R EVUE DE STATISTIQUE APPLIQUÉE
S. F ERRY
L’utilisation des méthodes statistiques à l’Électricité de France pour la prévision des apports dans les réservoirs. Examen des résultats obtenus
Revue de statistique appliquée, tome 4, n
o2 (1956), p. 63-74
<
http://www.numdam.org/item?id=RSA_1956__4_2_63_0>
© Société française de statistique, 1956, tous droits réservés.
L’accès aux archives de la revue « Revue de statistique appliquée » (
http://www.sfds.asso.fr/publicat/rsa.htm
) implique l’accord avec les conditions générales d’uti- lisation (
http://www.numdam.org/conditions). Toute utilisation commerciale ou im- pression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou im- pression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright.
Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques
http://www.numdam.org/
-63-
L’UTILISATION DES MÉTHODES STATISTIQUES A L’ÉLECTRICITÉ DE FRANCE POUR LA PRÉVISION
DES APPORTS DANS LES RÉSERVOIRS
EXAMEN DES RÉSULTATS OBTENUS
par
S. FERRY
Chef de la Division
Technique
Généraleà la Production
Hydraulique d’Électricité
de FranceDans le cadre des séances
spéciales
de laprésente
Session du ComitéTechnique
de la SOCIETE HYDROTECHNIQUE DE FRANCE,j’ai
été convié àexposer ici
l’emploi
que nous faisons, à l’ELECTRICITE DE FRANCE, des méthodesstatistiques
pour laprévision
desapports
dans nos réservoirs."A
l’origine
de nos travaux,j’ai déjà
eu l’occasion de traiter lesujet
devantle Comité
Technique,
Mais,depuis
lors, nous avons émis de nombreusesprévisions
relatives à des bassins desAlpes
et desPyrénées.
Que valent-elles ? C’est cetaspect
éminemmentpratique
delaquestion
queje
me propose d’exami-ner
plus particulièrement aujourd’hui.
Je devrai,
néanmoins, rappeler
pour commencer enquoi
consistent nosprévisions
etquels
sont lesprincipes
de basesimples
surlesquels
elless’appuient.
Jeprésente
mes excuses, à ce propos, aux statisticiens iciprésents,
si, pour
permettre
à ceux des auditeursqui
ne sont pas familiers avec lelangage statistique
et lesprincipes
de lacorrélation, je
suis amené à exposerrapidement quelques
notions élémentaires sous une forme volontairementschématique,
et àtraduire de manière
plus
concrète certainesgrandeurs
utilisées par les statisti- ciens.Tout d’abord,
je
dois insister sur le fait que, lesphénomènes
àprévoir ayant
un caractère aléatoire trèsaccusé,
le mot"prévision"
ne doit absolument pas être assimilé à"prédiction".
Prévoir lesapports signifie
pour nous : donnerune estimation des
probabilités
de trouver les apports à venird’une période
déterminée entre telles ou telles limites, en tenant compte au mieux de tous les éléments d’information dont on
dispose,
au moment de laprévision.
Pour concrétiser ces indications,
je
vais vousprojeter
lareproduction
d’unbuD.Ua de
prévision,
émis par notre Service le ler mars 1955, pour le bassin alimentant le réservoir desSept-Laux
dans lesAlpes
duDauphiné (Fig. 1).
Laprévision
estreprésentée
sous formegraphique
par 5 courbescorrespondant
aux apports cumulésdepuis
le ler marsjusqu’à
finjuin, juillet,
août,septembre
quenous estimons avoir
respectivement
lesprobabilités 9/10 ; 8/10 ; 5/10
et1/10
d’être
dépassés.
A titre decomparaison,
on areporté
la valeur moyenne desapports
de lapériode
1932-54 ; on voit que, en raison del’enneigement exception-
nel de l’hiver 1954-55, les
apports prévus
en 1955 se situaient très au-dessus de la moyenne.Après
coup, nous avonségalement reporté
sur legraphique
les-64-
Fig.
1 - BASSIN : SEPT-LAUX -Prévisions
d’apports
à la date du ler Mars 1955GRAPHIQUE - donnant à chaque fin de mois du 30/6 au 30/9 les valeurs des apports globaux ayant 1 - 2 - 5 - 8 et 9 chances sur 10 d’être dépassées.
Caractéristiques du B. V. et du Réservoir
Superficie du B. V... 9, 6 Km2 Capacité utile du réservoir ... 13,7 Mm3 Situation du ...
6, 9
Mm3Réservoir au ler Mars 1955 ...
