variés. Ces systèmes sont complexes et le niveau opérationnel ne peut être négligé pour concevoir des stratégies de gestion adéquates.Ce travail présente la première méthodologie destinée aux systèmes nexus eau-énergie-alimentation, qui combine des simulations opérationnelles et intégrées de systèmes multi-agents avec des méthodes d’aide à la décision stratégique. Les simulations à échelles opérationnelles alimentent des outils d’aide à la décision stratégique. La méthodologie a été appliquée à des problèmes d'utilisation des terres à l’échelle de la parcelle agricole. Pour chaque territoire étudié, le nombre de combinaisons possibles d'allocations de stratégies d'utilisation des terres aux parcelles est égal au nombre de stratégies d'utilisation des terres considérées pour chaque parcelle, exponentiel le nombre de parcelles du territoire. Des méthodes d’aide à la décision multicritères basées sur des simulations Monte Carlo ont été conçues afin de pouvoir trouver des solutions de gestion pour des grands territoires (plus de 1000 parcelles) pour lesquels plus de deux stratégies d’utilisation des terres sont considérées sur chaque parcelle. Une méthode d'optimisation multi-objectif a été conçue pour produire des scénarios d'utilisation des terres optimisés à l’échelle du territoire.La méthodologie a été appliquée à un territoire agricole d'environ 800 km² et 15224 parcelles situé en aval du bassin versant de l’Aveyron en France. Le bassin versant subit du stress hydrique et se trouve dans l'une des régions les plus ensoleillées de France. La production d'énergie renouvelable sur des terres agricoles apparaît comme un moyen de répondre aux objectifs nationaux de production d'énergie renouvelable et de progresser vers des systèmes et des régions agricoles durables. L'installation d'unités de production d'énergie renouvelable sur des terres agricoles confrontées au stress hydrique est une parfaite illustration d'un système nexus eau-énergie-alimentation pour lequel une approche holistique est requise. Les fonctionnalités de la plateforme multi-agents MAELIA (modélisation des systèmes socio-agro-écologiques pour l'évaluation intégrée des paysages), développée par des chercheurs français pour simuler des systèmes agro-hydrologiques complexes, ont été étendues et MAELIA a été utilisée pour simuler la dynamique des systèmes nexus eau-énergie-alimentation au niveau opérationnel. Trois méthodes qui combinent la procédure d’analyse hiérarchique (méthode de prise de décision multicritères) avec des simulations Monte Carlo ont été conçues. La première se base sur des indicateurs à l’échelle de la parcelle pour émettre des décisions locales ; elle sélectionne des stratégies d'utilisation des terres qui optimisent des indicateurs au niveau de la parcelle. Les deux autres méthodes basent leurs prises de décisions sur des indicateurs régionaux. La première identifie le meilleur scénario régional d'utilisation des terres parmi un ensemble de scénarios connus et la deuxième explore l’espace combinatoire des allocations de stratégies d'utilisation des terres à l’échelle de la parcelle et sélectionne une combinaison qui optimise les critères au niveau régional. Une méthode d'optimisation multi-objectif basée sur la programmation linéaire en nombres entiers mixtes (MILP) et la programmation par objectifs a été développée avec le logiciel IBM ILOG CPLEX pour produire des scénarios optimisés à l’échelle régionale, qui allouent des stratégies d’utilisation des terres à l’échelle de la parcelle.

This study presents a generic multi-actor multi-level methodology to optimize the management of water-energy-food nexus systems. Water-energy-food nexus systems are systems where water, energy and food resources interact and present synergies and trade-offs at varied spatial and temporal scales and whose management is impacted by cross sector decision-makers and stakeholders that take action at varied decision levels. Water-energy-food nexus systems are complex and dynamic systems for which the operational level cannot be overlooked to design adequate management strategies.The novelty of this methodology lies in it being the first one to combine spatial operational multi-agent based integrated simulations of complete water-energy-food nexus systems with strategic multi-criteria decision-making methods and multi-objective optimization. The framework simulates nexus systems at temporal and spatial operational scales to derive strategic spatial allocations of resources. The framework is used to allocate land-use alternatives to parcels for agricultural territories. The number of possible combinations of land-use allocations to parcels equals the number of possible parcel land-use allocations explored for each parcel exponential the number of parcels in the territory considered. Multi-criteria decision-making methods based on exploratory Monte Carlo simulations have been designed to provide decision support for large territories (more than 1000 parcels) for which more than two land-use allocation alternatives are compared for each parcel. A multi-objective optimization method has been designed to produce optimized regional level land-use scenarios. The multi-objective optimization method is limited computationally and can face convergence issues when the number of possible combinations of land-use allocations to parcel explodes.The methodology has been applied to an agricultural watershed of approximately 800 km2 and 15224 parcels situated downstream the French Aveyron River. The watershed experiences water stress and is located in one of France’s sunniest regions. Renewable energy production in agricultural land appears as a means to meet national renewable energy production targets and to move towards autonomous sustainable agricultural systems and regions. The installation of renewable energy generation units in agricultural land facing water stress is a perfect illustration of a complex water-energy-food system for which a holistic approach is required. MAELIA (modelling of socio-agro-ecological systems for landscape integrated assessment), a multi-agent based platform developed by French researches to simulate complex agro-hydrological systems, has been extended and used to simulate dynamics of water-energy-food nexus systems at operational level. Three strategic multi-criteria decision-making methods that combine Monte Carlo simulations with the Analytic Hierarchy Process method have been designed. The first one is local; it selects land-use alternatives that optimize multi-sector parcel level indicators. The other two are regional; decisions are based on regional indicators. The first regional decision-making method identifies the best uniform land-use regional scenario from those known and the second regional decision-making method explores the possible combinations of land-use allocations to parcels and selects the one that optimizes multi-sector criteria at regional level. A multi-objective optimization method that combines MILP (Mixed Integer Linear Programming) and goal programming has been implemented with IBM’s ILOG CPLEX optimization studio to find parcel level land-use allocations that optimize regional multi-sector criteria.