Classification des modèles hydrologiques

Classification des modèles hydrologiques

Choix des outils de simulation

Dans le cadre de cette étude, le modèle hydrologique sélectionné est le modèle Hydrotel développé par l’INRS (Fortin et al., 2001b). Les raisons de ce choix sont d’abord son aptitude à simuler plusieurs processus physiques à une résolution relativement haute (5km environ), qualité essentielle au développement de cette recherche. Comme présenté par Turcotte et al. (2007), le sous-modèle d’évaluation d’Hydrotel peut fonctionner en renseignant uniquement les données de précipitation et de température, ce qui en fait un modèle bien plus flexible que d’autres modèles d’évaluation du couvert comme CROCUS (Brun et al., 1997) ou SNTHERM (Jordan, 1999) qui nécessitent des entrées supplémentaires comme le vent, les radiations à ondes courtes et longues et l’humidité relative. L’algorithme du sous-modèle ne se réduit pas pour autant à la méthode des indices de températures pour le calcul de la fonte mais implique aussi des variables d’états secondaires tels que le déficit calorifique, la densité du couvert ou son albédo par calcul du bilan d’énergie. Ceci conduit à une meilleure évaluation des caractéristiques du couvert neigeux sans pour autant trop alourdir le coût de calcul (Turcotte et al., 2007). L’évaluation de la qualité des résultats d’évaluation du couvert nival est en plus améliorée par l’accès en parallèle aux sorties hydrologiques: une crue printanière correctement simulée sous-entend par exemple un calcul satisfaisant de la fonte du couvert et des quantités d’eau associées. Le choix d’Hydrotel s’est finalement retrouvé dans la continuité de plusieurs travaux basés sur ce modèle pour la mise à jour des caractéristiques du couvert nival à des fins de prévision hydrologique (Fortin et al., 2001a), l’utilisation en mode prévisionnel sur plusieurs systèmes hydriques du sud du Québec (Turcotte et al., 2002) ou encore la simulation des débits en climat futur dans le cadre de la gestion de réservoirs ou de barrages (Fortin et al., 2007; Minville et al., 2009). Plusieurs pré-calages du modèle existent d’ailleurs pour un certain nombre de bassins versants québécois ainsi que l’estimation des valeurs optimales de plusieurs paramètres du sous modèle d’évaluation du couvert pour les régions du sud du Québec (Turcotte et al., 2007).

 Description du modèle hydrologique Hydrotel

Le modèle Hydrotel est un modèle distribué à base physique. Le cycle hydrologique est simulé selon un prétraitement des données météorologiques et la modélisation de cinq processus hydrologiques qui représentent six modules distincts au sein du modèle. Ces modules traitent de (tiré d’INRS_ÉTÉ, 2000):
• l’interpolation des données météorologiques, • l’évolution et la fonte du couvert nival, • l’évapotranspiration potentielle, • le bilan d’eau vertical, • l’écoulement sur la partie terrestre du bassin, • l’écoulement dans le réseau hydrographique.
Le modèle Hydrotel peut fonctionner sur un pas de temps allant d’une heure à 24 heures. En raison des données disponibles et afin de ne pas rallonger le temps de calcul associé à de longues périodes de simulation, le pas de temps sélectionné est la journée. Le fait de réaliser des simulations sur de longs horizons temporels (30 ans par exemple) et d’évaluer ensuite des dynamiques moyennes justifient aussi ce choix. Pour des projections sur des horizons restreints, il serait certainement plus judicieux d’opter pour un pas de temps de l’ordre de trois à six heures afin de prendre en compte les modifications quotidiennes du comportement du manteau comme l’interruption de la fonte la nuit à cause du gel du manteau.
Dans cette étude, on se focalise principalement sur le processus d’accumulation et de fonte de la neige, et au sous-modèle associé à ce processus. Hydrotel permet d’ailleurs de révéler les variabilités spatiales associées à ce processus (ainsi qu’aux autres) grâce à sa nature distribuée. Le calcul du cycle hydrologique est en effet réalisé indépendamment sur chaque unité spatiale du modèle aussi appelé unité hydrologique relativement homogène (UHRH). Chacune de ces unités va se distinguer par ses particularités physiographiques (occupation du sol, topographie, végétation, etc.) et météorologiques. En contrepartie, les particularités spatiales ne pourront être visibles que si l’on dispose d’informations physiographiques et météorologiques à une échelle suffisamment précise. Dans le cas inverse, il est préférable d’augmenter la résolution de calcul afin de diminuer le temps de calcul. Les données physiographiques disponibles pour le bassin versant Gatineau sont décrites au Chapitre 4.