6
50 %Débit Maximum turbinable
) ... 4,7 m3/sec
à l’usine de tête (D. M. T.) ) ... 16,9x 103m3/heure Equivalence ... 1 Mm3 = 59h. D.M.T.
TABLEAU - donnant pour la période 1/3 - 31/8 et 1/3 - 30/Q les probabilités d’apports et les disponibilités globales résultant des conditions hydrologiques et météorologiques antérieures
au ler Mars 1955.
-65-
points représentatifs
desapports
effectivement constatésdepuis
le ler marsjusqu’à
finseptembre
1955. On voitqu’ils
sont enparfait
accord avec lesprévisions
Le tableau
figurant
à lapartie
inférieure du bulletin ne faitqu’expliciter
lesprincipales
valeursnumériques
que l’Qnpeut
tirer des courbes.Des
prévisions analogues
ont été émises pour ce bassin,chaque
mois, duler mars au 1er
juillet,
soit 5 bulletins deprévisions comportant
chacun 4 ou 5échéances,
et au total, 22prévisions
distinctes. Il en a été de même pour 23 bassins desAlpes
et desPyrénées.
Nous avons ainsipublié,
en 1955, une cen- taine de bulletinscomportant
450prévisions.
Vous
ayant
ainsi donné une idée assez concrète duproduit
de notre travail ,je
vais résumer succinctement les méthodesstatistiques,
d’ailleurs trèssimples qui
sont à la base de nos études :Nos
prévisions
sont fondées sur la connaissance desapports
constatéschaque
année dans le
passé pendant
lespériodes
étudiées(c’est-à-dire
en fait, lespériodes
influencées par l’écoulement des réservesneigeuses)
en corrélationavec une donnée
représentative
de ces réserves naturelles,également
pourchaque
année.Un
exemple
concret va mepermettre
depréciser
le schéma parlequel
ontranspose numériquement
lepassé
pour en tirer uneprévision
de l’avenir.Le
graphique
de lafigure
2représente
le nuage de corrélation entre l’écoulement du 1er mars an 31 août dans le bassin dea SEPT-LAUX et un élémenthydrométéorologique représentatif
des réserves naturelles(solides
ouliquides)
au ler mars de
chaque
année.Chaque point
dugraphique
concerne une année déterminée. Son ordonnéeest
égale
à l’écart entre l’écoulement de cette année et la moyenne de la série devingt
années du nuage, pour lapériode
ler mars - 31 aoûtconsidérée ;
l’unitéemployée
est le millimètre d’eau sur la surface du bassin versant. Son abscisse est de mêmeégale
à l’écart à la moyenne,exprimée
en mmd’eau,
d’unequantité
S
représentative
des réserves naturelles au ler mars.S est une estimation des
précipitations
reçues par le bassinpendant
lapériode
d’hiver du ler octobre au ler mars de l’annéeconsidérée,
diminuée de l’écoulement du bassinpendant
la mêmepériode.
L’estimation des
précipitations
reçues par le bassin est elle-même le résultat d’une moyennepondérée
desprécipitations
reçues dans 9 stations sélectionnées aux environs du bassin, moyennemultipliée
par le coefficient1,9 qui
tientcompte
de la différenceimportante
entre l’altitude moyenne du bassin et celle des stations d’observations. La sélection des stations, leurpondération ,
ont été effectuées en utilisant concurremment des méthodes
statistiques
et desconsidérations
physiques.
Si le nombre de
point
du nuage était trèsgrand,
onpourrait décomposer
celui-ci en tranches verticales de faible
largeur Ax
et calculer, à l’intérieur de chacune de ces tranches, l’ordonnée moyenne despoints correspondants.
Onobtiendrait ainsi une courbe moyenne Y
(X) appelée ligne
derégression
de Y enX, donnant
l’’’espérance mathématique"
de Y pour une valeur fixée de X.Mais ,
le nombre de
points
dont nousdisposons
esttoujours beaucoup
troppetit
pourpermettre
un tel mode de calcul. Nous sommes doncobligé s
de faire unehypothèse
sur la forme de la
ligne
derégression.
Nous admettons engénéral
que c’est unedroite, ce
qui
estl’hypothèse
laplus simple
et d’ailleurs conforme à la naturephysique
duproblème.
- 66 -
Fig.
