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Analyse des grilles de précipitation à haute résolution et des critères de calage pour la modélisation hydrologique au Québec

Bajamgnigni Gbambie, Salam (2016). Analyse des grilles de précipitation à haute résolution et des critères de calage pour la modélisation hydrologique au Québec. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire concerne l’analyse de trois bases de données de précipitation à haute résolution sur grilles régulières couvrant la province de Québec. Il s’agit de la grille de Ressources Naturelles Canada (NRCan), de la grille du Ministère du Développement durable, de l'Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques du Québec (MDDELCC), et de l’Analyse Canadienne de Précipitation (CaPA) produite par Environnement et Changements climatiques Canada. À ces trois grandes grilles s’ajoute la grille opérationnelle de Rio Tinto qui couvre la région du Saguenay-Lac-Saint-Jean. Le travail de recherche vise à déterminer les différences spatiales et temporelles entre les bases de données de précipitation sur grilles et leurs implications pour la modélisation hydrologique, d’abord pour le Québec au complet et, ensuite, plus particulièrement sur le bassin versant du Lac-Saint-Jean. Trois critères de calage, soient le Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), le Kling-Gupta Efficiency (KGE) et une combinaison de critères tels que le biais, la racine carrée de l’erreur quadratique moyenne (RMSE) et le NSE, sont évalués pour le calage du modèle hydrologique HSAMI sur les bassins versants du Québec.

Des indicateurs tels que les écarts relatifs, la corrélation, les rapports des variances, les précipitations cumulées, etc., sont utilisés pour déterminer les similitudes et les distinctions entre les grilles de précipitations. Le modèle global conceptuel HSAMI est utilisé pour réaliser les simulations sur 181 bassins versants au Québec, alors que le modèle conceptuel semi-distribué CEQUEAU est utilisé pour les simulations hydrologiques sur le bassin versant du Lac-Saint-Jean. Des calages du modèle HSAMI sont effectués avec chacun des trois critères mentionnés ci-dessus sur les 181 bassins versants.

Les résultats indiquent de fortes similitudes entre les grilles de précipitation dans le sud et des disparités dans le centre et le nord de la province de Québec. L'analyse des simulations hydrologiques indique que CaPA offre les meilleurs résultats, en particulier pour les bassins versants situés dans le centre et le nord de la province. MDDELCC offre les meilleures performances dans les bassins versants situés sur la rive sud du fleuve Saint-Laurent et se présente globalement comme la deuxième meilleure option. L’analyse des simulations avec le modèle CEQUEAU sur le bassin versant du Lac-Saint-Jean conduit aux mêmes conclusions. La comparaison des débits simulés pour les différents critères de calage révèle que le critère KGE permet d’obtenir des variances des débits simulés plus proches de celles des débits observées.

Titre traduit

Intercomparision of high resolution gridded precipitation datasets and calibration metrics for hydrological modelling in Quebec

Résumé traduit

The research presented in this master’s degree thesis is centered on the analysis of three highresolution gridded precipitation datasets that cover the entire province of Quebec. These gridded datasets are produced by Natural Resources Canada (NRCan), by Quebec’s Ministère du Développement durable, de l'Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques (MDDELCC), and by Environment and Climate Change Canada (the Canadian Precipitation Analysis, CaPA). Operational precipitation gridded dataset from Rio Tinto that covers the Saguenay-Lac-Saint-Jean region is also considered. This study aims at determining the spatial and temporal differences in gridded precipitation datasets and their implications for hydrological modeling over the province of Quebec and over a specific region, here the Lac-Saint-Jean watershed. Three calibration criteria, namely the Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), the Kling-Gupta Efficiency (KGE), as well as a combination of criteria such as bias, root mean square error (RMSE) and the NSE are evaluated for calibrating hydrological models on various watersheds in the province of Quebec.

Indicators such as the relative differences, correlation, ratio of variances, cumulative precipitation, etc., are used to determine the similarities and distinctions between precipitation datasets. The conceptual global model HSAMI is used to perform simulations on 181 watersheds in Quebec. The semi-distributed conceptual model CEQUEAU is also used for hydrological simulations, but only on the Lac-Saint- Jean watershed. Different calibrations of the HSAMI model are carried out with each of the three above-mentioned criteria on the 181 watersheds.

Results indicate strong similarities between gridded precipitation datasets in the southern portion of the province and disparities in the center and northern portions. The analysis of hydrological simulations performed with HSAMI indicates that the CaPA dataset provides the best results, especially for the watersheds located in the center and north of the province. The MDDELCC dataset shows the best performance in watersheds located on the South shore of the St. Lawrence River and comes out as the overall second best option. The analysis of the simulations with CEQUEAU on the Lac-St-Jean watershed leads to the same conclusion. Comparing the simulated streamflow series obtained after calibration of the HSAMI model using the different calibration criteria mentioned above reveals that calibrating the model according to the KGE criterion provides a better match between the variances of simulated and observed streamflows.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie de la construction". Bibliographie : pages 95-103.
Mots-clés libres: Précipitations (Météorologie) Québec (Province) Données géospatiales. Modèles hydrologiques Québec (Province) Modèles hydrologiques Québec (Province) Saguenay-Lac Saint-Jean, Bassin du. Modèles hydrologiques Simulation par ordinateur. Analyse spatiale (Statistique) Étalonnage. HSAMI, précipitation sur grilles, modélisation hydrologique, critères de calage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Poulin, Annie
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Boucher, Marie-Amélie
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt: 01 mars 2017 15:19
Dernière modification: 01 mars 2017 15:19
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1818

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