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Analyse hydrométéorologique multivariée et modélisation déterministe des crues de la rivière Richelieu, Québec.

Saad, Christian (2014). Analyse hydrométéorologique multivariée et modélisation déterministe des crues de la rivière Richelieu, Québec. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau.

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Résumé

Les inondations printanières majeures de la rivière Richelieu (Québec, Canada) et de son bassin versant, comme celle qui a affecté cette région au printemps de 2011, représentent une des préoccupations importantes pour les décideurs, les agriculteurs, la population et tous les intervenants impliqués dans la gestion et la surveillance des infrastructures affectées par la montée des eaux dans cette région. Dans la perspective d'améliorer la gestion des risques d'inondation, une approche combinant des techniques d'analyse statistique et de modélisation déterministe des extrêmes hydrométéorologiques est proposée et évaluée en se basant sur les évènements historiques d'envergures similaires et distincts de la crue record de 2011 de la rivière Richelieu. En effet, les évènements de crues printanières ont pour origine une combinaison de facteurs directs et indirects provenant de la distribution temporelle et spatiale des variables météorologiques clés, ayant un effet sur les niveaux d'eau, tels que le cumul de précipitation, l'intensité des évènements pluvieux ainsi que la variabilité intrasaisonnière de la température. Il est donc important d'analyser les régimes de précipitation et de température en terme d'intensité, de durée, d'occurrence et de fréquence à l'origine des conditions météorologiques favorisant l'apparition et la sévérité des crues exceptionnelles, comme celle de 2011. Dans le but d'acquérir une compréhension approfondie des risques d'inondations de la rivière Richelieu et de mieux anticiper les cas de crues importantes dans le futur, les principaux objectifs de cette étude sont de : (1) Développer un modèle probabiliste multivarié par l'intermédiaire de copules, afin de (2) caractériser les effets isolés et conjoints d'évènements météorologiques sur les crues de la rivière Richelieu, dont la crue record de 2011. Dans un deuxième temps, cette étude a permis (3) d'élaborer des scénarios météorologiques plausibles pouvant générer des crues particulières afin (4) d'évaluer la réponse hydrologique de la rivière Richelieu à différents facteurs ou scénarios météorologiques via l'utilisation d'un modèle hydrologique déterministe. Afin de prendre en compte l'effet combiné de facteurs et d'aléas météorologiques variés reliés à l'occurrence, l'intensité et la durée des crues printanières, plusieurs indicateurs annuels, saisonniers et mensuels du régime de précipitation, de la température et de l'hydrologie de la rivière Richelieu sont calculés pour la période récente de 1981 à 2011. Les contextes météorologique et hydrologique de l'évènement de 2011 par rapport à la climatologie (calculée sur la période 1981-2011) sont caractérisés selon les indicateurs les plus appropriés à partir des précipitations totales et des températures minimum et maximum quotidiennes, ainsi que des débits journaliers. Des analyses des anomalies interannuelles standardisées et de la dépendance entre les évènements hydrométéorologiques permettent ainsi d'évaluer la variabilité des régimes étudiés et d'apprécier les interrelations potentielles entre les variables à l'étude et les épisodes de crues printanières au cours du temps. L'ajustement de lois statistiques pour l'estimation de probabilités d'occurrence conjointes et conditionnelles, de durée et d'intensité de crue à l'aide d'une approche statistique par copule permet de quantifier les effets séparés et conjoints de divers évènements météorologiques sur les inondations printanières. La technique proposée consiste à utiliser 2 modèles de copule archimédienne hiérarchique trivariée, dont ceux de Frank et Clay ton. Suite à une évaluation de la distribution, de la fréquence et de la structure de dépendance des valeurs simulées, ces modèles se sont avérés applicables dans le contexte hydrométéorologique de la rivière d'intérêt. Ceci a donc permis de quantifier la récurrence de l'intensité de la crue du printemps 2011 selon les conditions observées avant