2 -Graphique
de Corrélation - SEPT-LAUX - Prévisionsd’apports
au ler Mars1955
Moyennant
cettehypothèse,
la droite derégression qui
s’accorde le mieuxavec les données de l’échantillon se calcule facilement. Elle passe par le centre de
gravité
despoints
de nuage et sapente
résulte d’une condition de moindres carrés.Mais la connaissance de la droite de
régression
ne nous suffit pas. Nous ne voulons pas seulementannoncer l’l’espérance mathématique"
desapports
connais-sant X
(écart
de S à sa valeurmoyenne),
cequi
auraitl’apparence
d’une"prédiction",
mais donner la loi deprobabilité
desapports,
comme nous l’avonsvu sur le bulletin
précédemment projeté.
Nous sommesobligés
d’introduire unehypothèse
nouvellequi
est leplus
souvent la suivante : la loi de distribution desapports
autour de la droite derégression quand
X est donné estgausienne
et sadispersion
estindépendante
de X.Le
problème
de laprévision,
tel que nous l’avonsposé,
se trouve ainsicomplètement résolu.
Enparticulier,
nous pouvons tracer sur legraphique
de- 67 -
Fig.
3 - PREVISIONSD’APPORTS
ler MARS - 31 AOUT- ALPES -
(*) Caractéristiques 1 er
Avril - 31 Août.- 68 -
corrélationles deux
parallèles
à la droite derégression,
située depart
et d’autre de celle-ci et entrelesquelles
lepoint représentatif
d’un écoulement futur aura8 chances sur 10 de tomber pour toute valeur de X donnée.
*
* *
Nous pouvons maintenant définir un certain nombre de notions
permettant
de caractériser laqualité
desprévisions.
Toutd’abord,
ensupposant
que lesprobabilités
annoncées soientparfaitement
exactes, laprécision
dela prévision peut
êtrecaractérisée,
parexemple,
par la1/2 largeur
de l’intervalle danslequel
nous estimons que lesapports
ont 8 chances sur 10 de tomber.Dans
l’exemple
donné par lesSept-Laux,
ce1/2
intervalle estégal
à 294 mmsoit 19
%
de la valeur moyenne desapports
de lapériode
faisantl’objet
de laprévision.
En l’absence de
corrélation,
ce1/2
intervalle aurait été de 490 mm soit 31%
de la moyenne desapports.
Onpeut
doncporter
au crédit de la corrélation legain qu’elle
apermis,
soit 40%.
Pour l’ensemble des corrélations
utilisées,
legain
ainsi obtenu varie suivantle bassin et la
période
de 20%
à 65%,
la moyenne étant de 40%
environ. Le1/2
intervalle de
probabilité 8/10
varie de son côté de 35%
à 10%
avec une moyenne de 18%. (voir
table au -Fig. 3).
Mais ces indications de
gain
et deprécision
de laprévision supposent
l’exactitude desprobabilités
annoncées. Or, il se peut que cesprobabilités
soienterronées,
soit parce que leshypothèses
de baseprécédemment rappelées
ne sontpas entièrement correctes, soit parce que, même avec des
hypothèses
valables ,l’échantillon limité dont on
dispose
conduit à calculer desparamètres
de corréla-tion s’écartant accidentellement par
trop
desparamètres
"vrais"qui
seraientobtenus sur un échantillon très nombreux. Il convient donc de vérifier la concordance de la distribution des
apports
réels avec lesprobabilités
annoncées.Une
première
vérificationqualitative
consiste à contrôler que, pourchaque bassin,
l’ensemble desprévisions
émises ne sort que rarement et modérément de l’intervalleauquel
nous avons attribué uneprobabilité
de contenir lesapports
effectifségale
à8/10.
Lesgraphiques 4A, 4B,
4C font ressortir ce contrôle pour le bassin desSept-Laux
et lesprincipales prévisions
émises au cours des 3 der-nières années. Les
graphiques 5A, 5B,
5C donnent les mêmes éléments pour le bassin du lac d’Oo dans lesPyrénées.
Pour une échéance déterminée
(31
août parexemple),
les diversesprévisions
énoncées le ler mars, ler avril, ler mai et ler
juin,
seprésentent
sous la formed’une série d’échancrures
(ou fenêtres) accolées,
limitées par les hachures etcorrespondant
chacune à un intervalle deprobabilité 8/10
considéréprécédem-
ment. Le
graphique permet
ainsi de se rendrecompte
de l’évolution de laprévision
au fur et à mesure que la saison
s’avance,
dugain généralement
obtenu dans laprécision (l’intervalle
devenantplus
resserré pour lesprévisions
émises en Avrilet
Mai)
et de laposition respective
desprévisions
et desapports
effectifs.A titre
accessoire,
legraphique
donneégalement
lesapports
de référence : valeurs cumulées àpartir
du lerMars,
d’unepart
moyenne et d’autrepart cor- respondant
auxfréquences 1/10
et9/10.
