Conception des ouvrages hydro-agricoles dans un ... - Ouranos

Conception des ouvrages hydro-agricoles dans un
contexte de changements climatiques
Un chantier interdisciplinaire:
AUBERT MICHAUD, ARIANE DROUIN, IRDA
ALAIN MAILHOT, GUILLAUME TALBOT, INRS-ETE
DAVID HUARD, SÉBASTIEN BINER, ANNE BLONDLOT, OURANOS
ROBERT LAGACÉ, NESTOR-RAUL ROCHA, UNIVERSITÉ LAVAL
Cours d’eau
Cheminement de surface
Ecoulement au cours d’eau
Ecoulement au fossé

Conception des ouvrages hydro-agricoles dans un contexte de changements
climatiques
Plan de la présentation
• Contexte
• Réalisations, Volet météo et climat:
- Précipitations en climat actuel et futur
- Fonte et pluie hivernale
• Réalisations, Volet Hydrologie:
- Analyse hydrologique des crues
- Modélisation et prédictions
• Conclusions et perspectives

Contexte: Gérer le bilan hydrique excédentaire
DES BESOINS OPÉRATIONNELS À COMBLER
• Nombreux chantiers en aménagement hydro-agricole
dans le cadre d’initiatives ciblées sur la qualité de l’eau;
• Incitatifs financiers importants (90% des coûts);
• Critères de conception à renouveler;
• Nécessaire prise en compte:
• des changements climatiques
• de la fonte et des pluies hivernales
Cours d’eau
Cheminement de surface
Ecoulement au cours d’eau
Ecoulement au fossé

Conception des ouvrages hydro-agricoles dans un contexte de
changements climatiques
Plan de travail
Volet Météo (climat récent)
• Courbes HDF des précipitations
• Indices de fonte et pluie hivernale
Volet Scénarios climatiques
• HDF en climat futur
• Indices de fonte et pluie hivernale
en climat futur
Volet Opérationnel
• ID besoins
• Outil informatique
• Etude de cas
• Diffusion
Volet Hydrologique
• Analyse des crues
• Développement/validation
de méthodes de prédiction
Classification
hydropédologique
des
séries de sol
B.D. Bassins versants
• SIG: Régie du parcellaire, sols et paysages
• Observations hydrométriques
• Observations météorologiques

Volet Météo et climat
Courbes Hauteur-Durée-Fréquence des précipitations
Réalisation: Mailhot et Talbot, INRS-ETE, 2011
Collaboration: MDDEP et Environnement Canada

Volet Météo et climat
Courbes Hauteur-Durée-Fréquence des précipitations
Observations
• Données colligées auprès d’Environnement Canada (19 stations) et du
MDDEP (94 stations);
• Observations horaires et journalières de Mai à Octobre,15 années au
minimum
• Création des séries de maximum annuels avec standards de qualité
Ajout

Volet Météo et climat
Courbes Hauteur-Durée-Fréquence des précipitations
Méthode
• Estimation par analyse fréquentielle régionale:
Mise en commun de l’information des stations,
Plus gros échantillon = Meilleure estimation
• Analyse statistique des extrêmes annuels via la
distribution des valeurs extrêmes (GEV) au lieu de Gumbel

Volet Météo et climat
Courbes Hauteur-Durée-Fréquence des précipitations
Courbes IDF
Résultats
Agrometeo.org

Volet Météo et climat
Courbes Hauteur-Durée-Fréquence des précipitations
En climat futur
Réalisation: David Huard, OURANOS, 2011
Collaboration: Diane Chaumont, OURANOS
• Quatre régions agricoles du Québec à l’étude;observations de la grille
SNITE (10 X 10 km) agrégées à celle du MRCC (45 X 45 km);
• Cinq simulations du Modèle Régional Canadien du Climat, pilotées
par quatre modèles de climat globaux différents.
Cartes des régions à l’étude telle
que vues par le MRCC sur la grille
de 45 km de résolution

