Routage des ruissellements du MRCC

Routage des ruissellements du MRCC

Données hydrométéorologiques historiques

Il y a 5 stations météorologiques opérées par Environnement Canada sur le bassin, dont quatre sont placées sur le long de sa frontière Est. L’autre station est à l’extrémité Sud du bassin. L’emplacement de ces stations est illustré à la Figure 2.2. Il existe 3 stations à moins de 50 kilomètres de la frontière du bassin, mais celles-ci ont seulement quelques valeurs disponibles datant d’il y a 50 ans. Il y a donc une sous-représentation spatiale de la météorologie au niveau du bassin Toulnustouc. météorologiques existantes sur le bassin versant Ensemble, les cinq stations couvrent les années 1963-1964 et 1973-1980. De plus, il y a des données manquantes dans ces séries. Par exemple, pour quatre des stations, il n’y a des données que pour les mois de juin à septembre. Pour l’autre station, il existe en plus des données estivales des données pour un mois d’hiver par année pendant deux ans. Les particularités des stations existantes sont disponibles à l’Annexe I, Tableau-A I-1. Il y a donc un manque de données météorologiques disponibles pour une utilisation en modélisation hydrologique. Pour contourner ce problème, la base de données traitée et corrigée du groupe production d’Hydro-Québec a été utilisée.

Cette base de données est simplement une interpolation des stations d’Environnement Canada ainsi que des quelques stations de la SOPFEU et d’Hydro-Québec dans la région. Cette base de données journalières modifiée couvre les années 1950 à 2009 de manière complète, mais est toujours basée sur les observations des stations avoisinantes. Pour créer la base de données, une interpolation a d’abord été utilisée entre les stations les plus près du bassin (malgré leur éloignement) pour les années 1950 à 1960. Puis les polygones de Thiessen ont été utilisés pour les années 1961 à 2003 et les dernières années, de 2003 à 2009, ont été interpolées par krigeage. Les informations interpolées ne peuvent donc pas être meilleures que les données sous-jacentes. Les débits à l’exutoire de la rivière sont disponibles pour les années 1966-2008. Ils sont disponibles dans la banque de données d’Hydro-Québec. Cette base de données a été créée par analyse des données mesurées à la station de mesure 02TC002 – Toulnustouc et par interprétation des niveaux des réservoirs. Elle est utilisée dans un contexte opérationnel par Hydro-Québec. Il s’agit donc d’une base de données reconstituée comprenant des mesures réelles, des apports calculés par bilan et de modélisations.

Résumé de la recherche

Ce projet de recherche nécessite une valeur de référence idéale à laquelle il serait possible de comparer les différentes simulations hydrologiques lorsque la densité du réseau d’observations est réduite. Cette référence devrait idéalement simuler exactement les différents processus hydrométéorologiques sur le bassin. Étant convenu que ce niveau de connaissances n’est pas atteignable à présent dans le monde réel, un monde virtuel a été utilisé. Il s’agit du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) de quatrième génération, version 4.2.3 (Caya et Laprise, 1999; Music et Caya, 2007; de Elìa et al, 2008; Music et al., 2009). Le MRCC est un modèle de tous les processus physiques qui décrivent le climat sur une région donnée. Piloté par les réanalyses ERA-40, le système de calcul du MRCC est basé sur une grille de 15 km de résolution sur laquelle nous assignerons une station virtuelle à chaque noeud. Le modèle de surface CLASS 2.7 contrôle les transferts entre le sol et l’atmosphère (Verseghy, 1991). Puisque toutes les variables météorologiques suivent des lois physiques, il n’y a pas de discordance entre les variables ni de données manquantes dans ce monde virtuel, ce qui donne un niveau de connaissances inégalé dans le monde réel.. Cependant, il existe des biais entre le climat simulé par le MRC et le climat réel. La suite de la méthodologie requiert de transformer les ruissellements de surface calculés par le MRCC en débits de rivière. Cette étape de routage est nécessaire pour produire une valeur réaliste d’apports en rivière à laquelle se compareront les simulations hydrologiques. Le débit MRCC agira donc à titre de valeur observée lors des simulations.

L’étape suivante a été de déterminer l’effet de la densité spatiale sur les processus d’interpolation de données aux endroits où il n’y a pas de station météorologique. Ceci permet de déterminer s’il y a une variation notable entre la performance des modèles d’interpolation et la réalité. Puis, le réseau d’observation sur le bassin Toulnustouc a été graduellement dépourvu de stations, selon une méthode semi-aléatoire. Pour chaque nouveau réseau produit, les trois modèles hydrologiques ont été calibrés et leur performance a été notée sur une période de validation. Ce faisant, une courbe de performance en fonction de la densité du réseau a pu être établie. Le même type de comparaison pourrait être fait pour d’autres variables que le débit, mais cela n’a pas été traité dans ce travail. Finalement, une calibration multi-objective du modèle HSAMI a été effectuée afin de déterminer le nombre de stations optimal ainsi que leurs positions respectives sur le bassin versant.

