Dérivation de courbes de tarage synthétiques à partir d'un modèle numérique d'altitude pour délimiter les surfaces inondables de petits bassins versants.

Gordon, Camila Alejandra (2022). Dérivation de courbes de tarage synthétiques à partir d'un modèle numérique d'altitude pour délimiter les surfaces inondables de petits bassins versants. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 94 p.

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Résumé

Compte tenu de la nécessité de mettre à jour les cartes d'inondation et de minimiser les coûts associés (collecte de données et ressources humaines), il existe un besoin de méthodes alternatives simplifiées ne reposant pas sur la modélisation hydrodynamique classique. L'une des méthodes simplifiées répondant à ce besoin est HAND (Height Above the Nearest Drainage), une approche qui requiert uniquement un modèle numérique d'altitude (MNA) et un réseau hydrographique. Celle-ci a été mise en œuvre dans PHYSITEL, un système d’information géographique SIG spécialisé pour les modèles hydrologiques distribués. Ainsi, pour une hauteur d’eau donnée dans plusieurs tronçons de rivière, il est possible de faire une délimitation de première instance de la surface inondée le long du réseau hydrographique d’un bassin versant. Par ailleurs, l'utilisation des informations fournies par HAND et l'application de l'équation de Manning permettent également de construire une courbe de tarage synthétique pour tout tronçon de rivière en l’absence de données bathymétriques. Ce mémoire présente l’application de cette approche, qui a été validée précédemment en partie sur de grands bassins, sur deux petits bassins, ceux de la rivière à La Raquette, d’une superficie de 133 km², et de la rivière Saint Charles, d’une superficie de 552 km². Trois stations de jaugeage dans chaque bassin ont fourni les informations de base nécessaires au processus de calage de l’approche. L’efficacité et l’adaptabilité de cette approche ont été évaluées dans ce projet en fonction des données disponibles, du temps de calcul et de la précision mesurée par le biais et l’erreur quadratique moyenne. Les incertitudes et sensibilités de l’approche ont été analysées en tenant compte de la résolution spatiale et du manque de données bathymétriques. De plus, des analyses innovatrices ont été produites dans l’application de HAND. Tels qu’une analyse de sensibilité globale pour informer le processus de calage ainsi que l’application d’un critère basé sur le nombre de Froude afin de permettre de valider le respect des hypothèses sous-jacentes à l’application de l’approche sur chaque tronçon de rivière d’un bassin. En utilisant des MNA à haute résolution(<5 m/pixel), des courbes de tarage synthétiques ont été produites avec des biais inférieurs à ±20 % par rapport à des courbes de tarage in-situ. De plus, la détermination d'un critère de sélection des courbes dans un biais de ± 5% par rapport à la courbe de tarage observée a permis d'obtenir des courbes de tarage synthétiques avec des erreurs quadratiques moyennes normalisées comprises entre 0,03 et 0,62. Ainsi, cette approche a été validée pour dériver des courbes de tarage synthétiques et, par conséquent, pour soutenir la délimitation des zones à risque d'inondation dans les petits bassins versants en tenant compte des incertitudes associées à l'application d'une approche de faible complexité.

Given the emergent need to update flood inundation maps and minimize associated financial costs (data collection and human resources), simplified alternative methods to the classical hydrodynamic modelling method, are being developed. One of the simplified methods built to fulfill this need is the terrain-based Height Above the Nearest Drainage (HAND) method, which solely relies on a digital elevation model (DEM) and a river network. This approach was implemented in PHYSITEL, a specialized GIS for distributed hydrological models. For a given river reach and water height, HAND can provide a first-hand delineation of the inundated areas within a watershed. In addition, coupling the information provided by HAND and the Manning equation allows for the construction of a synthetic rating curve for any homogeneous river reach where bathymetric data are not available. Since this synthetic rating curve approach has been validated in part for large watersheds, this study tested this approach onto two small watersheds: the 133- km² La Raquette River watershed and the 552-km² Saint Charles River watershed. Three gauging stations on each basin provided the basic data to perform the calibration process. The effectiveness and adaptability of the approach was assessed as a function of available data, computational time, and accuracy measured using the bias and root mean squared error (RMSE). The uncertainties were quantified in terms of spatial resolution and lack of bathymetry data. In addition, innovative analyses were made on the application of the HAND-synthetic rating curve approach. First, a global sensitivity analysis was done to inform the calibration process, and then a Froude number-based criterion was applied to validate the application of the Manning equation on any river reach of a watershed. Using high-resolution DEMs (<5 m/pixel), we obtained synthetic rating curves with bias less than 20% when compared to in-situ rating curves. Finally, a curve selection criterion was applied to identify those curves having a bias of ± 5%. The selected synthetic rating curves had normalized mean squared errors between 0.03 and 0.62. Thus, the proposed approach was deemed appropriate to derive synthetic rating curves and support the delineation of flood risk areas in small watersheds all the while considering the uncertainties associated with applying a low complexity model.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Rousseau, Alain N.
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Foulon, Étienne
Mots-clés libres:	courbes de tarage synthetiques; height above the nearest drainage; analyse de sensibilité globale; équation de manning; synthetic rating curves; global sensitivity analysis; manning equation
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	30 mars 2023 19:29
Dernière modification:	07 mars 2024 05:00
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13258

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