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Stratégies optimales de calibration de modèles hydrologiques en contexte de changements climatiques

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Bérubé, Samuel (2020). Stratégies optimales de calibration de modèles hydrologiques en contexte de changements climatiques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Depuis le début de l’anthropocène, jamais des changements aussi drastiques n’ont été observés quant à la concentration de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère. Ce phénomène est l’instigateur de perturbations actuelles et futures des processus du cycle hydrologique, aux échelles globale et régionale. À ce jour, les modèles hydrologiques utilisés pour simuler les débits requièrent une calibration basée sur les données hydrométéorologiques du passé. Dans un avenir où le climat serait considérablement altéré, ces modèles risquent donc d’être inefficaces pour étudier les impacts des changements climatiques si les processus de calibration actuels demeurent en place. Ce mémoire vise à étudier diverses stratégies de calibration potentiellement exploitables lors d’études d’impacts des changements climatiques.

L’analyse de ces stratégies fut réalisée à partir du modèle pluie-débit GR4J-Cemaneige, sur un échantillon de 921 bassins versants d’Amérique du Nord. Un total de cinq stratégies furent testées sur la base de 46 années non consécutives de données hydrométéorologiques. Dans le but de cibler des périodes aux anomalies distinctes, les périodes de validation étaient composées des cinq années sélectionnées selon cinq critères différents : températures moyennes les plus élevées, précipitations annuelles les plus élevées/faibles et débits moyens les plus élevés/faibles. Les 41 années restantes furent utilisées pour la calibration, sous forme d’échantillons allant de 5 à 40 ans (par multiples de 5). Par l’entremise de cette méthodologie, les recherches ont également permis de tester les performances du modèle lorsque calibré sur des périodes de diverses longueurs. Le présent mémoire comporte également une étude de la stabilité des paramètres face aux différents climats expérimentés en calibration, qui permet d’approfondir les connaissances sur la transposabilité temporelle des modèles.

Bien que de nombreux écarts de performances apparaissent entre les différents bassins étudiés pour chaque stratégie, certaines conclusions générales peuvent être tirées. Les résultats démontrent que d’écarter quelques-unes des années les plus froides de la période de calibration est une pratique fiable lorsque la période de validation est constituée des années les plus chaudes. Dans le cas des quatre autres stratégies de calibration, où les conditions de validation sont fortement influencées par les précipitations, retirer un bon nombre d’années aux anomalies moindres est la solution la plus efficace. D’un autre côté, une approche de calibration basée sur toutes les années disponibles (40 ans dans ce cas-ci) procure de bonnes performances dans la plupart des cas, alors que l’utilisation d’un très petit nombre d’années (5 à 10 ans) n’est pas une approche souhaitable.

Sur le plan de la stabilité paramétrique, les résultats démontrent que les évolutions que subissent les paramètres X1, X2 et X3 à mesure que des années de calibration sont ajoutées, sont généralement de directions opposées pour des climats de calibration contrastant. Par exemple, le paramètre X2 présente majoritairement une diminution pour la stratégie des années sèches, alors qu’il subit une augmentation dans le cas des années humides. Peu importe la stratégie de calibration utilisée, une performance élevée du modèle sur un bassin versant est garante d’une stabilité accrue des quatre paramètres de GR4J. Les deux paramètres de CemaNeige semblent plus stables pour les bassins où la précipitation neigeuse annuelle moyenne excède 200 mm et que les années de calibration incluent davantage d’années plus froides. Cette stabilité est toutefois plus évidente pour le coefficient de pondération de l'état thermique du manteau (X5) que pour le facteur degré-jour (X6).

Titre traduit

Optimal hydrological model calibration strategies in a context of climate change

Résumé traduit

Since the beginning of the Anthropocene, never have such drastic changes been observed in the concentration of greenhouse gases (GHGs) in the atmosphere. This phenomenon is the instigator of current and future disturbances of the hydrological cycle, at global and regional scales. To date, the hydrological models used to simulate streamflows require calibration based on historical hydrometeorological data. In a future where the climate would be considerably altered, these models may therefore be ineffective in studying the impacts of climate change if the current calibration processes remain in place. This thesis aims to study various calibration strategies useful for climate change impact studies.

The analysis of these strategies was carried out using the GR4J-Cemaneige rainfall-runoff model, on a sample of 921 North American watersheds. A total of five calibration strategies were tested based on 46 non-consecutive years of hydrometeorological data. In order to target periods with distinct anomalies, validation periods consisted of five years selected according to five different criteria: highest average temperatures, highest/lowest annual precipitation and highest/lowest average streamflows. The remaining 41 years were used for calibration, with samples ranging from 5 to 40 years (increments of 5). Using this methodology, the research also tested the performance of the model when calibrated over time periods of various lengths. This thesis also includes a study of parameter stability through different climates experienced in calibration, which allows us to deepen our knowledge on the temporal transposability of hydrological models.

Although there is a lot of across-catchment variability in the results, some general conclusions can nonetheless be drawn. Results show that removing some of the coldest years from the calibration period is a reliable practice when the validation period consists of the warmest years. For the remaining four calibration strategies, where the validation conditions are heavily influenced by precipitation, removing a large number of most dissimilar years is the most effective solution. A calibration approach based on all available years (40 years in this case) provides good performance in most cases but is not optimal. On the other hand, using a small number of years (5 to 10 years) is not an optimal approach.

In terms of parameter stability, results show that the changes undergone by the parameters X1, X2 and X3 as years of calibration are added, are generally in opposite directions for contrasting calibration climates. For example, the parameter X2 mainly shows a decrease for the dry years strategy, while it undergoes an increase in the case of wet years. Regardless of the calibration strategy used, a high calibration performance of the model on a watershed guarantees increased stability of the four parameters of GR4J. Globally, the two CemaNeige parameters seem more stable for catchments where the average annual snowfall exceeds 200 mm and the calibration years include more cold years. This stability is however more obvious for the coefficient of weighting of the thermal state of the mantle (X5) than for the degree-day factor (X6).

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire par article présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de la construction". Comprend des références bibliographiques (pages 62-67).
Mots-clés libres: modélisation hydrologique, changements climatiques, stratégies de calibration, stabilité des paramètres
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brissette, François
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt: 07 sept. 2021 17:07
Dernière modification: 24 sept. 2021 17:57
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2680

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