La gestion optimale d’un système hydroélectrique composé de plusieurs réservoirs est un problème multi-étapes complexe de prise de décision impliquant, entre autres, (i) un compromis entre les conséquences immédiates et futures d’une décision, (ii) des risques et des incertitudes importantes, et (iii) de multiple objectifs et contraintes opérationnelles. Elle est souvent formulée comme un problème d’optimisation, mais il n’existe pas, à ce jour, de technique de référence même si la programmation dynamique (DP) a été souvent utilisée. La formulation stochastique de DP (SDP) permet la prise en compte explicite de l’incertitude entourant les apports hydrologiques futurs. Différentes approches ont été développées pour incorporer des informations hydrologiques et climatiques autres que les apports. Ces études ont révélé un potentiel d’amélioration des politiques de gestion proposées par les formulations SDP. Cependant, ces formulations sont applicables aux systèmes de petites tailles en raison de la célèbre « malédiction de la dimensionnalité ». La programmation dynamique stochastique duale (SDDP) est une extension de SDP développée dans les années 90. Elle est l’une des rares solutions algorithmiques utilisées pour déterminer les politiques de gestion des systèmes hydroélectriques de grande taille. Dans SDDP, l’incertitude hydrologique est capturée à l’aide d’un modèle autorégressif avec corrélation spatiale des résidus. Ce modèle analytique permet d’obtenir certains des paramètres nécessaires à l’implémentation de la technique d’optimisation. En pratique, les apports hydrologiques peuvent être influencés par d’autres variables observables, telles que l’équivalent de neige en eau et / ou la température de la surface des océans. La prise en compte de ces variables, appelées variables exogènes, permet de mieux décrire les processus hydrologiques et donc d’améliorer les politiques de gestion des réservoirs. L’objectif principal de ce doctorat est d’évaluer la valeur économique des politiques de gestion proposées par SDDP et ce pour diverses informations hydro-climatiques. En partant d’un modèle SDDP dans lequel la modélisation hydrologique est limitée aux processus Makoviens, la première activité de recherche a consisté à augmenter l’ordre du modèle autorégressif et à adapter la formulation SDDP. La seconde activité fut dédiée à l’incorporation de différentes variables hydrologiques exogènes dans l’algorithme SDDP. Le système hydroélectrique de Rio Tinto (RT) situé dans le bassin du fleuve Saguenay-Lac-Saint-Jean fut utilisé comme cas d’étude. Étant donné que ce système n’est pas capable de produire la totalité de l’énergie demandée par les fonderies pour assurer pleinement la production d’aluminium, le modèle SDDP a été modifié de manière à considérer les décisions de gestion des contrats avec Hydro Québec. Le résultat final est un système d’aide à la décision pour la gestion d’un large portefeuille d’actifs physiques et financiers en utilisant diverses informations hydro-climatiques. Les résultats globaux révèlent les gains de production d’énergie auxquels les opérateurs peuvent s’attendre lorsque d’autres variables hydrologiques sont incluses dans le vecteur des variables d’état de SDDP. / The optimal operation of a multireservoir hydroelectric system is a complex, multistage, stochastic decision-making problem involving, among others, (i) a trade-off between immediate and future consequences of a decision, (ii) considerable risks and uncertainties, and (iii) multiple objectives and operational constraints. The reservoir operation problem is often formulated as an optimization problem but not a single optimization approach/algorithm exists. Dynamic programming (DP) has been the most popular optimization technique applied to solve the optimization problem. The stochastic formulation of DP (SDP) can be performed by explicitly considering streamflow uncertainty in the DP recursive equation. Different approaches to incorporate more hydrologic and climatic information have been developed and have revealed the potential to enhance SDP- derived policies. However, all these techniques are limited to small-scale systems due to the so-called curse of dimensionality. Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP), an extension of the traditional SDP developed in the 90ies, is one of the few algorithmic solutions used to determine the operating policies of large-scale hydropower systems. In SDDP the hydrologic uncertainty is captured through a multi-site periodic autoregressive model. This analytical linear model is required to derive some of the parameters needed to implement the optimization technique. In practice, reservoir inflows can be affected by other observable variables, such snow water equivalent and/or sea surface temperature. These variables, called exogenous variables, can better describe the hydrologic processes, and therefore enhance reservoir operating policies. The main objective of this PhD is to assess the economic value of SDDP-derived operating policies in large-scale water systems using various hydro-climatic information. The first task focuses on the incorporation of the multi-lag autocorrelation of the hydrologic variables in the SDDP algorithm. Afterwards, the second task is devoted to the incorporation of different exogenous hydrologic variables. The hydroelectric system of Rio Tinto (RT) located in the Saguenay-Lac-Saint-Jean River Basin is used as case study. Since, RT’s hydropower system is not able to produce the entire amount of energy demanded at the smelters to fully assure the aluminum production, a portfolio of energy contacts with Hydro-Québec is available. Eventually, we end up with a decision support system for the management of a large portfolio of physical and financial assets using various hydro-climatic information. The overall results reveal the extent of the gains in energy production that the operators can expect as more hydrologic variables are included in the state-space vector.