Volet Météo et climat
Courbes Hauteur-Durée-Fréquence des précipitations
En climat futur
Méthode
• Valeurs extrêmes annuels de durées de 1, 2, 6, 12, et 24 heures.
• Simulations du climat de référence: 1961–2000 et futur: 2041–2070
• Analyse via la distribution des valeurs extrêmes (GEV).
Comparaison des précipitations
maximales annuelles (mai à
octobre) simulées par le MRCC
avec celles estimées des
observations (SNITE) agrégées sur
la grille du MRCC couvrant la
vallée du St-Laurent pour
différents temps de retour.

Volet Météo et climat
Courbes Intensité-Durée-Fréquence des précipitations en
climat futur
Résultats
Courbes IDF (Log-log) pour les temps de
retour 2, 5, 10 et 25 ans à partir des
paramètres régionaux moyens de la vallée
du St-Laurent.
Moyenne et écart- type de
la distribution d’ensemble
du pourcentage
d’augmentation des
précipitations extrêmes

Volet Météo et climat
Courbes Hauteur-Durée-Fréquence des précipitations en climat futur
Résultats
• Distributions comparables des extrêmes annuels de précipitations
modélisés en climat de référence (1961-2000) par le MRCC et les
observations pour les événements d’une durée de 24 heures.
• Pour les durées de 1, 2, 6 et 12 heures, il n’existe pas d’observations sur
grille 45 X 45 km pour comparer les distributions modélisés et observés
(les événements de courtes durées sont localisés).
• Augmentation des extrêmes annuels en climat futur.
Pour 24 heures: augmentation de 7% (+-5%) dans la vallée du St-Laurent.

Volet Météo et climat
Indices de fonte et pluie hivernale
Réalisation: Drouin, Michaud, IRDA
Talbot, Mailhot, INRS-ETE,
Biner, OURANOS
Collaboration: Lagacé, Université Laval
MDDEP
St-Louis-du-Ha-Ha, Témiscouata
St-Isidore, Beauce
Champlain, Mauricie
Pike River, Montérégie

Volet Météo et climat
Indices de fonte et pluie hivernale
Méthode
• Modélisation du couvert de neige et des apports verticaux sur la seule
base de données journalières de précipitations et de température.
• Validation du pouvoir explicatif des apports verticaux à décrire les
crues observées en période de fonte et de pluie hivernale.
• Estimation des distributions HDF des apports verticaux régionaux en
climat récent sur la base des données météo journalières (novembre
à avril).
• Evaluation de la performance du MRCC à prédire les apports verticaux
en climat futur.

Volet Météo et climat
Indides de fonte et pluie hivernale
Méthode
Stations hydrométriques (IRDA,CEHQ), nivométriques et météorologiques (MDDEP)

Volet Météo et climat
Indides de fonte et pluie hivernale
Résultats – Couvert de neige
Comparaison des équivalents en eau de la neige (EEN) interpolés
(mesures) et simulés par le modèle de fonte de neige
CEQUEAU-modIRDA pour la Beauce et la Montérégie
Équivalents en eau des épaisseurs de neige (en mm)
600
500
400
300
200
100
0
Castor et Ewing
Montérégie
Fourchette
Beauce
Walbridge
Équivalents en eau simulés (mm)
Équivalents en eau mesurés (mm)
Montérégie
2001-11-3
2002-2-1
2002-11-2
2003-1-31
2003-11-1
2004-1-30
2004-4-29
2005-1-28
2005-4-28
2006-1-27
2006-4-27
2007-1-26
2007-4-26
2008-1-25
2008-4-24
2001-12-14
2002-3-14
2002-12-13
2003-3-13
2003-12-12
2004-3-11
2004-12-10
2005-3-10
2005-12-9
2006-3-9
2006-12-8
2007-3-8
2007-12-7
2008-3-6
2008-12-5
2002-4-22
2003-1-21
2003-4-21
2004-1-20
2004-4-19
2005-1-18
2005-4-18
2006-1-17
2006-4-17
2007-1-16
2007-4-16
2008-1-15
2008-4-14
2009-1-13
2009-4-13
2001-11-17
2002-2-15
2002-11-16
2003-2-14
2003-11-15
2004-2-13
2004-11-13
2005-2-11
2005-11-12
2006-2-10
2006-11-11
2007-2-9
2007-11-10
2008-2-8
2008-11-8
2009-2-6
2009-11-7
2001-12-11
2002-3-11
2002-12-10
2003-3-10
2003-12-9
2004-3-8
2004-12-7
2005-3-7
2005-12-6
2006-3-6
2001-12-10
2002-3-10
2002-12-9
2003-3-9
2003-12-8
2004-3-7
2004-12-6
2005-3-6
2005-12-5
2006-3-5
Dates (pour les six bassins : Castor, Ewing, FI, FT, WI, WT)
EEN simulés
EEN mesurés

