Rousseau, Alain N.; Mailhot, Alain; St-Hilaire, André
(2015).
Adaptation des outils PHYSITEL/HYDROTEL au milieu boréal québécois : modélisation des processus hydrologiques et analyses de sensibilité et d’incertitudes.
Rapport de recherche
(R1639).
INRS, Centre Eau Terre Environnement, Québec.
Résumé
Les bassins versants du Moyen‐Nord québécois (49e au 55e parallèle) se distinguent par
leur climatologie et le pourcentage élevé de territoires couverts par des lacs et milieux
humides (de l’ordre de 20 à 30 %) et, surtout, par leur importante contribution à la
production électrique du Québec; le complexe de la rivière La Grande générant environ
40% de l’électricité québécoise. Dans le contexte de la gestion de la production
d’électricité, Hydro‐Québec Production fait la prévision des apports aux réservoirs de ce
complexe à l’aide d’un modèle hydrologique global. Par ailleurs, depuis les années 1980,
le milieu boréal québécois a subi des hausses de température et de précipitation qui ont
modifié le régime des apports aux réservoirs. Compte tenu de ces changements et des
caractéristiques physiographiques des bassins boréaux, il a été proposé d’utiliser un
modèle hydrologique distribué à base physique pour examiner l’impact sur ces apports
des projections climatiques produites par Ouranos. En l’occurrence le modèle
HYDROTEL dont la prise en mains est en train d’être complétée par Hydro‐Québec
Production. Le modèle qui est maintenant convenablement calé pour un certain
nombre de bassins répond aux attentes dans les bassins du sud du Québec. Toutefois,
pour les grands bassins du Nord comme ceux du Complexe La Grande, l’utilisation du
modèle requiert des travaux d’adaptations, entre autres, aux niveaux de la modélisation
des milieux humides et de la désagrégation spatiale des précipitations simulées par les
modèles climatiques.
Les objectifs généraux de ce projet étaient d’accroître notre compréhension de
l’hydrologie du moyen nord afin qu’elle soit bien représentée dans HYDROTEL tout en
tenant compte des incertitudes paramétriques associées aux différentes équations
gouvernant les processus physiques. Ces objectives ont été déclinés en trois activités de
travail : (AT1) modélisation des processus hydrologiques; (AT2) calage et analyses de
sensibilité, d’identifiabilité et d’incertitudes des paramètres de calage d’HYDROTEL; et
(AT3) amélioration des plateformes informatiques HYDROTEL et PHYSITEL, ce dernier
étant un SIG dédié à la construction des bases de données de modèles hydrologiques
distribués.
Pour Ouranos et Hydro‐Québec les principales réalisations issues de ce projet incluent :
(i) le développement d’une méthode éprouvée de désagrégation sous grille de la
précipitation mésoéchelle permettant d’évaluer à fine échelle spatiale l’impact des
changements climatiques sur les précipitations; (ii) une meilleure compréhension de la
dynamique des écoulements, du stockage de l’eau et de l’évapotranspiration d’un petit
bassin versant boréal incluant une grande une tourbière minérotrophe aqualysée; (iii)
l’évaluation du paramétrage de la sublimation et la relocalisation de la neige dues au
vent et l’identification du besoin d’inclure le rayonnement sous la canopée pour bien
reproduire la crue avec un modèle complexe de l'évolution du couvert nival; (iv) la
détection de la quasi neutralité fréquente (~76% du temps, majoritairement le jour) de
l’atmosphère au‐dessus d’un milieu humide causée par une turbulence mécanique forte
et une grande inertie thermique; conditions ayant permises le développement d’un
modèle simple d’évapotranspiration des milieux humides basé le transfert massique et
la stabilité atmosphérique; (v) le développement d’un modèle de rayonnement net basé
uniquement sur des données de températures journalières (min, max) et une estimation
des paramètres permettant de valider l’utilisation de l’équation de Penman‐Monteith
dans le nord québécois; (vi) la hiérarchisation des paramètres de calage d’HYDROTEL
selon la saison et le développement d’une méthode permettant d’évaluer l’incertitude
sur les débits simulés et d’identifier son importance durant la fonte et l’étiage estival;
(vii) dans un contexte d’analyse fréquentielle des débits simulés, évaluation de
l’incertitude paramétrique par rapport à l’incertitude statistique, cette dernière
dominant pour les périodes de retour supérieures à cinq ans; (viii) à l’aide de PHYSITEL,
la première discrétisation du complexe de la rivière 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 à l’aide d’HYDROTEL; et (ix) le
développement d’une version 64 bits d’HYDROTEL incluant de nouveaux modules de de
calculs de la température du sol et des bilans hydriques des milieux humides et isolés.
L'avancement de nos compréhensions de l'hydrologie des milieux humides et du milieu
boréal en général a été à la base du développement des versions adaptées d'HYDROTEL
et de PHYSITEL qui permettront à Hydro‐Québec d'appréhender, avec une modélisation
distribuée, l'impact des changements climatiques sur le complexe de la rivière La
Grande. Ces logiciels sont transposables à l’ensemble du milieu boréal canadien. Une
entente conclut, depuis 2005, entre l’INRS et Hydro‐Québec (HQ) permet d’ailleurs une
distribution commerciale des différentes versions d’HYDROTEL avec interfaces usagers
de même qu’une distribution communautaire du noyau de calcul. Cette synergie a
permis de mettre en commun des ressources et des expertises qui facilitent les
échanges scientifiques et techniques entre les concepteurs d’HYDROTEL, le Centre
d’expertise hydrique du Québec (CEHQ), HQ, l’IREQ (Institut de recherche en électricité
du Québec) et d’autres usagers (ex. : l’IMTA, Instituto Mexicano de Technologia del
Agua). Au total, plus d’une quarantaine de licences ont été distribuées tant pour des
besoins d’enseignement (Université de Sherbrooke) et de recherche (Université Laval,
UQTR, UQAC, IREQ, École de Technologie Supérieure, INRA de Montpellier,
Environnement Canada, Agriculture et Agroalimentaire Canada), que des besoins de
prévision hydrologique (IMTA, Ville de Québec, Centre d’expertise hydrique du Québec,
HQ). La modularité informatique d’HYDROTEL se prête également bien à cette synergie
car elle offre la possibilité de partager le savoir‐faire et, par l’entremise d’un site
internet public (CodePlex), de mettre à la disponibilité de tous les nouvelles versions du
noyau de calcul. Ces développements ont permis à l’équipe de l’INRS‐ETE d’acquérir
une reconnaissance internationale en modélisation hydrologique distribuée. En effet,
HYDROTEL et PHYSITEL ont dans le passé été identifié comme les outils à utiliser dans le
cadre d’appels de proposition de projets de détermination du potentiel hydroélectrique
financés par la Banque Mondiale [World Bank, 2009].
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