Le Nunavik est peuplé de communautés s'approvisionnant majoritairement en eau de surface. Plusieurs contraintes, telles que les coûts de traitement et le tarissement des sources en hiver, motivent la recherche d'une alternative, soit l’approvisionnement en eau souterraine. Or, la disponibilité de l’eau souterraine en région nordique est limitée en raison de la présence du pergélisol. De plus, l’exploitation durable des eaux souterraines en région nordique reste à démontrer puisque les processus de recharge des nappes phréatiques ainsi que la dynamique d’écoulement des eaux souterraines sont différents de ceux observés en région tempérée. L’objectif principal du projet est d’évaluer la disponibilité des eaux souterraines en région froide pour l’approvisionnement en eau potable d’une communauté nordique. Pour ce faire, le bilan hydrologique d’un petit bassin versant de 2,1 km2 situé dans la vallée Tasiapik, près de la communauté d’Umiujaq (Nunavik), a été réalisé entre le 1er juillet 2014 et le 1er juillet 2015. Les précipitations totales ont été évaluées à partir des données d’environnement Canada pour une somme de 520 mm. Les évapotranspirations potentielles et réelles ont été calculées à l’aide des équations d’Hydro-Québec (Bisson et Roberge, 1983) et de Budyko (1974) pour des valeurs respectives de 330 mm et 192 mm. L’installation d’un canal jaugeur dans le cours d’eau principal a permis d’évaluer la décharge à l’exutoire de 280 mm. L’emmagasinement dans les réservoirs de surface et souterrain a été estimé en fermant le bilan hydrologique de surface et représente une lame d’eau équivalente de 48 mm. La recharge des eaux souterraines a été caractérisée selon la méthode de Darcy par l’instrumentation de quatre sites recouverts par une végétation différente. Ainsi, la recharge moyenne sur l’ensemble du bassin versant représente 207 mm, ce qui correspond à environ 40% des précipitations totales. Par ailleurs, le bassin versant connait un épisode de recharge par année, à l’instar des deux épisodes normalement observés au Québec méridional. La raison derrière ce phénomène est d’abord reliée à un été plus court et à la fonte tardive de la neige engendrée par le type de végétation. Ensuite, le débit de base est estimé par la séparation d’hydrogramme. La moyenne du débit de base calculé prend une valeur de 193 mm. Ce résultat correspond à un pourcentage du débit total d’environ 69%, ce qui est caractéristique des régions sans pergélisol. Ce résultat n’est toutefois pas surprenant en considérant que le pergélisol est peu présent dans le bassin versant et se retrouve exclusivement sous forme de buttes isolées. De ce fait, son impact sur les écoulements souterrains est limité, sans compter sur le fait qu’il est présent dans une couche de silt qui est peu perméable, même en absence de pergélisol. Par ailleurs, la décharge à l'exutoire est influencée par les eaux souterraines provenant d'autres bassins versants, ce qui explique en partie la valeur élevée obtenue. Le transfert d’eau souterraine entre bassins versants, qui est obtenu en fermant le bilan hydrologique, correspond à un apport d’eau de 34 mm provenant des bassins versants adjacents. Cette estimation semble cohérente avec les caractéristiques du site d’étude. En effet, ce dernier est situé dans une vallée entourée notamment d’une cuesta et d’une colline possédant toutes deux un relief important. Ces caractéristiques font en sorte que la ligne de partage des eaux souterraines est significativement plus étendue que celle de surface. La décharge des eaux souterraines permet également d’estimer la quantité d’eau pouvant être utilisée dans une optique de développement durable. La lame d’eau équivalente à ce paramètre possède une valeur de 193 mm, ce qui représente 405 300 000 litres d’eau. Le bassin versant contient donc suffisamment de cette ressource pour subvenir au besoin du village puisque la communauté utilise environ 18 370 450 litres d’eau par année, soit 4,5% de la ressource disponible. Les campagnes de terrain ont aussi permis la prise d’échantillons afin d’analyser la chimie de l’eau. Ces résultats ont ensuite été comparés aux concentrations maximales acceptables pour l’eau potable provenant du Règlement sur la qualité de l’eau potable du gouvernement du Québec (MDDELCC, 2016) et aux objectifs esthétiques de Santé Canada (2016). La conclusion qui en découle est que l’eau est potable, mais qu’elle dépasse la limite en ce qui a trait au manganèse, ce qui n’est pas un problème, puisque cet élément est surtout nuisible à la lessive et pour les équipements de plomberie. Toutefois, quelques paramètres physico-chimiques n’ont pas été analysés et un examen approfondi des normes bactériologiques est nécessaire pour se prononcer avec certitude sur la potabilité de l’eau souterraine. / Nunavik’s communities rely mainly on surface water. Several constraints, such as treatment costs and drying-up in the winter, motivate the search for an alternative. The availability of groundwater in the northern region is limited, due to the presence of permafrost. Moreover, the sustainable exploitation of groundwater in the Nordic region remains to be demonstrated, as groundwater recharge processes and the dynamics of groundwater flows are different from those observed in temperate regions. The main objective of the project is to assess the availability of groundwater for drinking water supply of a northern community. The water budget of a 2.1 km2 watershed in the Tasiapik Valley near the Umiujaq