Adaptation des outils PHYSITEL/HYDROTEL au milieu boréal québécois : modélisation des processus hydrologiques et analyses de sensibilité et d’incertitudes.
2015
Les bassins versants du Moyen‐Nord quebecois (49e au 55e parallele) se distinguent par
leur climatologie et le pourcentage eleve de territoires couverts par des lacs et milieux
humides (de l’ordre de 20 a 30 %) et, surtout, par leur importante contribution a la
production electrique du Quebec; le complexe de la riviere La Grande generant environ
40% de l’electricite quebecoise. Dans le contexte de la gestion de la production
d’electricite, Hydro‐Quebec Production fait la prevision des apports aux reservoirs de ce
complexe a l’aide d’un modele hydrologique global. Par ailleurs, depuis les annees 1980,
le milieu boreal quebecois a subi des hausses de temperature et de precipitation qui ont
modifie le regime des apports aux reservoirs. Compte tenu de ces changements et des
caracteristiques physiographiques des bassins boreaux, il a ete propose d’utiliser un
modele hydrologique distribue a base physique pour examiner l’impact sur ces apports
des projections climatiques produites par Ouranos. En l’occurrence le modele
HYDROTEL dont la prise en mains est en train d’etre completee par Hydro‐Quebec
Production. Le modele qui est maintenant convenablement cale pour un certain
nombre de bassins repond aux attentes dans les bassins du sud du Quebec. Toutefois,
pour les grands bassins du Nord comme ceux du Complexe La Grande, l’utilisation du
modele requiert des travaux d’adaptations, entre autres, aux niveaux de la modelisation
des milieux humides et de la desagregation spatiale des precipitations simulees par les
modeles climatiques.
Les objectifs generaux de ce projet etaient d’accroitre notre comprehension de
l’hydrologie du moyen nord afin qu’elle soit bien representee dans HYDROTEL tout en
tenant compte des incertitudes parametriques associees aux differentes equations
gouvernant les processus physiques. Ces objectives ont ete declines en trois activites de
travail : (AT1) modelisation des processus hydrologiques; (AT2) calage et analyses de
sensibilite, d’identifiabilite et d’incertitudes des parametres de calage d’HYDROTEL; et
(AT3) amelioration des plateformes informatiques HYDROTEL et PHYSITEL, ce dernier
etant un SIG dedie a la construction des bases de donnees de modeles hydrologiques
distribues.
Pour Ouranos et Hydro‐Quebec les principales realisations issues de ce projet incluent :
(i) le developpement d’une methode eprouvee de desagregation sous grille de la
precipitation mesoechelle permettant d’evaluer a fine echelle spatiale l’impact des
changements climatiques sur les precipitations; (ii) une meilleure comprehension de la
dynamique des ecoulements, du stockage de l’eau et de l’evapotranspiration d’un petit
bassin versant boreal incluant une grande une tourbiere minerotrophe aqualysee; (iii)
l’evaluation du parametrage de la sublimation et la relocalisation de la neige dues au
vent et l’identification du besoin d’inclure le rayonnement sous la canopee pour bien
reproduire la crue avec un modele complexe de l'evolution du couvert nival; (iv) la
detection de la quasi neutralite frequente (~76% du temps, majoritairement le jour) de
l’atmosphere au‐dessus d’un milieu humide causee par une turbulence mecanique forte
et une grande inertie thermique; conditions ayant permises le developpement d’un
modele simple d’evapotranspiration des milieux humides base le transfert massique et
la stabilite atmospherique; (v) le developpement d’un modele de rayonnement net base
uniquement sur des donnees de temperatures journalieres (min, max) et une estimation
des parametres permettant de valider l’utilisation de l’equation de Penman‐Monteith
dans le nord quebecois; (vi) la hierarchisation des parametres de calage d’HYDROTEL
selon la saison et le developpement d’une methode permettant d’evaluer l’incertitude
sur les debits simules et d’identifier son importance durant la fonte et l’etiage estival;
(vii) dans un contexte d’analyse frequentielle des debits simules, evaluation de
l’incertitude parametrique par rapport a l’incertitude statistique, cette derniere
dominant pour les periodes de retour superieures a cinq ans; (viii) a l’aide de PHYSITEL,
la premiere discretisation du complexe de la riviere La Grande (136 648 km2) en six sousbassins
(LG1, LG2, LG3, LG4, La Forge 1 & 2,et Caniapiscau) leur subdivision en versants
permettant le calcul de crues maximales probables a l’aide d’HYDROTEL; et (ix) le
developpement d’une version 64 bits d’HYDROTEL incluant de nouveaux modules de de
calculs de la temperature du sol et des bilans hydriques des milieux humides et isoles.
L'avancement de nos comprehensions de l'hydrologie des milieux humides et du milieu
boreal en general a ete a la base du developpement des versions adaptees d'HYDROTEL
et de PHYSITEL qui permettront a Hydro‐Quebec d'apprehender, avec une modelisation
distribuee, l'impact des changements climatiques sur le complexe de la riviere La
Grande. Ces logiciels sont transposables a l’ensemble du milieu boreal canadien. Une
entente conclut, depuis 2005, entre l’INRS et Hydro‐Quebec (HQ) permet d’ailleurs une
distribution commerciale des differentes versions d’HYDROTEL avec interfaces usagers
de meme qu’une distribution communautaire du noyau de calcul. Cette synergie a
permis de mettre en commun des ressources et des expertises qui facilitent les
echanges scientifiques et techniques entre les concepteurs d’HYDROTEL, le Centre
d’expertise hydrique du Quebec (CEHQ), HQ, l’IREQ (Institut de recherche en electricite
du Quebec) et d’autres usagers (ex. : l’IMTA, Instituto Mexicano de Technologia del
Agua). Au total, plus d’une quarantaine de licences ont ete distribuees tant pour des
besoins d’enseignement (Universite de Sherbrooke) et de recherche (Universite Laval,
UQTR, UQAC, IREQ, Ecole de Technologie Superieure, INRA de Montpellier,
Environnement Canada, Agriculture et Agroalimentaire Canada), que des besoins de
prevision hydrologique (IMTA, Ville de Quebec, Centre d’expertise hydrique du Quebec,
HQ). La modularite informatique d’HYDROTEL se prete egalement bien a cette synergie
car elle offre la possibilite de partager le savoir‐faire et, par l’entremise d’un site
internet public (CodePlex), de mettre a la disponibilite de tous les nouvelles versions du
noyau de calcul. Ces developpements ont permis a l’equipe de l’INRS‐ETE d’acquerir
une reconnaissance internationale en modelisation hydrologique distribuee. En effet,
HYDROTEL et PHYSITEL ont dans le passe ete identifie comme les outils a utiliser dans le
cadre d’appels de proposition de projets de determination du potentiel hydroelectrique
finances par la Banque Mondiale [World Bank, 2009].
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