Production de nouvelles simulations hydroclimatiques pour le Québec méridional en utilisant Raven : étude de l’incertitude liée à la modélisation hydrologique en contexte de changements climatiques

Suite aux inondations printanières en 2017, le ministère de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques (MELCC) a mis en oeuvre le projet INFO-Crue visant notamment à délimiter les zones inondables par une nouvelle cartographie tenant compte du changement climatique. La plateforme opérationnelle de modélisation hydrologique utilisée par le MELCC pour cette cartographie se base sur un seul modèle hydrologique (HYDROTEL), ayant une structure assez rigide limitant ainsi sa capacité à bien décrire l'incertitude.  

Ce projet explore une plateforme de modélisation hydrologique flexible (Raven) pour créer plusieurs variantes d'un modèle semi-distribué (HBV-EC ; Fig. 1), présentant une complexité similaire au modèle couramment utilisé pour l’élaboration de l’Atlas hydroclimatique du Québec méridional (HYDROTEL). Ces différents modèles peuvent ensuite être utilisés pour générer des ensembles de simulations hydrologiques pour caractériser l'incertitude liée à la modélisation hydrologique. 

 Fig. 1. 48 variantes du modèle HBV-EC, combinant diverses formulations de l'évapotranspiration potentielle, du bilan et de la fonte de neige.

L’objectif de de cette étude était d’implémenter le modèle HBV-EC émulé par Raven sur la région sud-ouest du Saint-Laurent (SLSO) et de proposer une méthodologie multimodèle permettant une description juste de l’incertitude associée à la modélisation hydrologique. 

• Calage et validation du modèle HBV-EC sur la région SLSO; 

• Déploiement de plusieurs modules offerts par Raven pour représenter un même processus hydrologique de différente façon et quantification de l’incertitude structurelle; 

• Application d'une approche de sous-échantillonnage pour créer un sous-ensemble moins exigant en temps de calcul et pour, possiblement, améliorer la performance générale;  

• Perturbation des données d'entrée par l’introduction de différents niveaux de bruit aux séries temporelles de précipitation et de température afin de quantifier l'incertitude liée aux forçage météorologique; 

• Exploration de l’incertitude liée au processus de calage adopté. 

Quarante-huit variantes du modèle HBV-EC ont été exploitées pour produire des simulations hydrologiques en climats historiques et futurs. Les simulations sont effectuées dans le cadre de modélisation Raven. Les travaux ciblent prioritairement la période 2000-2020 puisque des observations du débit sont requises pour vérifier la qualité de la description de l’incertitude.  

La comparaison entre les débits simulés et observés montre que l’ensemble de 48 modèles représente bien les hydrogrammes observés aux diverses stations hydrométriques. L'application de l'approche de sous-échantillonnage a abouti à la sélection d'un ensemble de 12 modèles dont la performance est comparable et parfois supérieure à celle des 48 modèles. La figure 2 présente une synthèse des travaux pour le bassin versant de la rivière Au Saumon. Le panneau de gauche illustre la dispersion décrite par l’ensemble des 48 modèles hydrologiques pilotés par un forçage climatique déterministe, sans prise en compte de l’incertitude.

Le panneau de droite illustre la dispersion décrite par 12 modèles hydrologiques sélectionnés, pilotés par un forçage climatique probabiliste qui tient en compte l’incertitude. Une inspection visuelle des deux panneaux confirme qu’une procédure reposant sur 12 modèles hydrologiques et des intrants bruités permet une description juste de l’incertitude – des métriques de vérification adaptées ont été utilisées pour confirmer ce constat. Les analyses ont aussi démontré que cet ensemble de 12 modèles mène à une meilleure simulation que l’emploi du modèle HBV-EC seul (Fig. 3).  

Fig. 2. Comparaison entre le débit moyen annuel observé à la station Au Saumon (ligne noire) pour la période 2000-2020 et les ensembles de débits simulés par (a) 48 modèles et (b) 12 modèles sélectionnés avec forçage atmosphérique. Le débit médian est décrit par la ligne rouge, la plage du 5e au 95e percentile de l'ensemble est représentée par le bleu pâle, et la plage du 25e au 75e percentile est illustrée en bleu foncé. 

Fig. 3. Comparaison entre un modèle seul et l’ensemble des 12 modèles sélectionnés, pour le bassin versant de la rivière Famine : a) performance (erreur quadratique moyenne, RMSE) et dispersion (spread) et b) diagramme de fiabilité. 

Il est à noter que la dispersion moyenne d’un ensemble fiable (bien calibré) doit être de valeur égale à l’erreur quadratique moyenne du modèle (Fortin et al. 2014). Pour sa part, un diagramme de fiabilité (Fig. 3b) est construit de manière incrémentale pour différentes portions centrales des membres formant l’ensemble à chaque pas de temps, en calculant la portion de la série des observations s’y trouvant. Par exemple, un ensemble est fiable lorsque 10% des observations se situent dans le 10% central de l’ensemble, et ainsi de suite jusqu’au 90% central. Selon cette métrique, la fiabilité est juste lorsque le résultat suit la diagonale (en gris) et un ensemble est sous dispersé si le résultat se situe sous cette diagonale (Wilks et al. 2011, Valdez et al. 2022).

• Direction de l’expertise hydrique (MELCCFP)

705900