community (Nunavik) was carried out between July 2014 and July 2015. The total precipitation was evaluated using environment Canada data’s for a sum of 520 mm. Potential and actual evapotranspiration were calculated using the Hydro-Québec equations (Bisson and Roberge, 1983) and Budyko (1974) for respective values of 330 mm and 192 mm. The installation of a gauging channel in the main stream made it possible to evaluate the discharge at the outlet for a total of 280 mm. Storage in surface and underground reservoirs were estimated by closing the surface water budget and represents 48 mm. Groundwater recharge was characterized according to the Darcy method by the instrumentation of four sites covered by different vegetation. Thus, the average recharges over the entire catchment area represents 207 mm, which corresponds to about 40% of the total precipitation. In addition, the watershed experiences one recharge episode per year, which is different from the two episodes normally observed in southern Québec. The reason behind this phenomenon is firstly related to a shorter summer and to the late melting of snow caused by the type of vegetation. Then, the base flow is estimated by the hydrograph separation technic. The average calculated flow rate correspond to an equivalent of water of 193 mm. This represents 69% of the total flow, which is characteristic of regions without permafrost. This result, however, is not surprising considering that permafrost is present in small quantity in the watershed and is found exclusively in the form of isolated mounds. As a result, its impact on underground flows is limited, not to mention the fact that it is present in a layer of silt that is poorly permeable, even in the absence of permafrost. On the other hand, discharge at the outlet is influenced by groundwater from other watersheds, which partly explains the high value obtained. The transfer of groundwater between catchments, which is obtained by closing the groundwater water budget, corresponds to a water supply of 34 mm coming from the adjacent catchments. This estimate seems consistent with the characteristics of the study site. Indeed, the latter is located in a valley surrounded by a cuesta and a hill both having an important relief. These characteristics mean that the groundwater watershed is larger than the surface watershed. Groundwater discharges can also be used to estimate the amount of water that can be used for sustainable development. The equivalent water of this parameter has a value of 193 mm, which represents 405 300 000 litres of water. The watershed therefore contains enough of this resource to meet the village's needs, since the community uses about 18,370,450 litres of water per year, or 4.5% of the available resource. The field campaigns also allowed the sampling in order to analyze the chemistry of water. These results were then compared with the maximum acceptable drinking water concentrations from the Government of Quebec's Drinking Water Quality Regulation (MDDELCC, 2016) and the aesthetic objectives of Health Canada (2016). The conclusion is that the water is drinkable, but that it exceeds the limit with respect to manganese, which is not a problem, since this element is mostly harmful to the laundry and for plumbing equipment. However, some elements have not been analyzed and a thorough examination of the bacteriological standards is necessary in order to determine with certainty the potability of this groundwater.

L’objectif de ce projet est d’évaluer, en utilisant le bassin versant de la prise d’eau potable de la Ville de Québec sur la rivière Saint-Charles comme cas d’étude, les temps de parcours obtenus par modélisation hydrologique dans une optique de protection de sources d’eau potable. Préalablement à la modélisation, une analyse cartographique des occupations du territoire et des contaminants pouvant être relâchés a été faite afin de mieux comprendre les risques à la qualité de l’eau potable brute. Une méthodologie de modélisation hydrologique articulée autour du cas d’étude est développée en utilisant le Soil and Water Assessment Tools, SWAT, pour déterminer les temps de parcours de l’eau dans les rivières principales du bassin versant. Cette méthodologie s’appuie principalement sur les données climatiques, l’occupation du territoire, les types de sols et la topographie du territoire à l’étude. Le modèle est validé de façon à reproduire l’ordre de grandeur et les mêmes tendances que les débits observés aux stations débitmétriques actives sur le bassin versant. Pour différents scénarios de précipitations (sec, médian ou pluvieux) ainsi que différentes périodes de retour (hebdomadaire, mensuelle ou estivale), une analyse statistique permet de dégager les temps de parcours les plus probables pour chaque cas. Ces derniers sont comparés aux aires de protection des prises d’eau potable telles que définies par le Guide d’analyse de la vulnérabilité MDDELCC (2016). En comparant ces temps de parcours aux aires de protection des prises d’eau potable, il est possible de faire ressortir la grande variabilité dans les temps de parcours obtenus par modélisation hydrologique pour une même distance géographique tout dépendamment du scénario de précipitation et de la période de retour. Avec ces mêmes temps de parcours, une analyse qualitative de l’impact des changements climatiques sur les temps de parcours permet de faire ressortir une augmentation de la vulnérabilité de la prise d’eau aux aléas climatiques et anthropiques.