et durant son apparition, soit une fois par 11 à 13 ans sous les conditions observées de précipitation totale tombée entre novembre 2010 et mars 2011 et de nombre de jours avec cycle quotidien de gel/dégel durant ce même hiver. De plus, la récurrence du maximum de crue de 2011 est estimée à une fois par 7 à 52 ans lorsque les mêmes conditions observées de précipitation totale entre novembre et mars ont lieu conjointement avec le 90ème centile de pluie printanière observée en 2011 dans la vallée du lac Champlain. Par conséquent, le régime de précipitation totale de novembre à mars, la variabilité intrasaisonnière des températures hivernales ainsi que l'intensité des précipitations extrêmes au printemps expliquent en partie les inondations d'intensité majeures observées en 2011 puisque les probabilités d'occurrence de la crue de 2011 conditionnelle à ces variables sont élevées. De plus, cette méthode a permis de quantifier la probabilité d'occurrence selon différentes combinaisons trivariées des évènements hydrométéorologiques observés en 2011 cités ci-dessus. Le risque d'inondation de la rivière Richelieu pour un évènement similaire à 2011 est ainsi estimé en termes d'amplitude et de probabilité d'occurrence. La technique proposée sert également à établir différents scénarios hydrométéorologiques de crue particulière. Le modèle multivarié par copule permet d'élaborer diverses combinaisons plausibles de conditions météorologiques pouvant engendrer des intensités de crue importante pour la rivière Richelieu. Les risques des évènements de crues ciblées sont estimés par les périodes de retour conjointes et conditionnelles selon les différents scénarios tri variés. Ces derniers servent à l'analyse du régime hydrologique de la rivière Richelieu selon différents facteurs météorologiques et ultimement à contribuer au développement d'un système de gestion de risque d'inondation. Une fois calibré et validé adéquatement, l'utilisation du modèle hydrologique déterministe et semi-distribué CEQUEAU permet d'analyser la sensibilité ou la réponse hydrologique de la rivière Richelieu à 10 scénarios de combinaisons d'évènements météorologiques qui sont des variantes des conditions observées durant les années 1997-1998 et 2010-2011. Un incrément saisonnier est appliqué aux différentes séries temporelles observées pour ces 2 années afin d'atteindre les cibles saisonnières des scénarios élaborés par copule multivariée. La pertinence de produire plusieurs séries temporelles météorologiques en variant la distribution temporelle des évènements quotidiens intrasaisonniers pour chaque scénario est évaluée afin de prendre en considération une gamme de scénarios équiprobables. Il est démontré que la sévérité d'une crue sous des conditions météorologiques similaires à celles de 2011, sauf en ce qui a trait aux précipitations totales tombées entre novembre et mars, ou à l'intensité des précipitations tombées durant la crue, est réduit d'un statut majeur, tel qu'observé durant le printemps 2011, à un statut médium. L'effet d'une réduction de l'intensité des pluies au printemps sur la réduction du débit de pointe du Richelieu est moins important que l'effet d'une réduction des précipitations totales tombées entre novembre et mars à échelle comparable. De plus, l'effet combiné de ces 2 conditions sur le débit de pointe réduit celui-ci sous le seuil d'inondation mineure. D'autre part, les scénarios où le nombre de jours avec cycle quotidien de gel/dégel en hiver est modifié, ne semblent pas avoir d'impact sur les crues simulées, sans doute à cause d'une incompatibilité entre cet indice et les paramètres du modèle hydrologique qui gèrent le processus effectif de fonte du couvert nival. Il serait donc utile dans de futurs travaux d'analyser plus en détail l'effet de la variabilité des températures au cours de l'hiver, et notamment l'effet des cycles de gel/dégel, sur les caractéristiques du couvert nival disponible pour la fonte au printemps ainsi que leurs influences sur la modélisation de la pointe de crue. Les résultats présentés dans ce mémoire apportent une contribution originale à la science de l'eau et plus particulièrement ils posent les jalons d'un éventuel développement d'outil de gestion de risque d'inondation, tout en offrant une caractérisation hydrométéorologique de la rivière Richelieu et de son bassin versant.