Le
type
degraphique
que vous venez de voirpermet d’apprécier,
dans unecertaine mesure, la concordance de l’ensemble des
prévisions
émises pour une année et un bassindéterminé,
tant entreelles, qu’avec
la réalisation effective.Mais il est
plus
instructif d’examinersynthétiquement,
si, pour l’ensemble des bassins étudiés et lesdifférentes années,
la distribution desapports
effectifs peut être considérée comme conforme à nosprévisions.
- 69 -
Fig.
4 A - SEPT-LAUX -Comparaison
entre Prévisions et RéalisationFig.
4 B - Ecoulements 1953 -- 70 -
Fig.
4 C - Ecoulements 1955 -F ig. 5 A - OÔ -
Comparaison
entre Prévisions et Réalisation Ecoulements 1955- 71 -
Fig.
5 BEcoulements 1954
Fig.
5 CEcoulements 1953
- 72 -
Les
graphiques
6A et 6Brépondent
à cetobjet,
ils intéressent l’ensemble desprévisions
énoncéesdepuis
1951 pour les diversbassins,
d’unepart
dans lesAlpes,
d’autrepart
dans lesPyrénées,
pour unepériode
déterminée.APPORTS ler AVRIL - 31 AOUT Ecarts réduits liés "Prévision-Réalis ation"
Fig.
6 A ALPES ,.sa]Fig. 6 B
PYRENEESChaque ligne-
concerne un bassin et, sur ceslignes,
unpoint représente,
pour
chaque année,
laposition
desapports
constatés parrapport
à une échellecommune
graduée
enprobabilité.
Si la loi de distribution que nous avons admise dans
chaque
cas est correcte,nous devons constater en
particulier
que 80%
environ despoints
se situent biendans l’intervalle des deux droites
tiretées.
Sur le
graphique
desAlpes,
on constate que 27points (au
lieu de 28théoriques)
sur 35 sont contenus dans l’intervalle dans
lequel
on doit s’attendre à trouver 8points
sur 10. Mais, enréalité,
3points
relatifs à l’année 1955 s’écartent anorma-- 73 -
lement de la limite inférieure de cet intervalle. En y
regardant
deplus près,
ons’aperçoit
que l’ensemble despoints
de 1955 accuse un déficit parrapport aux
valeurs centrales de laprévision,
leurdispersion
restantcomparable
à celle des autres années.Sur le
graphique
desPyrénées,
cephénomène
est encoreplus
accentué. Pourles années 1951-1954, 34
points
sur 43(c’est
à dire laproportion théorique)
sontcompris
dans l’intervalle deprobabilité 8/10.
Mais, en 1955, laprévision
setrouve manifestement en défaut.
Naturellement, on peut trouver diverses
explications
à cet accident. Mais, à vrai dire, nous manquonsd’éléments
pour retenir tellehypothèse, plutôt
que telle autre. Cequi
caractérise toutparticulièrement
l’hiver 1955, c’est la con-concomitance d’une
température exceptionnellement
élevée avec lesplus importantes précipitations
de lapériode.
Cette situationparait
avoir coincidéavec un
gradient pluviométrique particulièrement
faible, d’où une surestimation desprécipitations
en altitude.Quoi
qu’il
en soit, ce que l’on peutconclure,
c’est que, sans que le schémastatistique simple adopté
soitparfaitement adapté
à laréalité,
il constitue enpratique
unguide
deprévision
valablequi
peut se trouverexceptionnellement
en défaut. Ce n’est quelorsqu’on possédera
des échantillonsbeaucoup plus
fournisqu’il
serajustifié
decompliquer
le schéma.*
* *
Il me reste pour terminer à donner
quelques
indications sur l’utilisation desprévisions
pourl’exploitation
E.D.F. Jereprendrai
à ce proposl’exemple
desprévisions
desSept-Laux
au ler mars 1955.La
première question
que l’onpeut
se poser est:quel degré
devidange peut-
on atteindre en Avril sans
compromettre
laprobabilité
duremplissage ?
Le bulletin de
prévision
donné tout à l’heure(Sept-Laux
à la date du lermars1955) indiquait,
d’une part,qu’au
ler mars le réservoir contenait encore envolume 50
%
de sacapacité
utile, soit6,9 M.m3
et que, d’autrepart, ondisposait jusqu’au
31 août de 11 M.m3 à turbiner, enayant
9 chances sur 10 deremplirle
réservoir au 31 août.