La prévision d’ensemble hydrologique est devenue un élément clé pour atténuer les effets des catastrophes naturelles (crues et sécheresses) et pour aider à la gestion des barrages (gestion du risque et de la ressource). Une approche probabiliste permet de représenter l’incertitude de prévision et de faciliter la prise de décision. Dans cette étude, un système automatique de prévision d’ensemble du débit tenant compte des principales sources d’incertitude est utilisé. L’incertitude météorologique est décrite en utilisant des prévisions d’ensemble météorologiques (MEPS) qui, malgré des améliorations constantes, peuvent rester localement biaisées et/ou peu fiables. Ces deux problèmes peuvent affecter la qualité de la prévision du débit et les décisions qui en résultent. Cette étude vise à évaluer si un post-traitement de la prévision météorologique est utile pour améliorer la prévision du débit produite par un système quantifiant les principales sources d’incertitude. Deux techniques de post-traitement météorologique sont utilisées pour corriger des prévisions de précipitation ECMWF : “Censored, Shifted Gamma Distribution” (CSGD) et “Distribution-based scaling” (DBS). Les prévisions de précipitations brutes et post-traitées sont utilisées pour forcer 20 modèles hydrologiques et obtenir des prévisions d’ensemble de débits. L’incertitude liée aux conditions initiales sont décrites par une assimilation de données (filtre d’ensemble de Kalman). Le post-traitement de la prévision de précipitation est évalué sur les sous-bassins de la rivière Gatineau au Québec en utilisant une évaluation multi-critères (diagramme de fiabilité, MCRPS...). Les résultats montrent une amélioration de la prévision météorologique en termes de fiabilité pour tous les bassins. Cette amélioration dépend de la quantité de précipitations, de l’horizon de prévision et de la saison. Les améliorations en termes d’exactitude sont plus modérées. Cependant, l’amélioration de la qualité de la prévision de précipitation a un impact faible sur la prévision du débit. / Ensemble streamflow forecast has become a key element to mitigate the effects of natural disasters such as floods and droughts and to help dam management (risk and resource management). A probabilistic framework allows to represent the uncertainty linked to the forecast and in this way help the decision making. In this study, an automatic streamflow ensemble prediction system that accounts for three sources of uncertainty is used. Meteorological uncertainty is accounted for by using a meteorological ensemble prediction systems (MEPS) which despite constant improvements remain locally biased and/or unreliable. These problems can affect the quality of the streamflow forecast and consequently, the resulting decision. This study aims at evaluating if a MEPS post-processing is useful to improve streamflow forecasts issued by a modeling chain that quantifies the main sources of uncertainty. Two MEPS postprocessing techniques were used to correct the ECMWF precipitation forecast: Censored, Shifted Gamma Distribution (CSGD) and Distribution-based scaling (DBS). The raw and post-processed ensemble precipitation forecasts are used as forcing variables to 20 rainfallrunoff models to produce ensemble streamflow forecasts. To consider the uncertainty arising from the initial conditions, the hydrological models benefit from data assimilation (Ensemble Kalman Filter). The post-processing of precipitation forecast is assessed over Gatineau’s sub-basins in Quebec using a multi-criteria evaluation (reliability diagram, MCRPS...). The results show an improvement in the meteorological forecast in terms of reliability for all the basins. This improvement varies by amount of precipitation, forecast lead time and season. The improvements in terms of accuracy were more moderate. However, the use of a meteorological post-processing technique did not lead to an improvement of the streamflow forecast.

Ce travail est la fusion de deux projets de recherche complémentaires et contribue à l'approfondissement des connaissances dans les domaines des mesures de précipitation solide et dans la stratégie de modélisation hydrologique en milieu forestier boréal. Toutes les données utilisées pour ces travaux proviennent de la forêt Montmorency, qui est la forêt d’enseignement et de recherche de l’Université Laval située à Québec. Les incertitudes liées aux simulations des débits des bassins versants par les outils de modélisation hydrologiques dépendent du choix du modèle considéré, mais sont aussi liées à la qualité des données météorologiques entrantes. Il est question ici de tout d’abord quantifier les incertitudes reliées aux mesures de précipitation solide, ensuite proposer une méthode d’ajustement novatrice, et enfin une stratégie de modélisation hydrologique en milieu forestier boréal. L’élaboration d’une base de données météorologique regroupant 15 types de précipitomètres, dont deux référents mondiaux, a été réalisée grâce notamment à la mise en place du site météorologique Neige, déployé depuis 2014. Concernant les incertitudes des mesures liées au phénomène de sous-captation de précipitation solide, des approches déterministes historiques de débiaisage des données sont tout d’abord évaluées. Les résultats démontrent un biais initial moyen d’environ 30%, et une surestimation rémanente des quantités de précipitation après ajustement. Une approche probabiliste est ensuite proposée, et les résultats montrent un biais moyen divisé par 5 après application de la méthode. Enfin, des analyses de sensibilités des paramètres des modèles hydrologiques ainsi que de leurs performances face aux variations des données de précipitation solide sont réalisées sur un ensemble de 20 modèles conceptuels à partir de la base de données