Production de nouvelles simulations hydroclimatiques pour le Québec méridional en utilisant Raven : étude de l’incertitude liée à la modélisation hydrologique en contexte de changements climatiques

Les débits simulés à l’aide de la modélisation développée dans le cadre de ce projet permettront d’explorer et de mieux comprendre l’incidence des changements climatiques sur l’hydrologie des bassins versants du Québec méridional, notamment par une meilleure quantification de l’incertitude liée au choix du modèle hydrologique.

Détails du projet
Programmation scientifique
Programmation 2020-2025
Thématique(s) et priorité(s)
Événements extrêmes
Début et durée
Avril 2021• 30 mois
Statut du projet
En clôture
Projet lié
Soutien à INFO-Crue
 
Responsable(s) scientifique(s)
François Anctil
Université Laval
Biljana Music
Ouranos

Contexte

Suite aux inondations printanières en 2017, le ministère de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques (MELCC) a mis en oeuvre le projet INFO-Crue visant notamment à délimiter les zones inondables par une nouvelle cartographie tenant compte du changement climatique. La plateforme opérationnelle de modélisation hydrologique utilisée par le MELCC pour cette cartographie se base sur un seul modèle hydrologique (HYDROTEL), ayant une structure assez rigide limitant ainsi sa capacité à bien décrire l'incertitude.  

Ce projet explore une plateforme de modélisation hydrologique flexible (Raven) pour créer plusieurs variantes d'un modèle semi-distribué (HBV-EC ; Fig. 1), présentant une complexité similaire au modèle couramment utilisé pour l’élaboration de l’Atlas hydroclimatique du Québec méridional (HYDROTEL). Ces différents modèles peuvent ensuite être utilisés pour générer des ensembles de simulations hydrologiques pour caractériser l'incertitude liée à la modélisation hydrologique. 

evapotranspiration-potentielle

 Fig. 1. 48 variantes du modèle HBV-EC, combinant diverses formulations de l'évapotranspiration potentielle, du bilan et de la fonte de neige.

 

Objectif(s)

L’objectif de de cette étude était d’implémenter le modèle HBV-EC émulé par Raven sur la région sud-ouest du Saint-Laurent (SLSO) et de proposer une méthodologie multimodèle permettant une description juste de l’incertitude associée à la modélisation hydrologique. 

 

Ce projet s'inscrit dans l'initiative INFO-Crue mise sur pied par le MELCCFP.

Méthodologie

  • Calage et validation du modèle HBV-EC sur la région SLSO; 

  • Déploiement de plusieurs modules offerts par Raven pour représenter un même processus hydrologique de différente façon et quantification de l’incertitude structurelle; 

  • Application d'une approche de sous-échantillonnage pour créer un sous-ensemble moins exigant en temps de calcul et pour, possiblement, améliorer la performance générale;  

  • Perturbation des données d'entrée par l’introduction de différents niveaux de bruit aux séries temporelles de précipitation et de température afin de quantifier l'incertitude liée aux forçage météorologique; 

  • Exploration de l’incertitude liée au processus de calage adopté. 

Résultats

Quarante-huit variantes du modèle HBV-EC ont été exploitées pour produire des simulations hydrologiques en climats historiques et futurs. Les simulations sont effectuées dans le cadre de modélisation Raven. Les travaux ciblent prioritairement la période 2000-2020 puisque des observations du débit sont requises pour vérifier la qualité de la description de l’incertitude.  

La comparaison entre les débits simulés et observés montre que l’ensemble de 48 modèles représente bien les hydrogrammes observés aux diverses stations hydrométriques. L'application de l'approche de sous-échantillonnage a abouti à la sélection d'un ensemble de 12 modèles dont la performance est comparable et parfois supérieure à celle des 48 modèles. La figure 2 présente une synthèse des travaux pour le bassin versant de la rivière Au Saumon. Le panneau de gauche illustre la dispersion décrite par l’ensemble des 48 modèles hydrologiques pilotés par un forçage climatique déterministe, sans prise en compte de l’incertitude.

Le panneau de droite illustre la dispersion décrite par 12 modèles hydrologiques sélectionnés, pilotés par un forçage climatique probabiliste qui tient en compte l’incertitude. Une inspection visuelle des deux panneaux confirme qu’une procédure reposant sur 12 modèles hydrologiques et des intrants bruités permet une description juste de l’incertitude – des métriques de vérification adaptées ont été utilisées pour confirmer ce constat. Les analyses ont aussi démontré que cet ensemble de 12 modèles mène à une meilleure simulation que l’emploi du modèle HBV-EC seul (Fig. 3).  

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Fig. 2. Comparaison entre le débit moyen annuel observé à la station Au Saumon (ligne noire) pour la période 2000-2020 et les ensembles de débits simulés par (a) 48 modèles et (b) 12 modèles sélectionnés avec forçage atmosphérique. Le débit médian est décrit par la ligne rouge, la plage du 5e au 95e percentile de l'ensemble est représentée par le bleu pâle, et la plage du 25e au 75e percentile est illustrée en bleu foncé. 

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Fig. 3. Comparaison entre un modèle seul et l’ensemble des 12 modèles sélectionnés, pour le bassin versant de la rivière Famine : a) performance (erreur quadratique moyenne, RMSE) et dispersion (spread) et b) diagramme de fiabilité. 

Retombées pour l'adaptation

Retombées pour l'adaptation

Mise en œuvre de la modélisation HBV-EC émulée par Raven pour une meilleure projection des risques hydrométéorologiques ;  

Meilleure compréhension et description de l'incertitude associée à la modélisation hydrologique ;  

Exploration de solutions robustes pour la gestion des risques liés aux inondations en mettant à disposition du public des simulations hydrologiques contribuant à alimenter les modèles de rivière et à affiner la cartographie des zones inondables. 

Financeur(s)

Autres participants

  • Direction de l’expertise hydrique (MELCCFP)

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