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Évaluation de la valeur ajoutée des données physiographiques à haute résolution dans la modélisation hydrologique distribuée: cas d’application de la plateforme physitel-hydrotel sur le bassin de la rivière St-Charles, Québec, Canada.

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Scarpari Spolidorio Junior, Eduardo (2019). Évaluation de la valeur ajoutée des données physiographiques à haute résolution dans la modélisation hydrologique distribuée: cas d’application de la plateforme physitel-hydrotel sur le bassin de la rivière St-Charles, Québec, Canada. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 152 p.

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Résumé

L’accès à des données physiographiques à haute résolution spatiale pour supporter la modélisation hydrologique suscite un très grand intérêt, mais peu d’études ont démontré leur valeur ajoutée quant à la simulation des processus d’écoulement. Une évaluation détaillée du comportement du modèle semi-distribué HYDROTEL a été réalisée afin d’explorer les impacts de ces données sur la modélisation hydrologique du bassin versant de la rivière Saint-Charles à Québec. À l’aide du logiciel PHYSITEL, un système d’information géographique (SIG) conçu pour supporter la mise en place de modèles hydrologiques distribués, nous avons construit différents scénarios à partir de données physiographiques à haute résolution tels que : (i) les modèles numériques d’altitude (MNA), (ii) les données pédologiques et (iii) le système de drainage urbain. Parmi ceux-ci, on retrouve trois modèles numériques d’altitude (MNA à des résolutions spatiales de 20, 10 et 5 mètres) dérivés de données LIDAR (Light Detection and Ranging), deux cartes pédologiques et deux réseaux hydrographiques avec ou sans système de drainage urbain (i.e., réseau de canalisations principales du système pluvial considéré comme des cours d’eau). Le calage des modèles (i.e., scénarios) a été effectué automatiquement sur les paramètres les plus sensibles du modèle sur chaque sous-bassin en utilisant l’algorithme Dynamically Dimensioned Search (DDS). Les différents scénarios ont été évalués à travers l’analyse de leurs hydrogrammes, les valeurs des paramètres de calage et des indicateurs de performance comme : le coefficient de Kling-Gupta (KGE), l’erreur quadratique moyenne (RMSE) et le pourcentage de biais (PBIAS). Les résultats de cette étude ont démontré que la résolution des MNA a un impact très significatif sur le découpage du bassin hydrographique en unités de calcul appelées unités hydrologiques relativement homogènes (UHRHs) ainsi que sur leur attributs topographiques (pente, élévation et superficie), spécialement pour les sous-bassins semi-urbanisés. L’utilisation de résolutions spatiales plus fines a permis d’améliorer la performance d’HYDROTEL, principalement au niveau du comportement des débits de crue et d’étiage. Les résultats ont confirmé que le système de drainage urbain associé à la résolution spatiale la plus fine du MNA augmentait la performance du modèle pour certains sous-bassins de la rivière St-Charles. Cette amélioration est associée à la capacité du modèle à mieux reproduire les processus d’écoulement sur le territoire. En ce qui concerne la valeur ajoutée de la carte pédologique à travers la reclassification des polygones en fonction de la texture du sol, les résultats ne démontrent pas d’impact significatif sur les processus hydrologiques du bassin versant de la rivière Saint-Charles. Cela s’explique en partie par la présence d’un territoire urbanisé dans les zones où il y a les plus grandes différences entre les deux cartes pédologiques. La forte imperméabilisation de ces zones limite l’impact de la résolution de la carte pédologique.

Abstract

Access to high-resolution physiographic data to support hydrological modeling is of great interest, but few studies have demonstrated their added value in simulating flow processes. A detailed evaluation of the behavior of the HYDROTEL semi-distributed model was conducted to explore the effects of these data on the hydrological modeling of the St. Charles River basin in Quebec, Canada. Using PHYSITEL, a geographic information system (GIS) designed to support the implementation of distributed hydrological models, we constructed different scenarios from high-resolution physiographic data such as: (i) digital elevation models (DEMs), (ii) soil data, and (iii) urban drainage systems. Among these were three digital elevation models (DEM at spatial resolutions of 20, 10 and 5 m) derived from Light Detection and Ranging (LiDAR) data, two soil maps and two hydrographic networks with or without urban drainage (i.e., network of main pipes of the surface runoff system considered as watercourses). Model (i.e., scenario) calibration was performed automatically using the most sensitive parameters of the model on each sub-basin using the Dynamically Dimensioned Search (DDS) algorithm. The different scenarios were evaluated through analysis of their mean annual hydrographs, calibrated parameter values and performance indicators such as: Kling-Gupta Coefficient (KGE), RMSE and Percentage bias (PBIAS). The results of this study have shown that the resolution of DEMs has a very significant impact on the division of the basin into computational hillslope units referred to as relatively homogeneous hydrological units (RHHUs) as well as on their topographic attributes (slope, elevation and area), especially for semi-urbanized sub-basins. The use of finer spatial resolutions has improved the performance of HYDROTEL, mainly for peak and low flows. The results confirmed that combining the urban drainage system with the finest spatial resolution DEM can increase model performance for some urbanized sub-basins of the St. Charles River. This improvement is associated with the ability of the model to better reproduce flow processes on the territory. Regarding the added value of the soil map through the reclassification of soil polygons according to soil texture, the results did not show any significant impact on the hydrological processes of the St. Charles River basin. This is partly explained by the presence of urbanized areas where there were the greatest differences between the two soil maps; the imperviousness of these areas limiting the impact of the soil map resolution.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Rousseau, Alain N.
Mots-clés libres: modélisation hydrologique; bassin versant; système de drainage urbain; modèles numériques d’altitude; données pédologiques; hydrological modeling; watershed; urban drainage system; soil data
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 08 nov. 2019 17:46
Dernière modification: 08 nov. 2019 17:46
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/9067

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