Ce mémoire présente les travaux de recherche ayant trait à la modélisation hydrodynamique du ruisseau Pratt et à l’évaluation du risque lié aux inondations à Coaticook. Quatre chapitres composent ce document. Le contexte de la recherche y est d’abord présenté. L’état des connaissances concernant le cours d’eau complexe qu’est le ruisseau Pratt est synthétisé, notamment son historique d’inondations, ses aspects hydrologiques et hydrauliques ainsi que les solutions envisagées jusqu’ici pour régler les problématiques d’inondations. La construction d’un bassin de rétention et l’érection de murs au centre-ville sont favorisées. Par la suite, la méthodologie employée pour développer des modèles hydrodynamiques 1D et 2D sur HECRAS 5.0 est présentée. Les différentes simulations effectuées pour évaluer le risque lié aux inondations de même que la façon dont ces résultats ont été exploités sont ensuite détaillées. La démarche d’évaluation du dommage moyen annuel (DMA) à l’aide de l’aléa des inondations, de l’exposition des bâtiments et de leur vulnérabilité y est notamment décrite. Le troisième chapitre du mémoire contient les résultats de l’étude. Les étendues d’inondation de même que la cartographie des zones inondables pour trois situations et pour les récurrences de 2, 20 et 100 ans sont présentées. Des séries de cartes exploitant des indicateurs de danger potentiel se trouvent également dans cette section. Enfin, les résultats du calcul du DMA pour différents scénarios sont montrés. Selon ces résultats, le DMA lié aux inondations de la ville de Coaticook se trouverait actuellement entre 145 k $-et 228 k $-an. La construction d’un bassin de rétention pourrait toutefois abaisser ces valeurs de plus de 80 %. Finalement, différentes analyses sont exposées dans le dernier chapitre du mémoire. Un jugement sur la légitimité des résultats qui comprennent des incertitudes importantes est d’abord avancé. Ceux-ci sont estimés réalistes, malgré certaines ambiguïtés. L’écoulement du ruisseau Pratt lors d’inondation est ensuite apprécié à l’aide d’une caractérisation de la propagation des inondations et d’une analyse des résultats de modélisation. Les risques liés aux inondations et la pertinence des mesures de mitigations sont finalement analysés. Techniquement, les risques pourraient être grandement diminués à l’aide du bassin de rétention et de l’érection des murs. La première solution pourrait d’ailleurs être rentable si son coût de construction demeure inférieur à 2,4 M $ -voire 3,7 M $ -en considérant les impacts potentiels des changements climatiques sur le régime hydrologique du ruisseau Pratt. Des risques supplémentaires peuvent toutefois accompagner la mise en place de ses mesures. Ces derniers sont décrits à la fin du quatrième chapitre de ce mémoire.

Ce projet de recherche a pour but d’identifier une méthode d’assimilation automatique de données qui pourrait être utilisée dans le cadre de la prévision opérationnelle de crues. Le filtre de Kalman d’ensemble (EnKF) et l’assimilation variationnelle ont ainsi été comparés en premier lieu en utilisant le modèle GR4Jneige. Les résultats ont montré que l’EnKF fournit la meilleure performance pour tous les horizons de prévision lorsque comparé à différentes implantations de la méthode variationnelle. La performance de la méthode variationnelle varie toutefois d’un bassin à un autre. Les prévisions hydrologiques déterministes émises à partir de l’EnKF produisent une performance supérieure au scénario sans assimilation, ce qui n’est pas toujours le cas pour la méthode variationnelle. L’assimilation naïve des sorties ne donne pas des bons résultats au-delà du second jour de prévision. L’EnKF a par la suite été mis en œuvre avec un modèle hydrologique semi-distribué (Hydrotel) afin d’améliorer les conditions initiales de la prévision hydrologique d’ensemble (PHE). La vérification de la qualité des PHE sur le bassin versant au Saumon, pour la période exempte de l’influence de la neige, a révélé une amélioration considérable de la performance et de la fiabilité par rapport aux résultats sans assimilation. L’assimilation manuelle fournit une performance similaire à l’EnKF, mais est beaucoup moins fiable que cette dernière. Les 1000 membres de la PHE générée par EnKF peuvent se réduire jusqu’à 50 sans perte de fiabilité ou de performance. De bons résultats ont aussi été obtenus pour la période d’accumulation et de fonte de la neige, notamment par mise à jour de l’équivalent en eau de la neige en plus des variables identifiées précédemment : la teneur en eau du sol et l’écoulement terrestre. Différents produits canadiens de prévision météorologique d’ensemble (PME) ont finalement été comparés pour évaluer l’impact de leur résolution spatiale sur la qualité de la PHE – ils ont aussi été comparés à des produits déterministes. Les résultats ont montré que la PME mène à une meilleure performance que les produits déterministes. Les PME globale et régionale partagent la même performance, par contre le produit régional s’est révélé plus fiable et a une meilleure capacité à caractériser l’incertitude de la prévision. / The aim of this research project is to identify an automatic data assimilation method that could be used in an operational flood forecasting context. The Ensemble Kalman Filter (EnKF) and the variational assimilation method were first compared on the GR4Jsnow model. Results showed that the EnKF provides the best performance for all forecast horizons when compared to various implementations of the variational method. The performance of the variational method varied from one watershed to another. The deterministic hydrological forecasts issued from the EnKF generate better performance than forecasts without assimilation, which is not always the case for the variational method. The naïve output assimilation is not recommended for forecasts beyond a 2-day horizon. The EnKF was next implemented on a semi-distributed hydrological model (Hydrotel) to improve the initial conditions of the hydrological ensemble predictions (HEP), for the snow-free flows on the au Saumon watershed. The verification of the quality of the HEP showed a considerable improvement in both performance and reliabilty in comparison to the results of model without assimilation. Manual assimilation provides performance similar to the EnKF, but with much less reliability. The 1000-member HEP obtained from the EnKF can be reduced up to 50 members without any loss of reliability or performance. Similar results were obtained for snow accumulation and melt periods, especially when updating the snow water equivalent in addition to the state variables previously identified for the snow-free flows, namely the soil water content and the land flow. Different Canadian meteorological ensemble prediction systems (EPS) were also compared to assess the impact of spatial resolution of these systems on the quality of the HEP – they were also compared to deterministic products. The results showed that EPS are superior to the deterministic products. Global and regional EPS share the same performance, in contrast the regional product that turned out more reliable and characterize the uncertainty of the forecast.

