Stratégies optimales de calibration de modèles hydrologiques en contexte de changements climatiques

Résumé

Depuis le début de l’anthropocène, jamais des changements aussi drastiques n’ont été observés quant à la concentration de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère. Ce phénomène est l’instigateur de perturbations actuelles et futures des processus du cycle hydrologique, aux échelles globale et régionale. À ce jour, les modèles hydrologiques utilisés pour simuler les débits requièrent une calibration basée sur les données hydrométéorologiques du passé. Dans un avenir où le climat serait considérablement altéré, ces modèles risquent donc d’être inefficaces pour étudier les impacts des changements climatiques si les processus de calibration actuels demeurent en place. Ce mémoire vise à étudier diverses stratégies de calibration potentiellement exploitables lors d’études d’impacts des changements climatiques. L’analyse de ces stratégies fut réalisée à partir du modèle pluie-débit GR4J-Cemaneige, sur un échantillon de 921 bassins versants d’Amérique du Nord. Un total de cinq stratégies furent testées sur la base de 46 années non consécutives de données hydrométéorologiques. Dans le but de cibler des périodes aux anomalies distinctes, les périodes de validation étaient composées des cinq années sélectionnées selon cinq critères différents : températures moyennes les plus élevées, précipitations annuelles les plus élevées/faibles et débits moyens les plus élevés/faibles. Les 41 années restantes furent utilisées pour la calibration, sous forme d’échantillons allant de 5 à 40 ans (par multiples de 5). Par l’entremise de cette méthodologie, les recherches ont également permis de tester les performances du modèle lorsque calibré sur des périodes de diverses longueurs. Le présent mémoire comporte également une étude de la stabilité des paramètres face aux différents climats expérimentés en calibration, qui permet d’approfondir les connaissances sur la transposabilité temporelle des modèles. Bien que de nombreux écarts de performances apparaissent entre les différents bassins étudiés pour chaque stratégie, certaines conclusions générales peuvent être tirées. Les résultats démontrent que d’écarter quelques-unes des années les plus froides de la période de calibration est une pratique fiable lorsque la période de validation est constituée des années les plus chaudes. Dans le cas des quatre autres stratégies de calibration, où les conditions de validation sont fortement influencées par les précipitations, retirer un bon nombre d’années aux anomalies moindres est la solution la plus efficace. D’un autre côté, une approche de calibration basée sur toutes les années disponibles (40 ans dans ce cas-ci) procure de bonnes performances dans la plupart des cas, alors que l’utilisation d’un très petit nombre d’années (5 à 10 ans) n’est pas une approche souhaitable. Sur le plan de la stabilité paramétrique, les résultats démontrent que les évolutions que subissent les paramètres X1, X2 et X3 à mesure que des années de calibration sont ajoutées, sont généralement de directions opposées pour des climats de calibration contrastant. Par exemple, le paramètre X2 présente majoritairement une diminution pour la stratégie des années sèches, alors qu’il subit une augmentation dans le cas des années humides. Peu importe la stratégie de calibration utilisée, une performance élevée du modèle sur un bassin versant est garante d’une stabilité accrue des quatre paramètres de GR4J. Les deux paramètres de CemaNeige semblent plus stables pour les bassins où la précipitation neigeuse annuelle moyenne excède 200 mm et que les années de calibration incluent davantage d’années plus froides. Cette stabilité est toutefois plus évidente pour le coefficient de pondération de l'état thermique du manteau (X5) que pour le facteur degré-jour (X6).

Date	3 déc. 2020
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Brissette (Directeur(-trice))