Adaptation des outils PHYSITEL/HYDROTEL au milieu ... - Ouranos

Adaptation des outils PHYSITEL/HYDROTELau milieu boréal québécois :modélisation des processus hydrologiques etanalyses de sensibilité et d’incertitudesALAIN N. ROUSSEAU et al.S9 – Vers des outils de modélisation en hydrologie mieux adaptés5 e Symposium d’OuranosCœur des sciences, Université du Québec à Montréal19-21 novembre, 2012

Un premier projet en 2006-2009Modélisation des processushydrologiques• Milieux humides ombrotrophes• Lacs à sorties multiples• Paramétrages des sols boréaux• Couvert nival• ÉvapotranspirationTraitement des données etsimulation hydrologique• HYDROTEL/CROCUS/PHIM/PHYSITEL• Interface de calage manuel• Validation MRCC• MRCC & HYDROTELHAUTEUR (cm)Modélisation de la hauteur du couvert de neige à lastation NECO-1 à l'aide du modèle CROCUS100Mesurée80 Simulée CROCUS6040200HAUTEUR (cm)01/09/0615/09/0629/09/0613/10/0627/10/0610/11/0624/11/0608/12/0622/12/0605/01/0719/01/07DATE02/02/0716/02/0702/03/0716/03/0730/03/0713/04/0727/04/0711/05/0725/05/07Modélisation de la hauteur du couvert de neige à lastation NECO-1 à l'aide du modèle HYDROTEL100Mesurée80 Simulée HYDROTEL604020001/09/0615/09/0629/09/0613/10/0627/10/0610/11/0624/11/0608/12/0622/12/0605/01/0719/01/07DATE02/02/0716/02/0702/03/0716/03/0730/03/0713/04/0727/04/0711/05/0725/05/07Débit (m³/s)600502040Été 200740Bassin versant de la Nécopastic30Débit observé60PrécipitationDébit simulé PHIM20Débit simulé BV3C801010001202007-05-01 2007-06-01 2007-07-01 2007-08-01 2007-09-01 2007-10-01DatePrécipitation (mm)

La suite… 2011-2014Étude de processus hydrologiques• Désagrégation de la précipitation àfaible résolution• Hydrologie d’un bassin incluantune tourbière minérotrophe (LF1)• Modélisation du couvert nival• Suivi du bilan d’énergie de surfaceet des flux de méthane d’unetourbière ombrotrophe (LG2)• Paramétrage des sols boréaux• Domaine de validité des équationsSt-Venant (approximations)

La suite… 2011-2014Calage, analyses de sensibilité,d’identifiabilité et d’incertitudes• Sous plusieurs conditionshydrologiques (40 ans)• Finalisation de l’interface d’aideau calage manuelAméliorations des plateformesinformatiques• Refonte d’HYDROTEL• Substitution des composantescommerciales de PHYSITEL etHYDROTEL

Modélisationdes processus hydrologiques

Désagrégation sous grille de la précipitation mésoéchelleP Gagnon (Ph.D., 2012), AN Rousseau, A Mailhot, D Caya, A FrigonObjectifProduction de champs de précipitation à finerésolution à partir de champs à faible résolutionMéthodeMéthode statistique basée sur l’échantillonnagede Gibbs et sur des données radars de Stage IV,une mosaïque créée à partir des River ForecastCenters (RFC), États-UnisIncidence des travaux• Ensemble d’estimations sur un territoire d’intérêt• Produit des champs ayant des structures spatiales réalistes• Algorithme tient compte de la corrélation à fine échelle spatiale• Variables atmosphériques incluses dans le modèle (vent, CAPE)[1] Bacchi B, R Ranzi. 2003. Hydrology and Earth System Sciences, 7(6), 785-798. [1]

Exemple d’application - Précipitation moyenne journalière [mm](2006-2008; sud-est, États-Unis) – Modèle 1Latitude33.53332.53231.533.53332.53231.554.543.533130.5Observée-85.5 -85 -84.5 -84 -83.5 -83 -82.5 -82 -81.53130.5LongitudeDésagrégée-85.5 -85 -84.5 -84 -83.5 -83 -82.5 -82 -81.52.52Gagnon P. AN Rousseau, A Mailhot, D Caya, 2012 : Spatial Disaggregation of Mean Areal Rainfall using GibbsSampling. Journal of Hydrometeorology, 13(1), 324-337.