hydrologique du bassin versant appelé le Haut Montmorency. Cette étude permet finalement de mettre en évidence que le biais de mesure d’équivalent en eau du manteau nival pourrait influencer la qualité des bilans hydriques des bassins versants dans certaines conditions. Ainsi, une analyse de sensibilité des modèles hydrologiques rigoureuse a permis de mettre en évidence qu’un ajustement des données de précipitation solide est nécessaire en amont de la calibration conjointement à l’utilisation des modèles. L’originalité de ces travaux dépend principalement de l’exceptionnalité des sites d’études mais aussi de la qualité du travail des techniciens en observation météorologique et la coopération d’un grand nombre de partenaires privés et publics. / This work joins two complementary research projects and contributes to improve the knowledge on solid precipitation measurements and hydrological modelling strategy in the boreal forest environment. All the data used in this work comes from the Montmorency Forest, which is the teaching and research forest of Université Laval located in Quebec. The uncertainty related to flows forecast by hydrological models depends on the choice of the model, but are also linked to the quality of incoming meteorological data. This work aims first to quantify uncertainties related to solid precipitation measurements, then to propose an innovative method of adjustment and finally to establish a hydrological modelling strategy for the boreal forest environment. The development of a large meteorological database, including data from two world reference instruments, was done thanks to the Neige site deployed since 2014. Regarding uncertainties related to the solid precipitation undercatch phenomenon, five deterministic approaches from the literature are first evaluated. Results show that the initial bias is 30% on average and there is still an overestimation of the solid precipitation quantity after a deterministic adjustment. A probabilistic approach is developed and results show that the bias is divided by 5 on average. Finally, sensitivity analysis of hydrological models’ parameters, and their performance facing different solid precipitation quantities, is done on a set of 20 conceptual models based on the hydrological database of the catchment area called the HautMontmorency. This study highlights that the snow water equivalent measurement bias of the snowpack could influence the quality of water balances in the catchment under certain conditions. A deep sensitivity analysis of hydrological models showed that an adjustment of the solid precipitation was required prior to their calibration. The originality of this thesis depends on the exceptional studied sites, the quality of technicians work and the collaboration of numerous public and private partners.

Ce mémoire de maîtrise cherche à quantifier et analyser l'impact des anomalies de température dans la mer des Caraïbes (SSTC) sur l'hydrologie du bassin Artibonite et sur la gestion des infrastructures hydrauliques existantes et futures. L'approche proposée repose sur la modélisation hydro-économique du bassin et sur l'analyse par scénarios. La gestion du bassin est optimisée pour deux scénarios, avec ou sans prise en compte des SSTC dans le processus de prise de décisions. La comparaison des performances du système hydrique pour les deux scénarios révèle l'utilité de cette information hydro-climatique. Les résultats démontrent que les apports du bassin sont linéairement dépendants de ces anomalies mais que l'intensité de la relation est insuffisante pour améliorer significativement les performances du système, que ce soit en année sèche, normale ou humide. / This MSc thesis analyses the impact of temperature anomalies in the Caribbean region (SSTC) on the hydrology of the Artibonite river and on the performance of the water resources system including planned irrigation and hydropower projects. The method relies on hydroeconomic modelling and scenario analysis. The water resources system of the Artibonite River is optimized for two decision-making scenarios : with or without SSTC-based management decisions. Comparing the economic performance of the water resources system for these two scenario reveals the utility of this hydro-climate information. The results show that while the inflows of the basin are linearly dependent on these anomalies, the intensity of the relationship is insufficient to influence the decisions and hence improves the performance of the system, whether in dry, normal or wet year.

La première partie de ce mémoire de thèse montre l'intérêt de l'utilisation de nouveaux outils en hydrologie urbaine, à partir d'un historique de l'évolution des liens entre la ville et l'eau. Elle est suivie par une présentation synthétique des modèles hydrauliques simplifiés de simulation de crues. Les équations, leur contenu physique, les conditions limites, les méthodes de résolution et les méthodes de calage des paramètres sont analysées de manière détaillée. Le mémoire présente ensuite une série de résultats de simulations sur des cas hypothétiques choisis pour couvrir la plupart des conditions de l'assainissement. Les différentes méthodes de calage des paramètres sont testées ainsi que le fonctionnement numérique des modèles. Le mémoire met en évidence des domaines de validité (numériques et hydrauliques) en fonction de nombres adimensionnels et en référence aux résultats d'un modèle intégrant les équations complètes de Saint-Venant. La possibilité de modéliser les influences aval est testée avec un modèle de crue diffusante auquel est intégré un calcul de ligne d'eau. Une étude des conditions d'utilisation des modèles sur le terrain termine le mémoire qui peut être destiné à tous les services techniques des collectivités locales.

