Climhydro-2: Stratégies d'adaptation des compagnies d'hydroélectricité canadiennes face aux changements climatiques

Les changements climatiques vont modifier les débits des cours d’eau canadiens. Il faudra donc adapter les pratiques de gestion de la ressource en eau pour tenir compte de cette nouvelle réalité climatique et hydrologique. Pour les gestionnaires de systèmes hydriques, cela signifiera adapter les règles d’opération des barrages de manière à optimiser les différents usages de l’eau, souvent conflictuels, comme la production hydroélectrique et la protection contre les inondations. Cette adaptation doit passer par le développement d’approches mathématiques et d’outils informatiques, applicables à des systèmes hydriques à plusieurs réservoirs, capable de prendre en compte la variabilité et le changement hydrologique engendrés par les changements climatiques. Le principal défi du projet de recherche porte précisément sur la création de ces outils novateurs de gestion.

Développer des approches et des outils pour faciliter la planification de la production hydroélectrique et pour adapter les méthodes opérationnelles de gestion des systèmes à la variabilité et aux changements climatiques.

• Développement et comparaison de plusieurs méthodes d’optimisation adaptées à des processus stochastiques non stationnaires et applicable à des systèmes hydriques à plusieurs réservoirs.

• Développement d’approches de prévisions/projections d’apports couvrant la variabilité naturelle et la non stationnarité climatique applicables en climats actuel et futur.

• Validation des approches développées sur des problématiques réelles de gestion (banc d’essai).

En premier lieu, le projet de recherche a permis de développer des outils performants pour optimiser la gestion des parcs d’équipements des deux entreprises de production hydroélectrique partenaires du projet (Rio Tinto et Hydro Québec). Un premier outil, basé sur l’approche de la programmation dynamique stochastique (PDS), permet dorénavant de solutionner un problème de gestion de réservoirs d’un système constitué de trois réservoirs et plus, ce que la PDS classique ne permet pas, du moins avec les capacités informatiques courantes. Une autre approche, basée non pas sur l’optimisation de règles de gestion, mais plutôt sur une famille présélectionnée de règles dont on optimise les paramètres, a généré des résultats prometteurs, tout en évitant les exigences de calcul imposées par la PDS.

En second lieu, les travaux réalisés ont permis d’explorer des méthodes prometteuses de prévision hydrologique saisonnière. Tout d’abord, il a été démontré que les prévisions météorologiques d’ensemble, produites par les agences de prévision, améliorent les conditions hydrologique saisonnière (1 à 5 mois) sous certaines conditions, par rapport à l’utilisation de la climatologie. Une meilleure compréhension des résultats est cependant requise, notamment en lien avec les caractéristiques hydrométéorologiques des bassins versants concernés. Aussi, une méthode originale de prévision hydrologique saisonnière, basée sur le recours à des algorithmes de forage de données en y incluant une combinaison d’indicateurs de climat, a été développée et montre des résultats encourageants pour la prévision des apports dans un contexte de non stationnarité climatique dans les bassins nordiques. Par exemple, l’approche, testée sur le bassin versant de la rivière Romaine, a permis de calculer les débits saisonniers jusqu’à deux saisons à l’avance (Figure 1). La méthode doit être approfondie, notamment par une généralisation des résultats avant son implémentation opérationnelle.

Figure 1 : Apports saisonniers simulés (rouge) et observés (bleu) sur la rivière Romaine.

Des recherches novatrices sur la régionalisation des modèles hydrologiques ont été réalisées et ont permis de constater qu’une réduction de la complexité des modèles hydrologiques par simplification de leur structure et donc du nombre de paramètres requis pour calibrer les modèles hydrologiques n’a pas résulté en une perte globale de performance, diminuant significativement le problème d’équifinalité. Par contre, il n’a pas été possible de conclure qu’un modèle parcimonieux était plus facilement régionalisable qu’un modèle plus complexe. Malgré les avancées faites dans le cadre de cette recherche, le problème de régionalisation des modèles hydrologiques, indispensable à la modélisation et à la prévision hydrologique sur des bassins non ou faiblement jaugés, demeure non résolu.

Enfin, des applications d’algorithmes développées dans cette recherche à des systèmes hydriques réels offrent des perspectives encourageantes quant à un transfert technologique en vue de leur utilisation opérationnelle. Par exemple, un étude a porté sur la gestion du système hydrique de la rivière Nechako avec l’aide d’un banc d’essai informatique qui effectue une mise à jour des règles de gestion à chaque pas de temps de calcul. L’objectif spécifique était d’étudier l’utilisation des prévisions d’ensemble pour améliorer les règles de gestion de la Rivière Nechako établies à l’aide de l’outil d’optimisation par programmation dynamique stochastique de Rio Tinto. Les résultats ont montré que la modélisation hydrologique est une option intéressante pour l'optimisation de la gestion en temps réel de systèmes hydriques dans les régions nordiques, car elle représente différents processus hydrologiques.

• École de technologie supérieure (ETS)

• Hydro-Québec

• Université du Québec à Chicoutimi (UQAC)

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