MODÉLISATION DE LA PRODUCTION HYDROÉLECTRIQUE

BASSIN VERSANT ET SYSTÈME HYDRIQUE DE LA RIVIÈRE MANICOUAGAN

Modèles de circulation du climat global

Les modèles de circulation du climat global (MCG) sont des modèles numériques, basés sur l’équation de Navier-Strokes, développés pour simuler les interactions thermodynamiques entre la lithosphère, l’atmosphère et l’hydrosphère de notre planète. Ces modèles sont largement utilisés en prévisions météorologiques, dans le cadre d’études sur le climat et pour l’extrapolation du climat en changements climatiques. Par la modification des intrants du modèle, une projection différente de l’évolution du climat présent est générée. De cette façon, par des perturbations représentatives des potentielles augmentations de gaz à effet de serre, il est possible d’observer l’impact de ceux-ci sur le climat dans le futur. Dans le cadre de cette étude, les six MCG suivants ont été retenus : le BCCR de la Norvège, le CSIRO de l’Australie, l’INM de la Russie, le MIROC du Japon, le GISS et le NCAR des États-Unis.

Projections climatiques

Une projection climatique est une représentation du climat potentiel résultant d’un état démographique, économique et environnemental précis de la terre. Cet état détermine la quantité de gaz à effet de serre rejeté sur l’ensemble de la Terre sous forme de scénario d’émission de gaz à effet de serre. Ces scénarios sont insérés dans les MCG pour générer un climat modifié aussi nommé projections climatiques. Les scénarios d’émission de gaz à effet de serre utilisés proviennent du Special Report on Emission Scenarios (SRES 2000). Ce document est une normalisation des scénarios employés dans le cadre des études sur les changements climatiques qui facilitent une intercomparaison de ces études sur une même base. Le SRES comporte 40 scénarios qui représentent chacun un état potentiel de l’évolution des émissions de gaz à effet de serre. Plus précisément, ces scénarios d’émission varient selon les cinq facteurs prédominants qui régissent la croissance mondiale : la démographie, l’économie, l’énergie, les technologies et l’agriculture. Les scénarios sont regroupés sous quatre grandes familles : A1, A2, B1 et B2 Ces quatre familles se caractérisent par leur emphase sur un développement économique durable ou non, appliqué à une échelle régionale ou mondiale. De ces quatre grandes familles, trois scénarios
sont utilisés dans le cadre de cette étude : A2, B1 et A1B. A1B, sous catégorie de A1, représente une économie globale fortement à la hausse et profitant pour ses besoins énergétiques des nouvelles technologies autant que des ressources fossiles (plus ou moins durable).

Modèle hydrologique HSAMI

HSAMI est un modèle hydrologique développé au milieu des années 80 chez Hydro-Québec.
Ce modèle a pour fonction la simulation et la prévision à court terme des apports naturels et des débits à l’exutoire des réservoirs (Fortin 2000). Au Québec, les données du type de sol, de condition du sol, de végétation et météorologique de qualité et continues sur de longues périodes se font rares dès que l’on s’éloigne des grands centres urbains. Cette couverture limitée rend les modèles distribués difficilement utilisables. HSAMI, un modèle global, ne requiert que peu de données. Seules les observations ou prévisions météorologiques de la température minimum/maximum, des précipitations pluie/neige ainsi que la superficie du bassin versant sont nécessaires.
Ce modèle possède un inconvénient majeur. Les bases empiriques d’HSAMI qui rendent le modèle fonctionnel avec peu de données, en font un modèle fortement paramétré. Cette forte paramétrisation expose l’utilisateur d’HSAMI à la problématique de l’équifinalité lors du calage de celui-ci.

Optimisateur de règle de gestion PPS2

L’optimisation des règles de gestion des réservoirs est un enjeu important à la sécurité et à la rentabilité des installations hydroélectriques modernes (Labadie 2004). La programmation dynamique (PD), outil de prédilection dans ce domaine (Z. X. Fang. et al. 1989), a été définie par Bellman (1957) comme étant une technique algorithmique qui permet de résoudre des fonctions non linéaires. La programmation dynamique stochastique (PDS) ajoute à la PD l’élément probabiliste de l’incertitude lié au futur (Turgeon 2005).

Les changements climatiques

La Terre connaît depuis toujours des changements climatiques. Si le consensus sur l’existence réelle d’un réchauffement climatique est récent, l’acceptation de l’origine anthropique de ce dernier l’est encore plus. Les études démontrent que des hausses sensibles de la température globale de la terre ont été observées. De 1995 à 2006, onze années figurent parmi les plus chaudes depuis 1850 (début des mesures globales de la surface de la terre) (GIEC 2007). Cette progression est fortement corrélée à l’augmentation toujours plus soutenue des émissions de GES depuis l’amorce de l’ère industrielle . Les scientifiques du GIEC ont établi avec un niveau de certitude supérieur à 90 % que les changements climatiques en cours sont bien d’origine anthropique.

