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Prédiction de l’état futur de l’approvisionnement en eau potable de surface: Mise au point d’une méthode d’évaluation des débits d’étiage à partir de données climatiques.

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Foulon, Étienne (2018). Prédiction de l’état futur de l’approvisionnement en eau potable de surface: Mise au point d’une méthode d’évaluation des débits d’étiage à partir de données climatiques. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 251 p.

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Résumé

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Arithmétiquement parlant, les réserves mondiales d’eau douce devraient suffire à pourvoir aux besoins des 7,6 milliards d’êtres humains sur Terre. Cependant, à cause de la répartition inégale des ressources et des populations, de l’augmentation de la pression démographique, mais aussi d’une gestion parfois discutable, l’UNESCO estime que dès 2025 deux tiers de la population souffrira de stress hydrique modéré. Dans un contexte de climat en évolution, il est tout à fait vraisemblable d’anticiper une amplitude accrue de ce stress, car des modélisations hydroclimatiques indiquent une baisse très probable des débits d’étiage. La question de la pérennité de l’approvisionnement en eau potable devient donc primordiale. La méthode conventionnelle utilisée pour répondre à cette question repose essentiellement sur la modélisation hydroclimatique, c’est-à-dire l’utilisation de données de modèles climatiques comme entrées de modèles hydrologiques. Cette approche classique reste difficile à mettre en place, car elle nécessite une expertise particulière qui la rend inaccessible pour beaucoup de producteurs/gestionnaires de l’eau. De plus, la chaîne de modélisation en cascade est sujette aux incertitudes combinées des modèles du climat, des modèles hydrologiques (calage et structure) et des méthodes de post-traitement des données. Afin de diminuer la longueur de cette chaîne, cette thèse propose de mettre en place une méthode d’évaluation de la sensibilité future des systèmes d’approvisionnement en eau de surface à partir de données climatiques uniquement. En premier lieu, il s’agit d’établir des relations directes entre des indicateurs météorologiques (IM, dérivés des données de précipitation et de température) et des indicateurs hydrologiques d’étiage (IH, 7jQmin, 30jQmin – hivernaux et estivaux soit les minima des débits saisonniers moyens sur 7 et 30 jours) qui soient valables tant en climat actuel que futur. Par la suite, la méthode proposée vient quantifier l’incertitude régissant la méthode conventionnelle, qui n’a intentionnellement pas considéré l’incertitude due à l’existence du phénomène d’équifinalité en modélisation hydrologique jusqu’alors. Enfin, l’approche mise en place permet d’évaluer la sensibilité future de l’approvisionnement en eau à partir des données climatiques uniquement tout en démontrant ses atouts par rapport à la méthode conventionnelle. La méthode proposée est mise en place dans le contexte de l’évaluation de la sensibilité future de l’approvisionnement en eau de la Ville de Québec. Les résultats obtenus démontrent la viabilité de cette méthode alternative par rapport à la méthode conventionnelle appliquée avec le modèle hydrologique semi-distribué HYDROTEL. À partir de 22 IM et 42 simulations climatiques basés sur le scénario SRES-A2 (Special Report on Emissions Scenarios) d’émissions de gaz à effet de serre (GES), les résultats démontrent que les relations statistiques liant IM et IH sont valables tant en climat actuel qu’en climat futur pour les bassins versants de la Bécancour et de la Yamaska. Le cumul de la demande climatique (P-ETP) sur cinq (5) mois et l’indice de sécheresse Effective Drought Index (EDI) appliqué à ces mêmes données sur huit (8) mois expliquent respectivement 55/53% et 59/55% de la variabilité médiane des 7jQmin et 30jQmin estivaux pour les climats passés (1971-2000)/ futurs (2041-2070). Ces résultats montrent également que les tendances détectées dans les IH sont reproduites dans les IM pour 70% des simulations climatiques au moins, démontrant la possibilité de court-circuiter la modélisation hydrologique dans l’étude de tendances futures. L’impact de l’équifinalité en modélisation hydrologique est mesuré pour HYDROTEL pour dix (10) bassins versants du Québec méridional. Les résultats illustrent la nécessité de la prise en compte de ce phénomène dans la réalisation d’études d’impacts, puisque l’incertitude qui y est reliée est comparable, ou plus importante, que celle due au choix de la fonction objectif pour les processus hydrologiques modélisés (épaisseur du manteau neigeux, évapotranspiration réelle et contenu en eau du sol superficiel). Pour l’approvisionnement de la Ville de Québec, les résultats montrent la viabilité des deux méthodes (i.e., à partir de la modélisation hydrologique et d’IM) à évaluer les Q2-7 et Q10-7 (minima des débits saisonniers moyens sur 7 jours de période de retour 2 et 10 ans) dans l’établissement de la pression future sur la ressource en eau potable à partir de simulations de changements climatiques construits sur deux scénarios RCP (Representative Concentration Pathways) et 16 modèles du climat. L’avantage de la méthode alternative est qu’en court-circuitant la modélisation hydrologique, elle permet une évaluation rapide de la sensibilité d’un système d’approvisionnement municipal de surface tout en limitant les sources d’incertitude de la chaîne de modélisation. Son approche « simplifiée » permettra certainement de répondre au besoin du monde municipal de tenir compte des changements climatiques dans l’analyse de vulnérabilité de leurs sources en eau de surface, assurant ainsi une gestion plus durable, tout en contribuant à l’avancement des connaissances sur les phénomènes de génération de l’étiage. La méthode proposée dans cette thèse a été construite pour être adaptable aux évolutions des modélisations et des données. Elle a été appliquée aux scénarios SRES comme RCP, mais pourrait par la suite inclure l’incertitude sur la structure des modèles hydrologiques en considérant l’utilisation d’un modèle autre qu’HYDROTEL. Enfin, dans cette thèse, l’application était limitée aux étiages, mais pourrait tout à fait être adaptée à l’évaluation des crues et de leurs tendances hydrologiques par exemple.