Semi-arid areas are, due to their climatic setting, characterized by small water resources. An increasing water demand as a consequence of population growth and economic development as well as a decreasing water availability in the course of possible climate change may aggravate water scarcity in future, which often exists already for present-day conditions in these areas. Understanding the mechanisms and feedbacks of complex natural and human systems, together with the quantitative assessment of future changes in volume, timing and quality of water resources are a prerequisite for the development of sustainable measures of water management to enhance the adaptive capacity of these regions. For this task, dynamic integrated models, containing a hydrological model as one component, are indispensable tools.<br /> The main objective of this study is to develop a hydrological model for the quantification of water availability in view of environmental change over a large geographic domain of semi-arid environments.<br /> The study area is the Federal State of Ceará (150 000 km2) in the semi-arid north-east of Brazil. Mean annual precipitation in this area is 850 mm, falling in a rainy season with duration of about five months. Being mainly characterized by crystalline bedrock and shallow soils, surface water provides the largest part of the water supply. The area has recurrently been affected by droughts which caused serious economic losses and social impacts like migration from the rural regions. <br /> The hydrological model Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) developed in this study is a deterministic, spatially distributed model being composed of conceptual, process-based approaches. Water availability (river discharge, storage volumes in reservoirs, soil moisture) is determined with daily resolution. Sub-basins, grid cells or administrative units (municipalities) can be chosen as spatial target units. The administrative units enable the coupling of Wasa in the framework of an integrated model which contains modules that do not work on the basis of natural spatial units.<br /> The target units mentioned above are disaggregated in Wasa into smaller modelling units within a new multi-scale, hierarchical approach. The landscape units defined in this scheme capture in particular the effect of structured variability of terrain, soil and vegetation characteristics along toposequences on soil moisture and runoff generation. Lateral hydrological processes at the hillslope scale, as reinfiltration of surface runoff, being of particular importance in semi-arid environments, can thus be represented also within the large-scale model in a simplified form. Depending on the resolution of available data, small-scale variability is not represented explicitly with geographic reference in Wasa, but by the distribution of sub-scale units and by statistical transition frequencies for lateral fluxes between these units.<br /> Further model components of Wasa which respect specific features of semi-arid hydrology are: <br /> (1) A two-layer model for evapotranspiration comprises energy transfer at the soil surface (including soil evaporation), which is of importance in view of the mainly sparse vegetation cover. Additionally, vegetation parameters are differentiated in space and time in dependence on the occurrence of the rainy season. <br /> (2) The infiltration module represents in particular infiltration-excess surface runoff as the dominant runoff component. <br /> (3) For the aggregate description of the water balance of reservoirs that cannot be represented explicitly in the model, a storage approach respecting different reservoirs size classes and their interaction via the river network is applied. <br /> (4) A model for the quantification of water withdrawal by water use in different sectors is coupled to Wasa. <br /> (5) A cascade model for the temporal disaggregation of precipitation time series, adapted to the specific characteristics of tropical convective rainfall, is applied for the generating rainfall time series of higher temporal resolution.<br /> All model parameters of Wasa can be derived from physiographic information of the study area. Thus, model calibration is primarily not required.<br /> Model applications of Wasa for historical time series generally results in a good model performance when comparing the simulation results of river discharge and reservoir storage volumes with observed data for river basins of various sizes. The mean water balance as well as the high interannual and intra-annual variability is reasonably represented by the model. Limitations of the modelling concept are most markedly seen for sub-basins with a runoff component from deep groundwater bodies of which the dynamics cannot be satisfactorily represented without calibration.<br /> Further results of model applications are:<br /> (1) Lateral processes of redistribution of runoff and soil moisture at the hillslope scale, in particular reinfiltration of surface runoff, lead to markedly smaller discharge volumes at the basin scale than the simple sum of runoff of the individual sub-areas. Thus, these processes are to be captured also in large-scale models. The different relevance of these processes for different conditions is demonstrated by a larger percentage decrease of discharge volumes in dry as compared to wet years.