Impacts des changements climatiques au Québec

Le Québec, par sa situation géographique profite d’un climat continental humide dans la portion sud du 50e parallèle, subarctique dans sa portion nord et arctique au-delà du 58e parallèle. Cette position soumet le Québec à des hivers rigoureux, des précipitations moyennes variant de 400 mm à 900 mm dont une forte portion sous forme de neige, des températures moyennes de 5 °C à 20 °C en été et de -10 °C à -25 °C en hiver. Les principaux changements climatiques auxquels le Québec doit faire face sont le réchauffement de la température principalement en hiver et durant les nuits d’été. Des hausses considérables des précipitations sont attendues sur la portion centre-nord du Québec alors que sur le sud, ces hausses sont plus mitigées et incertaines. Ces changements auront un impact considérable sur l’hydraulicité des bassins versants québécois qui sont fortement conditionnés par la période de gel hivernal. Les apports naturels en hiver, habituellement faibles dus au gel, devront être revus à la hausse par l’arrivée de pluie et redoux plus fréquents dus à la hausse de température. Les crues printanières, évènements prédominants de l’hydrologie québécoise, seront plus précoces et potentiellement plus faibles dû au stock de neige réduit suite aux hivers plus doux. La période estivale connaitra des étiages plus sévères dans le sud de la province dû à l’évapotranspiration accrue par les hausses de température. Par contre, le centre et le nord de la province pourront maintenir la condition actuelle en période d’étiage et dans certains cas bénéficier d’une hausse de débit significative.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 LES OUTILS
1.1 Modèles de circulation du climat global
1.2 Projections climatiques
1.3 Modèle hydrologique HSAMI
1.4 Optimisateur de règle de gestion PPS2
CHAPITRE 2 PROBLÉMATIQUE DE RECHERCHE
2.1 Les changements climatiques
2.2 Impacts des changements climatiques au Québec
2.3 Problématique et contexte
2.4 Objectifs du mémoire
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE
3.1 Traitement des données météorologiques
3.2 Les projections climatiques
3.3 Le calage du modèle hydrologique
3.4 La modélisation
3.4.1 La modélisation hydrologique
3.4.2 La simulation du système hydrique
CHAPITRE 4 BASSIN VERSANT ET SYSTÈME HYDRIQUE DE LA RIVIÈRE MANICOUAGAN
4.1 Description du bassin versant
4.2 Les installations hydroélectriques
CHAPITRE 5 LES DONNÉES HYDROMÉTÉOROLOGIQUES
5.1 Données hydrologiques
5.2 Données météorologiques
5.2.1 Les données météorologiques aux stations
5.2.2 Les données météorologiques PQDH
5.2.3 Les données météorologiques IREQ ..
5.2.4 Les données météorologiques NLWIS
5.3 Méthodologie
5.3.1 Les données hydrométriques
5.3.2 Les données météorologiques
5.4 Résultats et discussion
5.4.1 Les données hydrométriques
5.4.2 Les données météorologiques
5.5 Recommandations
5.5.1 Les données hydrométriques
5.5.2 Les données météorologiques
CHAPITRE 6 LE CALAGE DE HSAMI
6.1 La problématique du calage en modélisation
6.2 Méthodologie
6.2.1 Le calage en parallèle
6.2.2 Réduction du nombre de paramètres
6.3 Résultats du calage sur le passé récent
6.4 Discussion
CHAPITRE 7 LES PROJECTIONS CLIMATIQUES
7.1 Méthodologie
7.2 Les modèles et projections climatiques
7.3 Résultats
7.4 Impact sur les projections météorologiques
7.5 Impact sur les projections d’apports naturels .
7.6 Discussion
CHAPITRE 8 MODÉLISATION DE LA PRODUCTION HYDROÉLECTRIQUE
8.1 Méthodologie
8.2 La modélisation du système hydrique
8.3 L’optimisation des règles de gestion
8.4 Le modèle de gestion hydrique
8.5 Le bilan hydrique et le routage
8.6 La production électrique
CHAPITRE 9 RÉSULTATS
9.1 Les niveaux des réservoirs
9.2 Les déversements non productifs
9.3 La production d’énergie et le soutirage
9.4 Le parc de production Manicouagan
9.5 Les centrales à réservoirs
9.6 Les centrales au fil de l’eau
CHAPITRE 10 DISCUSSION
10.1 L’impact des changements climatiques sur la production
10.2 L’optimisation de la production
CONCLUSION