Abstract

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Worldwide freshwater resources should be enough for 7.6 billion people. However, uneven distributions of populations and resources, increasing demographic pressure, and sometimes questionable management strategies have led the UNESCO to estimate that by 2025 two third of the population will suffer from moderate water stress. Given changing climate conditions and current hydroclimatic modeling results pointing towards highly probable decreases in low flows, this water stress will in all likelihood heighten. In this context, it becomes paramount to ascertain the sustainability of drinking water supplies using the conventionnal hydroclimatic modeling framework. This approach combines the use of a hydrological model with bias-corrected outputs of climate simulations, but the framework remains challenging and cannot be readily applied by most water organization given the required expertise and underlying uncertainties. The latter uncertainties are associated with: (i) the existence of many local optima (equifinality) arising during the calibration of a hydrological model, (ii) the numerous climate simulations, (iii) bias correction methods, (iv) the structure of hydrological model, and (v) the challenges associated with modeling low flows. Considering these challenges and anticipated water shortages likely to occur worldwide, there is a need to develop robust tools that do not require hydrological modeling and could be readily used by any water utility organization. To limit the length of the modeling chain, this thesis proposes a statistical framework to assess the future sensitivity of surface water supplies to low flows solely from climate data. The proposed methodological framework requires identification of past statistical relationships between climate data indices (CDIs, computed from precipitation and temperature data) and hydrological data indices (HDIs, winter and summer 7dQmin and 30dQmin – minimum average seasonal flows over 7 and 30 days) and validation of these relationships under future climate conditions. In this thesis, the uncertainties associated with the conventionnal hydroclimatological modeling framework are then assessed, including those arising from equifinality which has yet to be considered. The proposed framework and statistical relationships are then used to assess future sensitivity of surface water supplies to low flows using climate data, while comparing the results with the aforementioned conventionnal modeling approach. The whole framework is applied to the surface water supply of Québec City. Results demonstrated the viability of the proposed statistical framework compared to the conventionnal hydroclimatological modeling approach using the semi-distributed hydrological model HYDROTEL. Using 22 CDIs and 42 climate simulations under the greenhouse gas emissions scenario SRES-A2 (Special Report on Emissions Scenarios), results showed that the statistical relationships between CDIs and HDIs were valid under past and future climate conditions for the Bécancour and Yamaska watersheds. For a so-called hydrological summer, the 7dQmin and 30dQmin were paired with the cumulative difference between rainfall and PET over the past five months and the Effective Drought Index (EDI) computed from the latter difference over eight months, respectively. These CDIs explained 55/53% and 59/55% of the median 7dQmin and 30dQmin variabilities over past (1971-2000)/ future (2041-2070) climate conditions, respectively. Furthermore, observed trends in HDIs were attributed to trends in the aforementioned CDIs for at least 70% of the climate scenarios, demonstrating the ability of the proposed framework to indicate whether or not a HDI will increase or decrease without requiring the use of a hydrological model. The impact of equifinality arising in the calibration of hydrological models, namely HYDROTEL in this study, was assessed for ten southern Québec watersheds of the St. Lawrence River. Although model performance are primarily governed by the objective function used for model calibration, seasonal results suggested parameter uncertainty could be greater than objective function uncertainty for specific seasons or years for three hydrological variables; that is snow water equivalent, actual evapotranspiration, and shallow ground water variations. Thus, parameter uncertainty should be accounted for, particularly in impact assessment studies where the variables of interest are not daily flows, but rather hydrological indices or variables. For the drinking water supply of Québec City, results demonstrated the viability of both frameworks (i.e. from hydrological modeling and CDIs) for assessing summer Q2-7 and Q10-7 (annual minimum of 7-day low flow with return periods of two and ten years) and ensuing pressure on drinking water resources using climate simulations built for two RCP scenarios (Representative Concentration Pathways) and 16 climate models. The main advantage of the statistical framework resides in the by-passing of the hydrological modeling step. Indeed, this allows for a quick assessment of the sensitivity of a drinking water supply system while limiting the sources of uncertainty associated with hydroclimatological modeling. Furthermore, application of the “simplified” framework would contribute to the early implementation of sustainable management practices and to the advancement of knowledge about low flow generating processes. This could certainly be useful to small municipalities which do not have the capacity to conduct the conventionnal hydroclimatological modeling approach. The proposed statistical framework can be adapted easily. Indeed, it was designed with the intent of accounting for recent advances in climate research as it was corroborated using both SRES and RCP emissions scenarios. Future work will include the use of hydrological models other than HYDROTEL in order to account for their structural uncertainty. Last, in this thesis, applications were limited to low flows, but the statistical framework could potentially be adapted for assessing future trends in high flows.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Rousseau, Alain N.
Co-directeurs de mémoire/thèse: Rodriguez, Manuel J.
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: bassin versa; équifinalit; étiage; étiage 7-jours; étiage 30-jours; incertitude; indicateurs; modèle climatique; modèle hydrologique; watershed; equifinality; low flows; 7-day low flow; 30-day low flow; uncertainty; indices; climate model; hydrological model
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 19 oct. 2018 15:17
Dernière modification: 19 oct. 2018 15:17
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7586

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