Joint water-supply and hydropower management in a capacity-depleted multipurpose reservoir: the two-input AD-2I–WE model for Akhangaran

Les réservoirs d'eau sont les grands réservoirs de la civilisation, retenant le flux saisonnier des rivières de montagne pour libérer l'eau lentement lorsque les champs sont secs et que les villes ont soif. Mais ces réservoirs ont un ennemi caché : le limon. Au fil des décennies, le sable et la boue transportés par la rivière se déposent au fond, remplissant lentement le réservoir depuis le plancher vers le haut. Ce processus, connu sous le nom de sédimentation, ne se contente pas de réduire la quantité totale d'eau qu'un réservoir peut contenir ; il change les règles mêmes de la gestion de cette eau. Un niveau d'eau qui signifiait autrefois un réservoir plein peut désormais signifier un réservoir presque vide, et le moment où l'eau est libérée devient un équilibre délicat entre maintenir les cultures en vie et générer de l'électricité. En Asie centrale, où la fonte des neiges alimente les rivières au printemps mais où les agriculteurs ont besoin d'eau surtout pendant l'été chaud, cet équilibre est critique. Si la capacité de stockage diminue, la capacité de transporter l'eau de la saison humide vers la saison sèche diminue, menaçant à la fois la sécurité alimentaire et la production d'énergie.

Des chercheurs de l'Université de recherche nationale TIIAME en Ouzbékistan ont abordé ce problème au réservoir d'Akhangaran, une installation vitale située près de Tachkent qui fournit de l'eau d'irrigation et de l'énergie hydroélectrique. En combinant des décennies de relevés sous-marins avec des enregistrements quotidiens des niveaux d'eau et de la production d'électricité, ils ont développé une nouvelle façon de gérer le réservoir qui s'adapte à sa taille décroissante. L'étude révèle que le réservoir a perdu une partie significative de sa capacité depuis les années 1970, forçant les opérateurs à repenser la manière dont ils déplacent l'eau à travers les saisons. L'équipe a créé un modèle de prise de décision flexible qui utilise deux entrées principales : la quantité actuelle d'eau dans le réservoir et la commande annuelle de la quantité d'eau dont les agriculteurs ont besoin. Cette approche permet au système de donner la priorité à la sécurité et à la livraison d'eau en premier, puis de trouver des moyens de générer plus d'électricité sans compromettre l'approvisionnement en eau.

L'histoire du réservoir d'Akhangaran montre une tendance claire et préoccupante. Entre 1972 et 2022, le volume total d'eau que le réservoir pouvait contenir à son niveau normal est passé de 197,7 millions de mètres cubes à 169,4 millions de mètres cubes. Cela représente une perte de 28,3 millions de mètres cubes, soit environ 14 % de sa capacité initiale. Le taux de cette perte s'est accéléré ces dernières années, près des deux tiers de la perte totale s'étant produits entre 2006 et 2022. Cette réduction signifie que le tampon physique disponible pour stocker la fonte des neiges printanière afin de l'utiliser pendant les mois d'été secs a considérablement diminué. Lorsque les chercheurs ont examiné la manière dont le réservoir était réellement exploité entre 2020 et 2025, ils ont constaté que les règles existantes, basées sur les dimensions plus anciennes et plus grandes du réservoir, ne fonctionnaient plus efficacement. Sous l'ancienne approche, le système n'a pas réussi à répondre aux demandes d'eau durant près de 30 % des périodes mesurées, les pénuries les plus graves survenant en juillet, août et septembre, lorsque les besoins d'irrigation sont les plus élevés.

Pour comprendre comment y remédier, les chercheurs ont testé trois stratégies de gestion différentes. La première consistait simplement à observer comment le réservoir est actuellement géré pour voir où il échouait. La seconde était une approche rigide qui tentait de garantir qu'une quantité spécifique d'eau reste dans le réservoir à la fin de chaque année, peu importe ce qui se passait pendant l'été. La troisième était leur nouveau modèle adaptatif, qui fixait un seuil de sécurité strict pour garantir que le réservoir ne descende jamais à un niveau dangereusement bas au cours de l'année, tout en ajustant la quantité d'eau libérée en fonction de la situation actuelle. L'approche rigide, basée sur un objectif de fin d'année, a échoué car elle forçait le réservoir à retenir trop d'eau tôt dans l'année, provoquant des pénuries pendant les mois critiques de l'été. Le nouveau modèle adaptatif, cependant, a réussi à maintenir un tampon de sécurité de 15 millions de mètres cubes dans le réservoir à tout moment. Ce faisant, il a amélioré la fiabilité de la livraison d'eau d'environ 6 % et a réduit le montant total de l'eau manquante d'environ 21 % par rapport aux opérations actuelles.