 Calcul de l’accumulation et de la fonte de la neige par Hydrotel

La description de l’algorithme permettant le calcul de l’évolution du couvert de neige dans Hydrotel est détaillé dans les bases théoriques du manuel d’Hydrotel ainsi que dans l’article de Turcotte et al. (2007). L’accumulation et de la fonte du manteau neigeux sont évaluées selon une méthode mixte (degrés-jour)-(bilan énergétique). Les UHRH matérialisent la résolution spatiale de calcul. Elles sont subdivisées en trois couches ou trois milieux caractérisés par un type précis de végétation où l’algorithme va être appliqué de manière distincte. Dans cette approche, la distinction a été réalisée en tenant compte des milieux ouverts, des milieux recouverts de feuillus et des milieux recouverts de conifères; chacun d’entre eux nécessitant un jeu de paramètres qui lui est propre dont la définition devra être réalisée dans l’interface du modèle.
A chaque pas de temps et pour chaque type de milieu associé à une UHRH donnée, le manteau neigeux est représenté par une seule couche de neige, homogène selon la verticale, elle-même caractérisé par cinq variables d’états qui sont : l’ÉEN, le déficit calorifique, l’albédo, l’épaisseur de neige et la quantité d’eau liquide retenue. Pour comprendre la méthode de calcul de l’algorithme, il est plus intuitif d’appréhender les équations selon une logique chronologique d’assimilation des données de neige qui peut être présentée de la manière qui suit :
1. Répartition des précipitations (P) sous forme solide (S) et liquide (R) et ajout de la nouvelle neige. Elle dépend d’un seuil de température fixé pouvant légèrement varier autour de la valeur 0ºC en fonction des caractéristiques de la région étudiée comme sa latitude ou son climat. Sous ce seuil, toutes les précipitations sont supposées être solides et inversement. Lorsque la température varie autour de ce seuil sur un pas de temps donné, une fraction liquide est estimée selon l’Équation 2.1.
2. Calcul de la variation du déficit calorifique du couvert de neige. Le signe du déficit va déterminer s’il va y avoir processus de fonte ou non. Ce déficit calorifique augmente avec les précipitations de neige ( tandis qu’il est diminué par les précipitations liquides (, les pertes de chaleur par convection ( et les phénomènes de fonte potentielle aux interfaces sol-neige ( et air-neige ( (Équation 2.3). Le déficit calorifique potentiel ayant lieu à l’interface air-neige dépend des températures atmosphériques et introduit la méthode degrés jour (Équation 2.4). Dans le cas où le bilan énergétique du couvert conduit à un surplus calorifique, on suppose que ce surplus va provoquer la fonte (M) qui va permettre au couvert de retourner à un état d’équilibre énergétique (Équation 2.5).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Neige et hydrologie nivale
1.1.1 La neige dans le cycle de l’eau
1.1.2 Impact hydrologique de la neige
1.1.3 Physique d’accumulation et de fonte de la neige
1.2 La modélisation hydrologique
1.2.1 Classification des modèles hydrologiques
1.2.2 Modèles mathématiques de calcul du couvert de neige
1.3 L’hydrologie de la neige en contexte de changements climatiques
1.3.1 Constat initial de changements climatiques
1.3.2 Les modèles climatiques
1.3.3 Modifications hydrologiques et nivales attendues au Canada et au Québec
CHAPITRE 2 METHODOLOGIE DE L’ETUDE
2.1 Méthodologie globale
2.2 Choix des outils de simulation
2.2.1 Description du modèle hydrologique Hydrotel
2.2.2 Calcul de l’accumulation et de la fonte de la neige par Hydrotel
2.3 Simulations en climat présent
2.3.1 Calage et validation hydrologique du modèle Hydrotel
2.3.2 Calage et validation du sous modèle d’accumulation et de fonte de la neige
2.3.3 Comparaison avec les données d’entrée et de sortie du MRCC
2.3.4 Simulations en climat actuel avec données MRCC comme intrants
2.4 Simulations en climat futur
2.4.1 Données météorologiques pour le climat futur et simulation sous Hydrotel
2.4.2 Comparaison des sorties de neige d’Hydrotel et du MRCC
2.5 Métriques de changements climatiques
CHAPITRE 3 DESCRIPTION DU BASSIN VERSANT DE LA RIVIERE GATINEAU
3.1 Description du territoire
CHAPITRE 4 DONNÉES DISPONIBLES POUR LA CARACTÉRISATION NIVALE DU TERRITOIRE
4.1 Données nécessaires à la simulation hydrologique
4.1.1 Données hydrologiques
4.1.2 Données météorologiques
4.2 Données de couvert nival disponibles
4.2.1 Données observées in-situ
4.2.2 Données satellitaires
4.2.3 Données obtenues par réanalyses ou reconstruction
CHAPITRE 5 RÉSULTATS DE LA MODÉLISATION HYDROLOGIQUE
5.1 Résultats de calage et validation du modèle hydrologique
5.1.1 Méthode et résultats du calage hydrologique du modèle Hydrotel
5.1.2 Sorties et calage spécifique du modèle de neige d’Hydrotel
5.2 Comparaison des sorties de neige d’Hydrotel avec les sorties du MRCC en climat présent
5.3 Comparaison des sorties de neige d’Hydrotel avec les sorties du MRCC en climat futur
5.3.1 Comparaison des sorties extraites du MRCC et d’Hydrotel avec pilotage commun afx
5.3.2 Analyse spécifique des simulations d’Hydrotel piloté afx à l’horizon 2050
5.3.3 Métriques spatiales et temporelles de modifications du couvert nival ……… 85 CHAPITRE 6 INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS
6.1 Qualité du calage du modèle hydrologique Hydrotel
6.1.1 Calage hydrologique
6.1.2 Calage du sous modèle d’évaluation de la neige
6.2 Comparaison des sorties extraites d’Hydrotel et du MRCC avec options de pilotage multiples
6.2.1 Comparaison en climat présent
6.2.2 Comparaison en climat futur
6.3 Analyse des métriques associées au couvert neigeux en projection future
6.3.1 Modifications prévues entre l’horizon présent 1961-1990 et l’horizon 2050
6.3.2 Métriques d’évolution temporelle continue
6.3.3 Métriques à dimension spatiale
CHAPITRE 7 ANALYSE CRITIQUE DE LA MÉTHODOLOGIE ET RECOMMANDATIONS
7.1 Analyse critique de la procédure de calage d’Hydrotel
7.1.1 Disponibilité des données
7.1.2 Méthode de calage et de validation
7.2 Analyse critique du développement des métriques et de leur incertitude
7.2.1 Incorporation de la météorologie du MRCC
7.2.2 Incertitudes associées au modèle hydrologique
7.2.3 Analyse complète d’incertitude
CONCLUSION
ANNEXE I Paramétrage compl

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