<br /> (2) Precipitation characteristics have a major impact on the hydrological response of semi-arid environments. In particular, underestimated rainfall intensities in the rainfall input due to the rough temporal resolution of the model and due to interpolation effects and, consequently, underestimated runoff volumes have to be compensated in the model. A scaling factor in the infiltration module or the use of disaggregated hourly rainfall data show good results in this respect.<br /> The simulation results of Wasa are characterized by large uncertainties. These are, on the one hand, due to uncertainties of the model structure to adequately represent the relevant hydrological processes. On the other hand, they are due to uncertainties of input data and parameters particularly in view of the low data availability. Of major importance is:<br /> (1) The uncertainty of rainfall data with regard to their spatial and temporal pattern has, due to the strong non-linear hydrological response, a large impact on the simulation results.<br /> (2) The uncertainty of soil parameters is in general of larger importance on model uncertainty than uncertainty of vegetation or topographic parameters.<br /> (3) The effect of uncertainty of individual model components or parameters is usually different for years with rainfall volumes being above or below the average, because individual hydrological processes are of different relevance in both cases. Thus, the uncertainty of individual model components or parameters is of different importance for the uncertainty of scenario simulations with increasing or decreasing precipitation trends.<br /> (4) The most important factor of uncertainty for scenarios of water availability in the study area is the uncertainty in the results of global climate models on which the regional climate scenarios are based. Both a marked increase or a decrease in precipitation can be assumed for the given data.<br /> Results of model simulations for climate scenarios until the year 2050 show that a possible future change in precipitation volumes causes a larger percentage change in runoff volumes by a factor of two to three. In the case of a decreasing precipitation trend, the efficiency of new reservoirs for securing water availability tends to decrease in the study area because of the interaction of the large number of reservoirs in retaining the overall decreasing runoff volumes. / Semiaride Gebiete sind auf Grund der klimatischen Bedingungen durch geringe Wasserressourcen gekennzeichnet. Ein zukünftig steigender Wasserbedarf in Folge von Bevölkerungswachstum und ökonomischer Entwicklung sowie eine geringere Wasserverfügbarkeit durch mögliche Klimaänderungen können dort zu einer Verschärfung der vielfach schon heute auftretenden Wasserknappheit führen. Das Verständnis der Mechanismen und Wechselwirkungen des komplexen Systems von Mensch und Umwelt sowie die quantitative Bestimmung zukünftiger Veränderungen in der Menge, der zeitlichen Verteilung und der Qualität von Wasserressourcen sind eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von nachhaltigen Maßnahmen des Wassermanagements mit dem Ziel einer höheren Anpassungsfähigkeit dieser Regionen gegenüber künftigen Änderungen. Hierzu sind dynamische integrierte Modelle unerlässlich, die als eine Komponente ein hydrologisches Modell beinhalten. <br /> Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist daher die Erstellung eines hydrologischen Modells zur großräumigen Bestimmung der Wasserverfügbarkeit unter sich ändernden Umweltbedingungen in semiariden Gebieten.<br /> Als Untersuchungsraum dient der im semiariden tropischen Nordosten Brasiliens gelegene Bundestaat Ceará (150 000 km2). Die mittleren Jahresniederschläge in diesem Gebiet liegen bei 850 mm innerhalb einer etwa fünfmonatigen Regenzeit. Mit vorwiegend kristallinem Grundgebirge und geringmächtigen Böden stellt Oberflächenwasser den größten Teil der Wasserversorgung bereit. Die Region war wiederholt von Dürren betroffen, die zu schweren ökonomischen Schäden und sozialen Folgen wie Migration aus den ländlichen Gebieten geführt haben. <br /> Das hier entwickelte hydrologische Modell Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) ist ein deterministisches, flächendifferenziertes Modell, das aus konzeptionellen, prozess-basierten Ansätzen aufgebaut ist. Die Wasserverfügbarkeit (Abfluss im Gewässernetz, Speicherung in Stauseen, Bodenfeuchte) wird mit täglicher Auflösung bestimmt. Als räumliche Zieleinheiten können Teileinzugsgebiete, Rasterzellen oder administrative Einheiten (Gemeinden) gewählt werden. Letztere ermöglichen die Kopplung des Modells im Rahmen der integrierten Modellierung mit Modulen, die nicht auf der Basis natürlicher Raumeinheiten arbeiten.<br /> Im Rahmen eines neuen skalenübergreifenden, hierarchischen Ansatzes werden in Wasa die genannten Zieleinheiten in kleinere räumliche Modellierungseinheiten unterteilt. Die ausgewiesenen Landschaftseinheiten erfassen insbesondere die strukturierte Variabilität von Gelände-, Boden- und Vegetationseigenschaften entlang von Toposequenzen in ihrem Einfluss auf Bodenfeuchte und Abflussbildung. Laterale hydrologische Prozesse auf kleiner Skala, wie die für semiaride Bedingungen bedeutsame Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, können somit auch in der erforderlichen großskaligen Modellanwendung vereinfacht wiedergegeben werden. In Abhängigkeit von der Auflösung der verfügbaren Daten wird in Wasa die kleinskalige Variabilität nicht räumlich explizit sondern über die Verteilung von Flächenanteilen subskaliger Einheiten und über statistische Übergangshäufigkeiten für laterale Flüsse zwischen den Einheiten berücksichtigt.