Bassin 40
r r² NS D v r r² NS D v
Débits simulés par Mohyse
35
Débits mesurés à la station Castor
Castor 30
0.73 0.53 0.53 0.02 0.70 0.48 0.43 0.26
25
Ewing 20
0.67 0.46 0.45 -0.03 0.70 0.48 0.43 0.24
15
WI 10
0.74 0.55 0.55 -0.05 0.63 0.40 0.32 -0.22
5
WT 0
0.61 0.38 0.37 -0.03 0.68 0.46 0.41 -0.11
11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
FI
2002 Mois
2008
0.72 0.52 0.52 -0.05 0.60 0.37 0.07 -0.22
Débits (mm/jr)
Volet Météo et climat
Indices de fonte et pluie hivernale
Résultats – Simulation des débits
Évolution des débits mesurés et des débits simulés (MOHYSE; Fortier-
Filion, 2011) à partir des apports verticaux du modèle de fonte de neige
Calage (2001 à 2004 ±) Validation (2004 à 2009 ±)
CASTORS (Montérégie)
FT FOURCHETTE 0.75 (Beauce)
0.56 0.56 Débits -0.04simulés 0.73 par MOHYSE
0.53 0.34 -0.15
60
50
Débits mesurés à la station
Débits simulés par Mohyse
Débits mesurés à la station FT
Débits (mm/jr)
40
30
20
10
0
11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 2003 2004 2005 Mois 2006 2007 2008 2009

Volet Météo et climat
Indices de fonte et pluie hivernale en climat récent
Méthode
• Création des séries annuelles (novembre-avril, 50 années +)
de température et précipitations pour les 100 stations à l’étude,
• Modélisation des apports verticaux et de la hauteur de neige sur une
base quotidienne à l’aide du modèle CEQUEAU-modIRDA
(paramètres de calage de la phase de validation);
• Estimation des maxima annuels pour des durées de 1, 2, 3, 4 et 5
jours selon la méthode de fenêtre mobile;
• Calcul des estimateurs HDF.

Volet Météo et climat
Indices de fonte et pluie hivernale en climat récent
Courbes HDF des apports verticaux pour la station de Pointe-au-Père
Durée
Temps de retour
2 ans 5 ans 10 ans 20 ans 50 ans
1 jour 42,0 52,8 59,2 65,0 71,7
2 jours 69,3 86,9 97,9 108,0 120,5
3 jours 93,3 117,1 131,8 145,0 161,0
4 jours 113,1 142,6 160,7 177,0 196,8
5 jours 131,8 167,2 189,1 209,2 233,9

Volet Météo et climat
Indices de fonte et pluie hivernale en climat récent
Cartographie des valeurs des estimateurs HDF des apports verticaux
pour la durée de 5 jours et le temps de retour de 2 ans pour l’ensemble
des stations à l’étude.