Routage des ruissellements du MRCC

Les modèles hydrologiques produisent des séries d’apports qui sont simulés en fonction des variables météorologiques, des caractéristiques du bassin et du paramétrage du modèle. Les paramètres optimaux sont obtenus en comparant les débits simulés par le modèle avec un certain jeu de paramètres à une série d’apports observés. Les paramètres sont ensuite ajustés pour obtenir les apports simulés qui représentent le mieux les observations. Le problème avec ce processus est qu’il est nécessaire d’avoir des apports observés liés aux données météorologiques utilisées. Puisque le MRCC simule des valeurs à chaque point de grille, il n’offre pas directement de données d’apports en rivière à un point donné. Dans la réalité, il existe des stations de mesure de débit aux endroits jugés utiles par les exploitants de systèmes hydriques. Dans le cadre de la présente étude, des débits en rivière conséquents avec la météorologie sont nécessaires. Pour contourner cet obstacle, un schéma de routage a été mis en place. En plus des données météorologiques, le MRCC fournit des données de ruissellement de surface ainsi que de ruissellement souterrain pour chacune des tuiles. Le bassin a été divisé en trois zones de même taille (13 points de grille par zone) en fonction de l’éloignement des points de grille par rapport à l’exutoire réel du bassin, tel que montré à la Figure 3.5. En d’autres mots, les 13 points les plus près de l’exutoire sont dans la zone 1 (rouge), les 13 points les plus éloignés dans la zone 3 (bleu) et les 13 points intermédiaires dans la zone 2 (vert).

La méthode de l’hydrogramme unitaire a ensuite été utilisée pour faire progresser les ruissellements vers l’exutoire. Chaque zone est définie par deux hydrogrammes unitaires, soit un de surface et un souterrain. Les paramètres de ces six hydrogrammes ont ensuite été ajustés à l’aide d’un calage statistique en comparant l’apport reconstitué à l’hydrogramme observé à la station 02TC002 – Toulnustouc en utilisant toutes les données disponibles (1966-2000). Ceci permet d’obtenir un schéma de routage qui produit un hydrogramme semblable à l’hydrogramme réel. Cette étape est nécessaire pour assurer que les modèles hydrologiques puissent travailler dans un environnement similaire à celui pour lequel ils ont été créés. Le routage permet de fournir un apport conséquent avec la météorologie puisque les écoulements de surface et souterrains simulés par le MRCC sont tous physiquement interreliés.

De plus, le calage de l’hydrogramme reconstitué permet de maintenir un lien entre le monde virtuel et le monde réel. Ce faisant, il est possible d’utiliser les modèles du monde réel dans le monde virtuel. Le calage des 7 paramètres du schéma de routage (6 pour les temps de pointe et un pour le facteur de forme unique des hydrogrammes) a été effectuée à l’aide de l’algorithme d’optimisation SCE-UA (Shuffled Complex Evolution – University of Arizona) en utilisant la valeur de Nash-Sutcliffe comme critère de performance (voir équation 3.2) (Duan et al., 1992). Dans ce cas, la valeur observée est le débit observé à la station Toulnustouc tandis que la valeur modélisée est le débit reconstitué par routage des écoulements simulés par le MRCC. Finalement, la performance de la méthode a été validée en effectuant un calage du modèle HSAMI sur les apports reconstitués en utilisant les données météorologiques du MRCC comme entrée. Une amélioration de la performance du modèle hydrologique dans le monde virtuel par rapport aux données observées dans le monde réel est attendue puisque cette méthode garantit qu’il ne devrait y avoir aucune erreur de lecture (des apports et de précipitation, par exemple), ni aucune donnée manquante.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
CHAPITRE 2 BASSIN VERSANT ÉTUDIÉ
2.1 Description générale
2.2 Types de sol
2.3 Données hydrométéorologiques historiques
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE DE LA RECHERCHE
3.1 Résumé de la recherche
3.2 Données utilisées
3.3 Routage des ruissellements du MRCC
3.3.1 Résultats du schéma de routage
3.3.2 Analyse du schéma de routage
3.4 Modélisation hydrologique
3.4.1 Modèles hydrologiques utilisés
3.4.2 Calage et validation
3.5 Effets de la densité du réseau d’observations sur la variabilité spatiale des données interpolées
3.6 Effets de la densité du réseau d’observations sur la modélisation hydrologique
3.7 Détermination du nombre de stations optimal et de leur emplacement
3.7.1 Description du front de Pareto
3.7.2 Évaluation de la méthode d’optimisation du Front de Pareto
3.7.3 Application à cette étude
3.7.4 Validation de la méthode sur différentes périodes
3.8 Hypothèses
CHAPITRE 4 RÉSULTATS
4.1 Calage et validation des modèles hydrologiques
4.2 Effets de l’interpolation lors de la réduction de la densité du réseau
4.3 Effets de la densité du réseau d’observations sur la modélisation hydrologique
4.3.1 Calage avec stations sélectionnées
4.4 Optimisation multi-objective avec paramètres fixes
4.5 Optimisation multi-objective avec calage des paramètres
4.5.1 Résultats des essais aléatoires pour déterminer l’effet du hasard sur la performance du modèle.
4.5.2 Front de Pareto sur périodes de 10 ans
4.6 Emplacement des stations
4.6.1 Fréquence d’utilisation des stations en optimisation multi-objective pour HSAMI
4.6.2 Utilisation des meilleures stations candidates selon la somme des distributions
4.6.3 Validation des résultats
CHAPITRE 5 ANALYSE DES RÉSULTATS ET DISCUSSION
5.1 Interpolation et densité des stations sur une grande région
5.2 Méthode manuelle
5.3 Optimisation multi-objective
5.4 Robustesse de la méthode
5.5 Différences et similitudes entre les modèles
5.6 Résultats globaux
5.7 Explications possibles de la bonne performance des modèles avec une faible densité de stations
5.7.1 Explications générales
5.7.2 Qualité du routage
5.7.3 Bruit et faibles différences entre les stations
5.8 Réponse à la problématique initiale
5.9 Vers une nouvelle approche pour la recherche en hydrologie
5.10 Estimé des retombées
CONCLUSION
ANNEXE I STATIONS MÉTÉOROLOGIQUES
ANNEXE II PARAMÈTRES DES MODÈLES HYDROLOGIQUES
ANNEXE III MESURES D’EFFICACITÉ EN CALAGE POUR DES RÉSEAUX
ALÉATOIRES DE DENSITÉ VARIABLE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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