<br /> Weitere Modellkomponenten von Wasa, die spezifische Bedingungen semiarider Gebiete berücksichtigen, sind: <br /> (1) Ein Zwei-Schichten-Modell zur Bestimmung der Evapotranspiration berücksichtigt auch den Energieumsatz an der Bodenoberfläche (inklusive Bodenverdunstung), der in Anbetracht der meist lichten Vegetationsbedeckung von Bedeutung ist. Die Vegetationsparameter werden zudem flächen- und zeitdifferenziert in Abhängigkeit vom Auftreten der Regenzeit modifiziert. <br /> (2) Das Infiltrationsmodul bildet insbesondere Oberflächenabfluss durch Infiltrationsüberschuss als dominierender Abflusskomponente ab. <br /> (3) Zur aggregierten Beschreibung der Wasserbilanz von im Modell nicht einzeln erfassbaren Stauseen wird ein Speichermodell unter Berücksichtigung verschiedener Größenklassen und ihrer Interaktion über das Gewässernetz eingesetzt. <br /> (4) Ein Modell zur Bestimmung der Entnahme durch Wassernutzung in verschiedenen Sektoren ist an Wasa gekoppelt. <br /> (5) Ein Kaskadenmodell zur zeitlichen Disaggregierung von Niederschlagszeitreihen, das in dieser Arbeit speziell für tropische konvektive Niederschlagseigenschaften angepasst wird, wird zur Erzeugung höher aufgelöster Niederschlagsdaten verwendet.<br /> Alle Modellparameter von Wasa können von physiographischen Gebietsinformationen abgeleitet werden, sodass eine Modellkalibrierung primär nicht erforderlich ist. <br /> Die Modellanwendung von Wasa für historische Zeitreihen ergibt im Allgemeinen eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse für Abfluss und Stauseespeichervolumen mit Beobachtungsdaten in unterschiedlich großen Einzugsgebieten. Die mittlere Wasserbilanz sowie die hohe monatliche und jährliche Variabilität wird vom Modell angemessen wiedergegeben. Die Grenzen der Anwendbarkeit des Modell-konzepts zeigen sich am deutlichsten in Teilgebieten mit Abflusskomponenten aus tieferen Grundwasserleitern, deren Dynamik ohne Kalibrierung nicht zufriedenstellend abgebildet werden kann.<br /> Die Modellanwendungen zeigen weiterhin:<br /> (1) Laterale Prozesse der Umverteilung von Bodenfeuchte und Abfluss auf der Hangskala, vor allem die Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, führen auf der Skala von Einzugsgebieten zu deutlich kleineren Abflussvolumen als die einfache Summe der Abflüsse der Teilflächen. Diese Prozesse sollten daher auch in großskaligen Modellen abgebildet werden. Die unterschiedliche Ausprägung dieser Prozesse für unterschiedliche Bedingungen zeigt sich an Hand einer prozentual größeren Verringerung der Abflussvolumen in trockenen im Vergleich zu feuchten Jahren.<br /> (2) Die Niederschlagseigenschaften haben einen sehr großen Einfluss auf die hydrologische Reaktion in semiariden Gebieten. Insbesondere die durch die grobe zeitliche Auflösung des Modells und durch Interpolationseffekte unterschätzten Niederschlagsintensitäten in den Eingangsdaten und die daraus folgende Unterschätzung von Abflussvolumen müssen im Modell kompensiert werden. Ein Skalierungsfaktor in der Infiltrationsroutine oder die Verwendung disaggregierter stündlicher Niederschlagsdaten zeigen hier gute Ergebnisse.<br /> Die Simulationsergebnisse mit Wasa sind insgesamt durch große Unsicherheiten gekennzeichnet. Diese sind einerseits in Unsicherheiten der Modellstruktur zur adäquaten Beschreibung der relevanten hydrologischen Prozesse begründet, andererseits in Daten- und Parametersunsicherheiten in Anbetracht der geringen Datenverfügbarkeit. Von besonderer Bedeutung ist: <br /> (1) Die Unsicherheit der Niederschlagsdaten in ihrem räumlichen Muster und ihrer zeitlichen Struktur hat wegen der stark nicht-linearen hydrologischen Reaktion einen großen Einfluss auf die Simulationsergebnisse.<br /> (2) Die Unsicherheit von Bodenparametern hat im Vergleich zu Vegetationsparametern und topographischen Parametern im Allgemeinen einen größeren Einfluss auf die Modellunsicherheit.<br /> (3) Der Effekt der Unsicherheit einzelner Modellkomponenten und -parameter ist für Jahre mit unter- oder überdurchschnittlichen Niederschlagsvolumen zumeist unterschiedlich, da einzelne hydrologische Prozesse dann jeweils unterschiedlich relevant sind. Die Unsicherheit einzelner Modellkomponenten- und parameter hat somit eine unterschiedliche Bedeutung für die Unsicherheit von Szenarienrechnungen mit steigenden oder fallenden Niederschlagstrends.<br /> (4) Der bedeutendste Unsicherheitsfaktor für Szenarien der Wasserverfügbarkeit für die Untersuchungsregion ist die Unsicherheit der den regionalen Klimaszenarien zu Grunde liegenden Ergebnisse globaler Klimamodelle. Eine deutliche Zunahme oder Abnahme der Niederschläge bis 2050 kann gemäß den hier vorliegenden Daten für das Untersuchungsgebiet gleichermaßen angenommen werden.<br /> Modellsimulationen für Klimaszenarien bis zum Jahr 2050 ergeben, dass eine mögliche zukünftige Veränderung der Niederschlagsmengen zu einer prozentual zwei- bis dreifach größeren Veränderung der Abflussvolumen führt. Im Falle eines Trends von abnehmenden Niederschlagsmengen besteht in der Untersuchungsregion die Tendenz, dass auf Grund der gegenseitigen Beeinflussung der großen Zahl von Stauseen beim Rückhalt der tendenziell abnehmenden Abflussvolumen die Effizienz von neugebauten Stauseen zur Sicherung der Wasserverfügbarkeit zunehmend geringer wird.

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Etude des circulations de surface et en profondeur de la vallée de la Vernaison ( Vercors sud) . Les circulations karstiques et émergences sont étudiées.