Volet Météo et climat
Indices de fonte et pluie hivernale en climat futur
Méthode
Même données de température (min, max), précipitations (pluie, neige,
totale) et de neige au sol simulées par le MRCC en climat récent (1971-
2000) et futur (2041-2070) que pour le volet d’étude sur les extrêmes de
précipitations.
Post-traitement des simulations supporté par les même données des
stations du MDDEP mises en forme par l’équipe de l’INRS-ETE et selon
deux méthodes (Correction de biais et méthode des deltas).
Regroupement des stations selon les mêmes régions du Québec:
Abitibi, Saguenay, Sud-Ouest et Gaspésie, 25 à 39 stations par région.

Volet Météo et climat
Indices de fonte et pluie hivernale en climat futur
Variation relative moyenne (%) entre le futur et le présent
des apports verticaux extrêmes pour la région du Sud-Ouest
du Québec
Durée
Temps de retour
2 ans 5 ans 10 ans 20 ans 50 ans
1 jour 3,1 3,1 3,5 4,2 5,9
2 jours 0,9 2,9 4,8 7,0 10,3
3 jours -2,4 -1,5 -0,5 0,7 2,7
4 jours -6,4 -6,6 -6,4 -5,9 -4,9
5 jours -8,7 -9,5 -9,8 -10,0 -9,8
• Augmentation pour les événements courts (1 jour), dépendants
des fortes pluies printanières/automnales;
• Diminution pour les événements longs (5 jours), dépendants
de l’accumulation de neige.
Biner, 2012

Volet Hydrologique
Réalisation: Lagacé, Rocha, Université Laval
Drouin, Michaud, Gagné, IRDA
Collaboration: Gallichand, Université Laval
Coopérative de solidarité du bassin versant de la rivière Au Brochet et MAPAQ, 2009; Photos: Richard Lauzier.

Conception des ouvrages hydro-agricoles dans un contexte de
changements climatiques
Démarche du volet hydrologique
Caractérisation des bassins
Paramètres observés
Observations
• Hydrométriques
• Météorologiques
Propriétés
• Sols, relief, hydro-
• Pratiques culturales
Banque de données
hydropédologiques
Courbes IDF
Analyse
hydrologique
Modélisation
Validation
• Volume de ruissellement
• Temps de concentration
• Forme de l’hydrogramme
• Débit de pointe
Modèles de prédiction
Débits de pointe
Prédits VS Observés
Utilitaire informatique

Volet Hydrologique
Méthode: Analyse des crues
Développement de l’outil d’analyse hydrologique
• Séparation des hydrogrammes
• Temps de montée (t p )
• Débit de pointe (q p )
• Volume de ruisellement (R)
• Paramètres de forme
Lagacé (2012)

Modélisation – Volumes de ruissellement
• 709 hydrogrammes analysés, 11 bassins agricoles, 2-30 km2;
• Régions: Montérégie, Estrie, Beauce et Témiscouata
• Analyse ANCOVA des hauteurs de ruissellement, précipitation en
covariable;
• Transformation log des observations de précipitations et de
débits;
• Hydrogrammes en absence de fonte et pluie hivernale (N=463).
40
0
35
10
MES (kg jour -1 ha -1 )
et débit (mm jour -1 )
30
25
20
15
10
Ruisseau Brook,
Estrie
20
30
40
50
60
Précipitations (mm)
5
0
2009-11-01
2009-12-01
2010-01-01
2010-02-01
2010-02-01
2010-03-01
2010-03-01
2010-04-01
2010-04-01
2010-05-01
2010-05-01
2010-06-01
2010-06-01
2010-07-01
2010-07-01
2010-08-01
2010-08-01
2010-09-01
2010-09-01
2010-10-01
2010-10-01
2010-11-01
2010-11-01
2010-12-01
2010-12-01
2011-01-01
2011-01-01
2011-02-01
2011-02-01
2011-03-01
2011-03-01
2011-04-01
2011-04-01
2011-05-01
2011-05-01
2011-06-01
2011-06-01
2011-07-01
2011-07-01
2011-08-01
2011-09-01
2011-10-01
70
80