Exemple d’application - Précipitation moyenne journalière [mm](2006-2008; nord-ouest, États-Unis) - Modèle 2, ajout de la topographie49Observée49Entrée48.54848.54818Latitude47.54746.547.54746.516144645.5-124 -123 -122 -121 -120 -1194948.5Longitude4645.5-124 -123 -122 -121 -120 -119Désagrégée 4948.5121084848647.54747.547446.546.524645.5Modèle 1-124 -123 -122 -121 -120 -1194645.5Modèle 2-124 -123 -122 -121 -120 -1190Gagnon P, AN Rousseau, A Mailhot, D Caya, 2012 : A Gibbs Sampling Disaggregation Model for OrographicPrecipitation. Intlernational J of Applied Earth Observation and Geoinformation.DOI: 10.1016/j.jag.2011.11.002..

Hydrologie d’un bassin versant boréal incluantune grande tourbière minérotropheG Carrer (3 e cycle en rédaction - 2013), AN Rousseau, A St-Hilaire, S JutrasObjectifCaractériser les dynamiques de stockageet d’écoulement dans les mares et le solMéthodeMise en place d’un protocole de suivis hydrométéorologique, piézométrique etisotopique (couches contributives au ruissellement, origine de l’eau)Résultats préliminaires• Échanges souterrains très faibles au niveau des bassins en tête de réseau• Potentiel de stockage modéré - Fort dans les mares, faible dans la tourbe• Production de petites crues par dépassement des capacités de stockage de la tourbière• Écoulement estival « effet piston » - Écoulement automnal « ruissellement »• Écoulement horizontal (< 30 cm) pluriannuel

Modèle conceptuel d’écoulementTourbière (TM)Forêt boréale30 cmQ 2,1Q 2,2ONSQ 2, 1-2Q 1,1Q 1,2Q 1, 1-2P 1,1P 2,1 E 1,1E 2,1ÉcoulementannuelÉcoulement>> annéeQ≈0ΔS-ONS (mm)Débit (mm.h -1 )ΔS-ONS = a ln (Q) + b• a : effet seuil plus ou moins prononcé• b : capacités de stockage de la TM• Notre étude: a=5; b=20Source : S. Proulx McInnis

Modèle conceptuel d’écoulement – Intégration à HYDROTELQ(UHRH;TM) = exp [(ΔS TM -ONS -b)/a]Forêt[Q(UHRH)* (1-A TM )]/A TM +(P TM –E TM )• A représentativité TM• E évapotranspiration (mm)• P précipitations (mm)Q (mm. h -1 )2.01.51.00.50.0Nash-S: 0.67Tests préliminaires…UHRH; TMObservésModule TMQQUHRHForêtT.M.180 200 220 240 260J. JulienUHRH; TM

Accumulation/fonte du couvert nivalMathieu Oreiller (2 e cycle, 2011-2013), AN Rousseau, M Minville, D Nadeau, Y Choquette,S Savary, M-J DorayObjectifÉtude de la dynamique du couvert nival (EEN, densité,hauteur de neige, débit simulé) en milieu boréalMéthodeIntercomparaison du module de neige (unicouchemixte degré-jour/bilan énergétique) d’HYDROTELavec CROCUS (multicouche de bilan énergétique) àpartir des valeurs EEN mesurées à la stationNécopastic à l’aide du GMON de l’IREQAméliorations apportées au modèle CROCUSIntégration du processus de sublimation de la neige, del’effet de la température du sol, et ajustement de latempérature seuil neige/pluie

Évaluation des améliorations apportées à CROCUS - Cinq saisonsde données d’EEN en continue avec le GMON [mm] (LG1)• Température du sol (très peu d’impact) [Rankinen et al. 2004]• Température du seuil neige/pluie (changement important observé sur une seule desannées d’étude, 2008-09) [Langlois et al. 2009; Brucker et al. 2011; Auer, 1974]• Sous-captation de la neige (dans notre cas, effet modéré mais impact important etsouvent négligé sur des milieux plus ouverts) (données empiriques Néco/ Radisson)• Sublimation de le neige transportée (grand absent des modèles de neige, impactimportant sur toutes les années d’études) [Bintanja 2001] f(vent, HR