Dans ces conditions, on
pouvait envisager
dès le ler mars de vidercomplète-
ment la réserve avant l’arrivée des
apports
de fusion. En fait, on a vidé 30%
enmars et le reste, soit 20
%,
en Avril.Dans une situation
déficitaire,
lesprévisions permettent,
au contraire, de déterminer le creux minimumqu’il
convient de ne pasdépasser
pour conserverune
probabilité
donnée deremplir
à fin août.D’une
façon plus générale,
onpeut apprécier
l’intérêt de l’informationapportée
par les
prévisions
sur cepoint,
encalculant - pour
uneprobabilité
deremplissage donnée,
parexemple 9/10 -
le culot moyenqu’il
conviendrait de laisser danschaque
réservoir en fin d’hiver et le creux moyenqu’on
obtiendra au 31août,
d’une
part, lorsqu’on
ne connaît que la seulerépartition
desapports
de référence d’autrepart, lorsqu’on dispose
des informations résultant des corrélations.Nous avons fait le calcul dans le cas des réservoirs dont la
capacité
est aumoins de l’ordre des apports avril-août et ne
disposant
pas de pompage.Pour des réservoirs comme Bissorte,
Sept-Lasx,
Gnioure, parexemple,
dont la
capacité
est voisine desapports
moyens d’avril à août, la valeur du culot passe de 30%
environ de lacapacité
à 17%
en moyenne.-74-
Par ailleurs, en fin de
remplissage,
lesprévisions permettent
d’atteindre enmoyenne un creux
pratiquementnul,
tandis que la seule connaissance des données de référence conduirait à un creux moyencompris
entre 1 et 2%.
On peut donc dire que les
prévisions permettent,
àprobabilité égale,
unemeilleure utilisation de la
capacité
des réservoirs.En outre, les
prévisions permettent
une meilleure utilisation desdisponibi-
lités au cours de la
période
deremplissage
de mai à août. Sans elles, en effet,on serait conduit aune
prudence
engénéral
excessive, etparfois cependant
insuffi-sante dans les
premiers
mois deremplissage.
Disons encore que, dans
quelques
casparticuliers,
concernant des installa- tions dont onprévoyait l’indisponibilité pendant
unepartie
de lapériode
deremplissage
oulorsqu’une
cote maximum étaitprovisoirement imposée
par des travaux, nous avons pu fournir des indications sur les programmes deturbinage qu’il
convenait alors de se fixer(exemples :
Portillon en 1951, Verdon en1954).
Les prévisions peuvent
encore donner des informations utiles pour :- l’élaboration de certains programmes de fourniture
d’énergie complèmen-
taire à des consommateurs industriels ;
- la fixation de la durée des
périodes d’indisponibilité
pour l’exécution de travaux sur les ouvrages ;-
l’exploitation
de la tranche"agriculture"
de certains réservoirs.Pour conclure, nous pouvons dire que, sans éliminer toutes les incertitudes nécessairement inhérentes àla
prévision
desapports printaniers
et estivauxdans les hauts bassins desAlpes
et desPyrénées,
nosprévisions,
basées sur desméthodes
statistiques simples
mais efficaces, contribuent incontestablement à réduire defaçon
trèsappréciable
cette marge d’incertitude. Nous continuons d’ailleurs à travailler dans diverses directions, pourpermettre
de la réduireencore dans la mesure du
possible,
dans un avenirplus
ou moins lointain. Nousespérons
avoir ainsiapporté
une contribution utile à l’effort degestion
rationnelle de nos ressources enénergie électrique poursuivi
par les Services de Production etTransport
d’ELECTRICITE DE FRANCE.Commentaires de M. le Président BATICLE
M. le Président remercie M. FERRY d’avoir
apporté
une contribution très intéressante à laprévision
du fonctionnement d’usines et croit qu’il ne faut pas s’étonner des points quise sont trouvés en dehors de la zone de
probabilité
de 80% ;
c’est une chose absolument courante. Il est très facile de voir, par exemple, par la loi de Poisson, que laprobabilité
qu’onéchappe
à cette fourchette est d’un ordre degrandeur
assez fort.Cela est tout à fait normal et se produit chaque fois que l’on veut confronter les
probabilités
et lesfréquences
observées et, comme M. FERRY l’a d’ailleurs dit au début, estimer oudonner uneprévisionn’est
pas du toutprédire,
car cetteprévision est
elle-mêmesoumise à une loi de