Facteurs de divergences entre projections journalières et sous-journalières de modèles hydrologiques globaux conceptuels

Destuynder, Virginie (2025). Facteurs de divergences entre projections journalières et sous-journalières de modèles hydrologiques globaux conceptuels. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette étude a pour objectif d’explorer les sources de divergences entre projections journalières et sous-journalières de l’impact du changement climatique sur des indices de débit en rivière.

L’expérience est réalisée à partir de deux modèles hydrologiques globaux conceptuels (GR4J et MOHYSE), calibrés par deux grilles climatiques (MSWEP2 et ERA5) aux 3 h et aux 24 h, sur 221 bassins versants de 10 km2 à 2 000 km2 du Mexique, du Québec et des États-Unis. Les simulations sont comparées en termes de deltas sur les crues maxima et de récurrence 100 ans saisonnières, entre des périodes du passé récent construites par contrastes de températures, et de volumes et intensités des précipitations. En climat futur, la comparaison s’effectue à partir de projections issues de sept simulations climatiques régionales de résolution 0,11° et 0,22°. À l’échelle journalière, sont comparés les indices extraits des séries de débits 24 h, à ceux extraits des séries 3 h moyennées aux 24 h (appelées séries 324). À l’échelle sous-journalière, sont comparés les indices des séries 3 h, à ceux des séries 24 h multipliés par un facteur de pointe, selon la pratique usuelle pour établir des débits de conception en ingénierie.

Un portrait des différences entre simulations 3 h, 324 et 24 h a d’abord été dressé. En médiane, les simulations 3 h simulent mieux les deltas d’indices entre climats contrastés du passé, mais on observe une grande variabilité saisonnière et régionale en fonction des choix de configuration (modèle hydrologique, grille climatique de référence, indice hydrologique visé). Sur des simulations futures, le pas de temps représente une faible part de l’incertitude sur les projections en médiane sur l’échantillon, mais entre 20% et 70% selon le bassin lorsqu’on tient compte de ses fortes interactions avec les autres choix de configuration. Son impact est plus marqué dans certains contextes : variation de la saisonnalité des pluies, intensification des précipitations, diversification des processus générateurs de crue sur les bassins nivaux.

Plusieurs angles d’approche complémentaires ont ensuite été explorés pour analyser les divergences entre simulations. Tout d’abord, la variabilité inter-crues et inter-climats des facteurs de pointe a été calculée à partir des crues de séries observées 3 h et 324 du passé récent. La capacité des modèles hydrologiques à représenter ces facteurs de pointe observés et leur variabilité a également été analysée. Les séries (Fp) des facteurs de pointe calculés sur les crues observées classées présentent un point de rupture dans 55% des cas, et des tendances tant positives que négatives. Ces ruptures constituent un bon indicateur de processus générateurs de crues différents pour les crues fréquentes et rares. Aussi, le facteur de pointe moyenné sur les crues, Fp, n’est pas stationnaire entre périodes de climats contrastés du passé récent dans 48% des cas. Enfin, Fp dépend de l’échelle de temps choisie pour moyenner les séries aux 24 h, menant à des écarts jusqu’à 83% sur certains bassins selon que la série 324 est calculée en temps UTC ou en heure locale. Ces constats rappellent que la signification physique du facteur de pointe est limitée, et que son utilisation dans un contexte de changement climatique n’est pas recommandée.

On a aussi étudié l’adaptation d’hydrogrammes de crues théoriques à des variations du débit de base, et de l’intensité et de l’heure de pointe des averses. La déformation de ces modifications par la moyenne aux 24 h de ces hydrogrammes a été quantifiée et comparée aux divergences des projections de crue aux 3 h et 324 à l’échelle climatique. Les deltas sur les pointes de crue 3 h et 324 peuvent être opposés pour des bassins de temps de concentration inférieur à 48 h dans deux cas, rendant impossible l’utilisation de simulations journalières pour inférer des projections 3 h : 1) lorsque débits de base et débits de ruissellement varient en sens opposé, par exemple lorsqu’un bassin s’assèche mais que les crues s’intensifient ; 2) lorsque l’heure de pointe des hydrogrammes varie de telle façon que la pointe de crue soit proche d’une borne de la fenêtre de moyennage en référence mais pas en futur,ou vice versa. L’impact des variations du débit de base et du temps de pointe dépend de la capacité des modèles à représenter l’un et l’autre.

Par ailleurs, des ensembles d’arbres de classification des divergences ont été construits par apprentissage automatique à partir de prédicteurs géophysiques et hydroclimatiques associés aux bassins. Les prédicteurs de divergence les plus importants dépendent du modèle hydrologique, de l’indice de débit visé, et du régime hydrologique des bassins,mais certains sont cruciaux dans tous les cas. Pour les indices hydroclimatiques, il s’agit des deltas des indices de précipitations maximales saisonnières journalières ΔRX24 et sous-journalières ΔRX3, de l’indice de débit de base BFI, du facteur de pointe moyen Fp et du coefficient de variation de ce dernier CVFp . Pour les indices géophysiques, ce sont les taux de milieux humides et de forêts.