Intercomparaison du module de neige (unicouche mixte degré-jour/bilanénergétique) d’HYDROTEL avec CROCUS (multicouche de bilan énergétique)- Cinq saisons d’EEN en continue avec le GMON [mm] (LG1)(AGU 2012)

Corrélation entre les simulations d’EEN de la neige de CROCUS etd’HYDROTEL avec les mesures du GMON (2006-2011) [mm] (LG1)(AGU 2012)

Suivi micrométéorologique des échanges d’eau, de CH 4 etd’énergie à la surface d’une tourbière ombrotrophe (LG1)Daniel Nadeau, AN Rousseau, C Coursolle, HA MargolisQuestionnements• Quel est l’influence de la surface de la tourbièresur le bilan d’énergie thermique?• Quelle est la valeur du coefficient alpha dumodèle d’ET de Priestley-Taylor?• Quel est le rôle de la turbulence atmosphériquesur le flux méthane de la tourbière?MéthodeDéploiement d’un mât micrométéorologique (24 juinau 27 septembre, 2012)Campagne de mesures météorologiquesMeteorological field campaignᐋᐦ ᓈᓂᑑᒋᔅᒑᔨᐦᑖᑯᐦᒡ ᐋᑖᔨᐦᑖᑯᐦᒡ ᐋᔑᑯᒥᒌᔑᑳᐤᐦDéfis techniques et scientifiquesTerritoire éloigné et hétérogène (tourbière – présence de plantes vasculaires et non-vasculaires,quelques surfaces d’eau libre, ceinturée de forêts)

Exemple de résultats – Bilan d’énergie à la surface de la tourbièreJournée ensoleillé – 31 juil. 2012 Journée nuageuse – 25 juil. 201213:00R n radiation netteG flux de chaleur dans le solL e E flux de chaleur latenteH flux de chaleur sensibleres énergie résiduelle13:00(AGU 2012)

Exemple de résultats – Coefficient alpha de Priestley-TaylorMéthode de Priestley-Taylor (P-T)Évaporation pour des surfaces saturées en eauJournées sans pluieavec L e E > 10 W/m²r² = 0.81coefficientempiriqueévaporationà l’équilibrepour unmilieu saturésans advectionα = 0.72• Autres études sur des milieux humides• α = 0.8 (Kellner et al., AFM, 2001)• α = 0.76 (Parmentier et al., AFM, 2009)• α = 0.69 (Petrone et al., HP, 2007)α < 1, donccontrôle de la végétation sur L e E !(AGU 2012)

Exemple de résultats – Flux de méthane29 juin 2012r² = 0.09Émission journalière totale: ≈ 34 mg CH 4(Valeurs intégrées obtenues similaires à celles dePelletier et al. JGR 2007)TurbulenceatmosphériquemécaniqueEffet non détectable surles flux de méthane(toujours sous investigation)(AGU 2012)

Calage, analyses de sensibilité,d’identifiabilité et d’incertitudes

Analyses des 1 er et 2 ième ordresI Ben Nasr (2 e cycle, 2011-2013), A Mailhot, AN RousseauObjectifs• Analyse de sensibilité/identifiabilité des paramètres sur un bassin pilote• Prise en compte de la variation saisonnière dans l’analyse des incertitudes• Étude comparative entre méthodes d’analyse d’incertitudesRésultats préliminaires – 1 er ordreVariation de ±6.25% sur les paramètres• FETP paramètre le plus influent• Autres paramètres• Influence dépendante des conditionshydrométéorologiquesProchaines étapes• Analyse 2 e ordre + validation méthode MCvariation relative de débit (%)variation relative de débit(%)6040200-6.25-20-40variation relative de débit pour une variation relative de -6.25% des paramètres-60FFCO 1 FFFE 2 FFFO 3 STCO 4 STFE 5 STFO 6 TFN 7 CC 8 FETP 9 10 Z1 11 Z2 12 Z3 REC 13 DESS 14 VHMAX 15 TPPN 16 GVP 17 GVT 186040206.250-20-40variation relative de débit pour une variation relative de + 6.25% des paramètres-60FFCO 1 FFFE 2 FFFO 3 STCO 4 STFE 5 STFO 6 TFN 7 CC 8 FETP 9 10 Z1 11 Z2 12 Z3 REC 13 DESS 14 VHMAX 15 TPPN 16 GVP 17 GVT 18• Propagation des incertitudes pour d’autre critères hydrologiques (débit de crue etd’étiage de période de retour T…)