Modélisation – Volumes de ruissellement
Modèles régionaux
Montérégie (CN > 75)
Intégration du facteur CN
dans le modèle
Hauteur de ruissellement
prédite (mm)
60
50
40
30
20
10
Ewing
Walbridge Intervention
Esturgeon Témoin
Castors
Walbridge Témoin
0
Hru = (10) 0,082*CN * (PPT) 1,223 * (10) -7,587
0 20 40 60 80 100 120
Hauteur de précipitation (mm)
Appalaches (CN < 75)
Modèle général pour
l’ensemble des bassins
Incapacité du facteur CN
à expliquer le ruissellement
Hru = (10) -1,19 * (PPT) 1,21
Hauteur de ruissellement
prédite (antilog) mm
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Appalaches régional
Bélair
Fourchette Intervention
Fourchette Témoin
Madawaska Intervention
Tomifobia Intervention
Tomifobia Témoin
0 20 40 60 80 100 120
Hauteur de précipitation (mm)

Modélisation – Temps de concentration
• 193 hydrogrammes simples analysés, 10 bassins agricoles
• Comparaison des temps de montée observées (Tp) avec les
temps de concentration (Tc) modélisés (méthodes courantes)
• Ajustement insatisfaisant des méthodes courantes
• Développent d’un modèle de régression linéaire
Tc (modélisé) /Tp (Observé)
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Castor
Esturgeon
Br.21
Tp = Cte L b CN c S d
Tp : temps de montée (h)
L : longueur d'écoulement
(m)
S : pente de l'écoulement
(m/m)
CN : numéro de courbe
Ewing
Fourchette
Amont
Fourchette
Aval
Petite
Savane
Cass Brook Walbridge
Amont
Walbridge
Aval
lag2 Mo2 lag3 Bra Kirp Mo3 Laval-IRDA

Modélisation – Paramètres de forme φ(α)
• 195 hydrogrammes simples analysés, 10 bassins agricoles
• Valeur unique de φ(α) de 0,73 retenue
Estimation de φ(α)
Bassin N µ σ C v Nash
Castor 29 0,69 0,14 0,20 0,93
Esturgeon Temoin 15 0,58 0,18 0,31 0,95
Ewing 30 0,75 0,25 0,33 0,93
Fourchette Intervention 37 0,80 0,19 0,24 0,90
Fourchette Temoin 14 0,83 0,14 0,17 0,88
Madawaska Temoin 5 0,72 0,25 0,35 0,91
Tomifobia Intervention 7 0,90 0,28 0,31 0,90
Tomifobia Temoin 8 0,53 0,16 0,31 0,88
Walbridge Intervention 29 0,74 0,22 0,30 0,88
Walbridge Temoin 21 0,76 0,21 0,28 0,92
Valeur Minimum 5 0,53 0,14 0,17 0,88
Valeur Maximale 37 0,90 0,28 0,35 0,95
Valeur µ Consolidé 19,5 0,73 0,28 0,91
N = Nombre d'événements
µ = Moyenne
σ = Écart Type
C v = Coefficient de variation
Nash = Coefficient d'efficacité de Nash-Sutcliffe

Validation des débits de pointe
Méthode: Combinaison des facteurs
Hru, tp, φ(α) déterminés par les
méthodes indépendantes:
Qmax = Hru A φ(α) / 360 tp
où :
Qmax : débit de crue (m3/s)
Hru : hauteur de ruissellement (mm)
A : superficie du bassin versant (ha)
tp : temps de montée du bassin versant (h)
φ(α) : coefficient de forme de l'hydrogramme
360 : facteur d'unité
Hypothèse: pour un bassin versant donné, le recours à la
précipitation de récurrence (courbe IDF) associée au temps de
montée prédit du bassin versant et à la hauteur de ruissellement
prédite pour cette même précipitation, devrait prédire le débit
observé pour cette récurrence.