Une découverte clé de l'étude est que la gestion du moment des lâchers d'eau peut considérablement stimuler la production d'électricité sans utiliser d'eau supplémentaire. L'hydroélectricité dépend non seulement du volume d'eau circulant à travers les turbines, mais aussi de la hauteur de l'eau au-dessus d'elles ; l'eau libérée d'un niveau plus élevé génère plus de puissance. Les chercheurs ont découvert qu'en décalant le lâcher d'eau vers les moments où le réservoir était plus plein et la pression de l'eau plus élevée, ils pouvaient augmenter la production d'énergie annuelle de près de 34 % par rapport à un calendrier standard. Cette augmentation provenait entièrement d'un meilleur minutage, et non de la consommation de plus d'eau ou de l'abaissement de la sécurité de l'approvisionnement en eau. Même avec ces améliorations, le modèle produisait moins d'énergie que ce qui a été réellement observé ces dernières années, ce qui suggère que les opérations réelles tirent parti de conditions difficiles à prédire ou que les limites physiques des turbines sont poussées d'une manière que le modèle ne capture pas entièrement.

L'étude a également mis en évidence une limitation structurelle qu'aucune amélioration de la gestion ne peut résoudre. En 2022, une année avec un apport d'eau exceptionnellement élevé, le réservoir a été contraint de déverser 63 millions de mètres cubes d'eau. Ce déversement s'est produit même lorsque le modèle avait une connaissance parfaite de la météo et des niveaux d'eau à l'avance. La cause était une combinaison de la capacité de stockage réduite du réservoir et de la limite physique des turbines, qui ne peuvent laisser passer qu'une certaine quantité d'eau par seconde. Lorsque l'eau arrivait plus vite que les turbines ne pouvaient la traiter et que le réservoir était déjà plein, l'excédent devait être évacué. Cette conclusion pointe vers une contrainte d'infrastructure matérielle : l'équipement actuel ne peut pas gérer les flux élevés des années humides, ce qui entraîne un gaspillage d'eau qui pourrait autrement être utilisé pour l'énergie ou stocké pour plus tard.

Les chercheurs ont également testé comment le système réagirait si la demande d'eau d'irrigation augmentait. Ils ont constaté que demander plus d'eau n'entraînait pas de production d'électricité nettement supérieure. À mesure que la commande d'eau d'irrigation passait de 280 millions de mètres cubes à 350 millions de mètres cubes, la quantité d'énergie générée restait presque exactement la même, tandis que le montant de la demande d'eau non satisfaite augmentait brusquement. Cela indique que simplement exiger plus d'eau ne rend pas le système plus efficace ; au contraire, cela crée un écart plus important entre ce qui est nécessaire et ce qui peut être livré. L'étude conclut que la voie la plus efficace consiste à traiter la commande d'irrigation comme une cible flexible qui peut être ajustée en fonction de l'eau réellement disponible, plutôt que comme une promesse fixe qui doit être tenue à tout prix.

En fin de compte, ce travail démontre que dans un réservoir qui a perdu une partie significative de sa capacité, les anciennes règles ne s'appliquent plus. La solution n'est pas d'essayer de forcer le système à se comporter comme s'il était encore plein, mais d'adapter la stratégie de gestion à la nouvelle réalité. En utilisant un modèle qui vérifie constamment le niveau d'eau actuel et les besoins spécifiques de la saison, les opérateurs peuvent protéger l'approvisionnement en eau, éviter les niveaux bas dangereux, et tout en trouvant des opportunités pour générer plus de puissance. L'étude fournit une feuille de route claire pour gérer une ressource qui rétrécit, montrant qu'avec la bonne approche, il est possible de maintenir la sécurité pour les agricteurs et les réseaux électriques même lorsque le paysage physique change sous leurs pieds. Les conclusions suggèrent que la prochaine étape pour le réservoir d'Akhangaran est de mettre à jour ses règles opérationnelles pour refléter sa taille actuelle et d'envisager la mise à niveau des turbines pour gérer les débits élevés qui causent actuellement de tels déversements importants.