Hiérarchisation des paramètres pour des dates particulièresContribution élémentaire*positive des paramètres(valeurs d’incertitudes de6,25%; 12,5%; 25%)• Journée de débit maximal(a) 23 avril 2001• FFFO, STFO, FETP, GVT• Journée de débit minimal(b) 15 septembre 2009• FETP, Z3, REC* Rapport entre la variation engendré parune variation d’un paramètre et lavariation totale engendré par unevariation des paramètrescontribution élémentaire (%)contribution élémentaire (%)353025201510504035302520151056.25% 1 2 312.5% 25%FFCOFFFEFFFOSTCOSTFESTFOTFNCCFETPZ1Z2Z3RECDESSVHMAXGVPGVTFFCOFFFEFFFOSTCOSTFESTFOTFNCCFETPZ1Z2Z3RECDESSVHMAXGVPGVT06.25% 1 12.5% 2 25% 3

Incertitudes sur les débits (méthode des moments d’ordre 1)Débit(m³/s)1009080706050403020100Dec/79 Jan/80 Mar/80 Apr/80 Jun/80 Aug/80 Sep/80 Nov/80 Jan/81débit de rèference et jour intervalle julien de confiance 95%180Q-1971-refQ-Quantile-2.5%160Q-quantile-97.5%140120débit de rèference et intervalle de confiance 95%Moyenne, 568 mm+ sèche, 385 mmQ-1980-refQ-Quantile-2.5%Q-quantile-97.5%300250200Débits de référence etintervalle de confiance 95%pour trois annéesparticulières, pour uneincertitude de 6,25% sur lesparamètresdébit de rèference et intervalle de confiance 95%Q-2008Q-Quantile-2.5%Q-quantile-97.5%+ humide, 945 mm)Débit(m ³/s)10080Débit(m ³/s)150601004050200Nov/70 Jan/71 Feb/71 Apr/71 Jun/71 Jul/71 Sep/71 Nov/71 Dec/71 Feb/72jour julien0Dec/07 Feb/08 Apr/08 May/08 Jul/08 Aug/08 Oct/08 Dec/08 Jan/09jour julien

Améliorationsdes plateformes informatiques

État d’avancementA. Royer, S. Savary, A.N. RousseauHYDROTEL• HDF5 - nouveau format de lecture etécriture• GDAL/OGR système d’informationgéographique (domaine public)• Exécution en parallèle pour les sousmodèlesles plus lents (BV3C/HGM)• Faciliter l’utilisation extérieure desfichiers de projets et de simulations• Version 64 bits pour informationphysiographique sur de grande échelle• Modernisation du code source (C++11)PHYSITEL• GDAL/OGR système d’informationgéographique• Utilisation de librairies open source• Moteur d’affichage commun avecHYDROTEL• Version 64 bits pour informationphysiographique sur de grandeéchelle

Autres participantsoHQ/IREQoINRS-ETE• René Roy• Simone Grindat (ETHZ)• Nathalie Thiémonge• Gabriel Hould-Gosselin• Catherine Guay• Dennis W. Hallema• Brou Konan• Maxime Fossey• Manon VincentoUniversité Laval• Yves Choquette• Sylvain Jutras• Marie-José DorayoSilvio J. GumiereoOuranosoCEHQ• Pierre Baril• Simon Ricard• Richard Harvey• Simon Lachance-Cloutier• Richard Turcotte

Partenaires – Travaux en milieu boréaloEPFLoUniversité Laval• Marc Parlange• Sylvain JutrasoUniversity of Utah• Serge Payette• Eric R. Pardyjak• Hank MargolisoOregon State University• Carole Coursolle• Chad W. Higgins• Sébastien Cyr