Validation des débits de pointe
Débits de crue prédits utilisant les courbes enveloppes des
modèles locaux de prédiction du ruissellement.
Précipitation
Tp
prédit
(h)
(IDF)
Durée=Tp
(mm)
Ruissellement
prédit (mm)
Qmax prédit
(m3/s)
Qprédit
/Qobs
Bassin versant 2 ans 5 ans 2 ans 5 ans 2 ans 5 ans 2 ans 5 ans
Fourchette aval 3,2 29 37 9,6 15,5 1,19 1,90 0,53 0,54
Fourchette amont 7,0 37 49 16,6 28,0 1,20 2,04 0,99 1,02
Castors 8,6 44 58 11,3 19,1 3,27 5,52 0,63 0,79
Ewing 11,1 48 63 31,7 53,3 16,14 27,16 1,31 1,51
Walbridge amont 7,5 42 54 13,0 21,2 2,22 3,61 1,00 1,29
Walbridge aval 9,1 45 59 22,2 37,2 3,94 6,61 1,61 1,65
Moyenne 1,01 1,13
Ecart type 0,41 0,43
Cv 0,40 0,38

Conception des ouvrages hydro-agricoles dans un contexte de
changements climatiques
Conclusions et Perspectives
Distribution des IDF de précipitations en climat récent et futur
• Courbes (IDF) mises en ligne (atlas agrometeo.org) pour 98 stations
• En climat futur (2041–2070): augmentation appréhendée des extrêmes
annuels (24 heures);
• L’analyse des durées inférieures à 24 heures est limitée par la
disponibilité des données de validation.
•Développer une méthodologie de
calcul de coefficients de
ruissellement hivernaux;
• Perspectives: Développer une grille de précipitations horaires à haute
résolution spatiale (réseau de stations de la vallée du St-Laurent)

Conception des ouvrages hydro-agricoles dans un contexte de
changements climatiques
Conclusions et Perspectives
Indices de fonte et pluie hivernale en climat récent et futur
• Prédiction satisfaisante de l’évolution des couverts de neige, des
apports verticaux et des crues par le modèle CEQEAU-modIRDA;
• Estimation des distribution HDF des apports verticaux pour 100
stations en climat récent;
• Performance satisfaisante du •Développer MRCC à simuler une méthodologie les indices de de fonte et
pluie hivernale en climat futur, calcul sensibilité de coefficients des prédictions de à la durée de
l’évènement;
ruissellement hivernaux;
• Perspectives: Validation du pouvoir explicatif des indices sur les crues
pour un plus grand nombre de bassins et régions.

Conception des ouvrages hydro-agricoles dans un contexte de
changements climatiques
Conclusions et Perspectives
Analyses et prédictions hydrologiques
• Banque de données hydro-pédologiques complétée pour l’ensemble
des séries de sol minéral du Québec (N=711);
• Outil d’analyse hydrologique des crues VisuHydro fonctionnel;
• Faible performance des méthodes courantes de prédiction
Tc, Hru, Qmax: Développement et validation de méthodes alternatives;
• Faible performance de l’approche du numéro de courbe (CN) dans la
prédiction de la hauteur de ruissellement.
Perspectives:
•Développer une méthodologie de
calcul de coefficients de
ruissellement hivernaux;
• Développer une méthode alternative de prédiction du ruissellement;
• Valider les méthodes sur plusieurs autres bassins et régions;
• Développer et valider une méthode de prédiction du ruissellement
de fonte et pluie hivernale sur la base des apports verticaux;

Merci aux partenaires financiers
• Impacts et adaptation / ICAR-Québec, Volet agriculture
• PACC-26, volet Agriculture
Collaborations et comité de suivi:
MAPAQ, Environnement Canada, CEHQ-MDDEP, OURANOS