Enfin, quatre causes de divergences entre simulations 324 et 24 h ont été identifiées à travers quatre cas simulant des impacts opposés du changement climatique sur les débits aux 324 et aux 24 h : 1) Filtrage des processus sous-journaliers ponctuels (orages convectifs) ou cycliques (fonte). 2) Position de l’heure de pointe de l’averse ou de la crue par rapport à la fenêtre de moyennage de 24 h. 3) Impact du pas de discrétisation sur la résolution des équations non linéaires séquentielles ou de type « conditions logiques ». 4) Importance des horsains dans le calcul des indices. Cet examen s’est avéré un excellent outil pour comprendre comment un modèle hydrologique conceptuel compense les erreurs de discrétisation et pour cerner les limites de ces compensations sur des événements non observés en calibration. Par exemple, les tailles des réservoirs souterrains calibrés aux 3 h et aux 24 h sont différentes pour répondre à la dépendance des volumes d’infiltration à la résolution temporelle. Le changement structurel des précipitations dans le futur conduit alors à la saturation du réservoir à un pas de temps mais pas l’autre, et à des projections des crues et de l’hydrogramme annuel différentes.

En conclusion, lorsque des données sous-journalières sont disponibles, il est conseillé d’inclure la comparaison de projections journalières et sous-journalières dans la chaîne de modélisation. La détection de divergences signale alors des changements importants dans les processus générateurs de crues dominants du bassin, et la nécessité d’une étude approfondie des simulations avant de les utiliser pour des calculs d’ingénierie.

Titre traduit

Factors of divergences between daily and sub-daily projections of lumped conceptual hydrological models

Résumé traduit

This study aims to explore the sources of divergences between daily and sub-daily projections of the impact of climate change on river flow metrics.

Two lumped conceptual hydrological models (GR4H and MOHYSEH) are calibrated using two climate gridded datasets (MSWEP2 and ERA5) at 3-h and 24-h time steps, on 221 10 km2 à 2 000 km2 basins from Mexico, Quebec and the USA. The resulting simulations are compared in terms of deltas of seasonal maximum and 100-year return flows) between periods of the recent past based on contrasting temperatures, and precipitation volumes and intensities. For future climates, the comparison is based on projections from seven regional climate simulations of high spatial resolution (0,11° and 0,22°). At the daily scale, 24-h flow series are compared with daily-averaged 3-h flow series, thereafter called 324 series. At the sub-daily scale, 3-h flood metrics are compared with the 24-h metrics, multiplied by a peak factor, as in standard engineering practices.

The differences between 3-h, 324 and 24-h simulations were first described. The 3-h simulations performed better to adapt to past contrasting climate conditions in median terms over the sample, but the seasonal and regional internal variability is considerable and interdependent on the modeling chain configuration (hydrological model, reference climate grid, targeted metrics). For future simulations, the uncertainty arising from the temporal resolution is small in median terms, but rises to between 20% and 70% depending on the basin, when its strong interactions with the other components of the modeling chain are taken into account. The time step impact is more pronounced in certain contexts : variation in rainfall seasonality, intensification of precipitation, diversification of flood generating process on snow-dominated basins.

A number of complementary approaches were then explored to analyze the divergences between the simulations. First, a peak factor was computed for each flood of historical series as the ratio between 3-h and 324 peaks. The inter-floods and inter-climates stability of the peak factor was analyzed. The ability of the hydrological models to simulate these observed peak factors and their variability was also assessed. The series of peak factors computed on sorted historical floods, (Fp), reveal a significant breakpoint in 55% of cases, and both positive and negative trends. These breakpoints indicate distinct flood-generating processes for common and rare floods. Also, the peak factor averaged over floods, Fp, is not stationary between past contrasting periods in 48% of cases. Last but not least, Fp depends on the time reference chosen for the daily-averaging, leading to differences of up to 83% depending on whether the 324 series is computed in UTC or local time. These findings are a strong reminder of the limited physical meaning of the peak factor. We do not recommend its use in a climate change context.

A theoretical experiment was then carried at the event scale, applying simple climate changes (variations in base flow, rainfall intensity and rainfall peak timing) to a typical rainfall event routed through a theoretical unit hydrograph. The subsequent modified flood hydrographs were daily-averaged to analyze the distortion of the climate change signal through the averaging process. The results were compared to the differences observed at the climate scale. Two cases can lead to opposite 3-h and 324 deltas for basins with a time of concentration shorter than 48-h, making it impossible to infer sub-daily delta from daily delta : 1) opposite changes of base flow and runoff flow, e.g., drier basin receiving heavier events. 2) time-to-peak in such a way that the peak is close to a bound of the averaging window in the reference period, but not in the future, or vice versa. The impact of these changes in base flow and time-to-peak depends on the model’s ability to represent them.

In addition, classification tree ensembleswere constructed based on geophysical and hydroclimatic characteristics of the basins, to identify predictors of potential divergences. The most important predictors depend on the hydrological model, the targeted metrics, and the hydrological regime of the basins. However, some are crucial in all cases. Key climate predictors are deltas in daily and sub-daily maximum precipitation (ΔRX24, ΔRX3). Key hydrological predictors are the base flow index BFI, the mean peak factor Fp and its coefficient of variation CVfp . Key geophysical predictors are the wetland and the forest percentages.

In conclusion, when sub-daily data is available, we recommend including the comparison of daily and sub-daily projections in the modeling framework. The detection of divergences then adverts for significant changes in the basin’s dominant flood-generating processes, and for the need for a thorough study of the simulations before using them for engineering purposes.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 517-555).
Mots-clés libres:	hydrologie, changement climatique, crues, résolution temporelle, modélisation hydrologique, facteur de pointe
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Poulin, Annie
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 sept. 2025 19:32
Dernière modification:	08 sept. 2025 19:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3681

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