-ONSfaibles etde mêmeimportance

La recherche hydrologique au Québec dansun contexte de changements climatiques -Enjeux et perspectives25 et 26 avril, 2013Ville de Québecjulie.fortin@ete.inrs.cahttp://rhq2013.ete.inrs.caAppel de proposition (étudiants) : 15 janvier 2013

Détermination des propriétés hydrodynamiquesdes sols boréauxG Levrel (3 e cycle - en rédaction), AN Rousseau, J Caron, J Price, P LafranceObjectifAttribuer des valeurs paramétriques dans BV3C au contextepédologique boréalMéthodePrélèvements individualisés d’horizons et couverts de sol etdétermination en laboratoireRésultats• θ(Ψ) et K(θ) des différents couverts [1]• θ(Ψ) et K(θ) des différents horizons des cinq sols prélevés [2]• Interfaces pédologiques et interfaces ‘couvert muscinal - surface du sol’ (en attente)[1] Levrel G, AN Rousseau. 2010. Canadian Journal of Remote Sensing, 36: 313-331[2] Levrel G, AN Rousseau, P Lafrance, S Jutras, C Clerc. 2009. Canadian Water Resources Journal, 34(4): 329-348.

Validation d’applications des approximations deséquations de St-VenantPE Isabelle (stagiaire 2011 & 2 e cycle en rédaction – 2012-2014), AN Rousseau, SJ GumiereProblématiques• Approximations pas toujours représentatives de l’écoulement en rivière• Trois diagrammes de zone d’applicabilité disponibles (Ponce et Simons, 1977;Daluz Vieira, 1983; Moussa et Bocquillon, 1996)MéthodeRecensement d’études (24 articles) et applications(incluant HYDROTEL) - vérification de la validitédes approximations utiliséesRésultats• Écarts de certains points avec leur zoned’applicabilité, spécialement avec Ponce etSimons (1977) et Moussa et Bocquillon (1996)I II III y V y y Vt x xIV V VI VIIV V yV g g SfSt x x 0Cinématique (VII), Diffusive (VI,VII), Dynamique (V, VI, VII),Gravitaire (IV, V, VI)

Ex. de résultats - Daluz Vieira (1983); Moussa et Bocquillon (1996)100000000100001000000010000001000001000100GravityWaveSteadyDynamicWavek10000F 021010001001010 1 2 3 4 5Incidence des travauxSystème completOnde cinématiqueX Onde diffusive- Onde dynamiqueF o10,1FullSaint-VenantSystemDiffusiveWave0,010,01 1 100 10000 1000000T +KinematicWave• Possibilité d’implanter un système de vérification de l’approximation à utiliser dansHYDROTEL, par compilation des différents paramètres nécessaires• Recensement nécessaire de toutes les crues de la simulation, avec leur période• Possibilité d’appliquer la méthode à toutes les rivières qui sont suivies par desorganismes gouvernementaux de surveillance des débits/hauteurs d’eau

Incertitudes sur les débits (méthode des moments d’ordre 1)Débit(m³/s)deltaQ(%)806040200-20débit de rèference et intervalle de confiance 95% des variations relatives pour une incertitude de 6.25% sur les paramètres: 19806,25%Q-1980-refdeltaQ-2.5%deltaQ-97.5%-40Dec/79 Jan/80 Mar/80 Apr/80 Jun/80 Aug/80 Sep/80 Nov/80 Jan/81jour julienDébits de référence etintervalle de confiance 95%pour les variations relativespour des incertitudes 6.25%,12.5%, 25% de l’année 1980 (+sèche, 385 mm)806040débit de rèference et intervalle de confiance 95% des variations relatives pour une incertitude de 12.5% sur les paramètres: 1980Q-1980-refdeltaQ-2.5%deltaQ-97.5%8040débit de rèference et intervalle de confiance 95% des variations relatives pour une incertitude de 25% sur les paramètres: 19806012,5% 25%Q-1980-refdeltaQ-2.5%deltaQ-97.5%Débit(m³/s)20Débit(m³/s)2000-20-20-40Dec/79 Jan/80 Mar/80 Apr/80 Jun/80 Aug/80 Sep/80 Nov/80-40Jan/81 Dec/79 Jan/80 Mar/80 Apr/80 Jun/80 Aug/80 Sep/80 Nov/80 Jan/81jour julienjour julien