Abstract

The major spring floods of the Richelieu River (Quebec, Canada), such as the record flood of 2011, represent important preoccupations to decision makers, agricultural workers, the local population and individuaIs responsible for the monitoring and the management of infrastructures affected by water levels in the study area. In a perspective to improve flood risk management systems, an approach combining statistical techniques with deterministic modeling of extreme hydrometeorological events is proposed and evaluated based on historical flood events inc1uding the 2011 record spring flood of the Richelieu River. Therefore it is important to analyse the precipitation and temperature regimes in terms of intensity, duration, variability and frequency of the conditions behind the occurrence and severity of flood characteristics such as the 2011 spring flood. With the main goal of acquiring a more comprehensive understanding of flood risks for the Richelieu River and in order to be better prepared in the case of future flood events, the following objectives are explored: (1) To develop a multivariate probabilistic model with the use of copulas in order to (2) evaluate the separate and joint effects of various meteorological events on the flow response of the Richelieu river, especially in the case of a record flood such as the one of 2011. In addition, the developed model is to be used to elaborate plausible multivariate meteorological scenarios which can lead to particular extreme conditions in order to (4) evaluate the flow response of the Richelieu River according to those scenarios using a deterministic hydrological model. In order to account for the combined effect of various meteorological factors on the occurrence, intensity and duration of spring floods, several annual, seasonal and monthly indicators of precipitation, temperature and hydrological regimes are ca1culated for the recent 31 year period of 1981 to 2011. The climatological, meteorological and hydrological context of the Richelieu River watershed are characterised using these indicators as well as the daily total precipitation, minimum and maximum temperature and flow observations for that common period. Inter-annual standardised anomalies and dependence analyses conducted on these hydrometeorological variables describe adequately the variability of the studied regimes. The proposed technique to quantify the separate and joint effects of meteorological events on flood intensity and duration consists of 2 fully nested Archimedean copulas, the Clay ton and Frank copulas. Using these copulas, the recurrence of the 2011 spring flood intensity conditional on the observed total precipitation fallen between November 2010 and March 2011 and the number of frost/thaw episodes that same winter in the Lake Champlain valley was estimated at once every 11 to 13 years; whereas the recurrence of that same flood conditional on the observed cumulative precipitation fallen between November 2010 and March 2011 and the 90th percentile of rainfall in spring 2011 for that same region was estimated at once every 7 to 52 years. Consequently, this analysis confirmed that the flood intensity of the 2011 events are partially explained by the precipitation regime fallen between November and March, the intraseasonal temperature variability in winter as weIl as the intensity of extreme precipitation events in spring upstream of the hydrometric station studied since the probability of occurrence of such a flood is high under those conditions. Therefore, a flood risk for the Richelieu River similar to the 2011 spring flood is estimated in terms of its magnitude and likelihood of occurrence. The proposed technique also serves as a statistical basis to construct plausible meteorological scenarios, which could generate particular floods of the studied river. The copulas are used to develop several combinations of meteorological events that would likely produce floods of significant magnitude. The risks associated with the flood events of interest are estimated using the joint and conditional return periods of the hydrometeorological scenarios elaborated. Those scenarios are used in a sensitivity analysis of the hydrological response of the Richelieu River to various meteorological factors and ultimately as a first step to the development of a flood risk management tool. A possible application of the proposed approach is demonstrated with the use of the semi-distributed and deterministic hydrological model, CEQUEAU. The model is calibrated and validated appropriately using current high resolution physiographic data as weIl as daily hydrometeorological data of the afore-mentioned recent period. It is then used to simulate extreme flows of the Richelieu River according to 10 scenarios of various combinations of meteorological conditions based on the observed time-series of 1997-1998 and 2010-2011. Seasonal increments are applied to the observed time-series of those 2 hydrological years in order to meet the meteorological targets of the scenarios elaborated using the multivariate copula model. This exercise pointed out the importance of producing several simulated time-series with varying temporal distributions of the daily events for each scenario in order to consider a range of meteorological possibilities. Results show a reduction in flood severity Cie. from major to medium flood) for scenarios of similar meteorological conditions as 2011 with the exception of lower total November to March precipitation quantities, or lower spring liquid precipitation intensities, equivalent to 2-year return periods. Furthermore, a reduction in the flood severity from major to less than minor flood is observed when both of these precipitation conditions are met in the same hydrological year. On the other hand, scenarios with higher number of frost/thaw episodes than those observed in winter 2010-2011 do not appear to have significant impacts on the simulated flow regime in spring. This could possibly be due to an incompatibility between the method used to produce these scenarios and the mathematical equations used to describe/represent snowmelt processes in the hydrological model. It would be practical to explore in future studies the production of scenarios with the use of additional conditions, which account for the caracteristics of the modelled snowmelt processes, and thereby evaluating the effects of frost/thaw cycles in winter on spring flood peaks. The results presented in this M. Sc. thesis bring about an original contribution to the field of hydrology and more particularly to the development of flood risk management tools, while offering a hydrometeorological characterisation of the Richelieu River and its watershed.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: St-Hilaire, André
Co-directeurs de mémoire/thèse: Gachon, Philippe
Mots-clés libres: inondation; crue; modèle probabiliste multivarié; météorologie; rivière Richelieu
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 26 mai 2014 20:49
Dernière modification: 17 mars 2016 15:42
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2275

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