La rivière Chaudière, située au sud de la Ville de Québec, est sujette aux inondations provoquées par la formation d'embâcles. Des inondations ont été enregistrées depuis 1896 jusqu'à ce jour malgré la mise en service, en 1967, d'un ouvrage de contrôle des glaces (ICS) à 3 kilomètres en amont de la Ville de Saint-Georges-de-Beauce afin de réduire les inondations causées par la glace dans le secteur le plus à risque de la rivière Chaudière. Les inondations par embâcles demeurent donc un problème récurrent qui affecte régulièrement 8 villes le long du tronçon de 90 kilomètres en aval de l'ICS. Dans le cadre d'un programme gouvernemental d'aléas d'inondation initié par le ministère des Affaires Municipales et de l'Habitation (MAMH), un mandat pour évaluer les cotes de crues en présence de glace de la rivière Chaudière a été confié à l'Université Laval. La modélisation d'embâcles combinée à des données d'observations historiques d'embâcles est utilisée pour déterminer les niveaux d'inondation par embâcles. L'approche préconisée consiste à contrôler un modèle de simulation hydraulique fluviale, plus spécifiquement le module HEC-RAS, avec un script externe en Python pour générer une distribution Monte-Carlo (MOCA) d'évènements d'embâcles le long du secteur de la rivière à l'étude. Les paramètres mécaniques tels que l'angle de frottement, la porosité et les vitesses de contrainte de cisaillement critiques sont également attribués de manière aléatoire par le script dans une plage délimitée. Les paramètres physiques et hydrologiques attribués à chaque évènement sont choisis au hasard en fonction d'une probabilité estimée à partir des observations historiques, soit le débit calculé à l'ICS, l'emplacement de l'embâcle, la longueur de l'embâcle et les degrés-jours de gel (épaisseur de la glace). Les cotes de crues selon les périodes de retour de 2, 20, 100 et 350 ans sont alors déterminées selon une équation statistique empirique de Gringorten, suivie d'une modulation pour tenir compte des facteurs externes non considérés par MOCA. Ces cotes de crues en présence de glace sont comparées à celles en eau libre telles que déterminées par la méthode classique. Le projet démontre que les niveaux d'eau calculés en présence de glace prédominent ceux en eau libre pour les villes en amont de Saint-Joseph-de-Beauce. La combinaison des niveaux d'eau en présence de glace et en eau libre, réalisée à l'aide de l'équation de la FEMA, montre que la probabilité d'atteindre un seuil spécifique d'élévation diminue la période de retour et en conséquence augmente les probabilités reliées aux inondations. Ce mémoire est le premier travail scientifique qui présente une validation complète de l'approche hydrotechnique utilisant les valeurs in situ de débit, de DJGC et de l'emplacement et de la longueur d'embâcles pour la détermination des cotes de crue par embâcles. Les valeurs de cotes de crues calculées avec la méthode MOCA sont comparées avec les données historiques dans le secteur à l'étude de la rivière Chaudière. La présente étude met en évidence les limitations et les conditions nécessaires pour l'utilisation de cette méthode. Ce projet de recherche montre aussi pour la première fois que l'approche hydrotechnique permet de calculer des courbes fréquentielles de niveaux d'eau en présence de glace qui peuvent être utilisées à des fins réglementaires au Québec. / The Chaudière River, located south of Quebec City, is prone to seasonal ice jam flooding. As early as 1896, ice induced floods have been recorded and in 1967 an ice control structure (ICS) was constructed 3 kilometers upstream of the Town of St. Georges to reduce ice flooding events in the area most at risk of the Chaudière River. Despite the construction of the ICS, flooding caused by ice jams is still an ongoing issue that regularly affects 8 towns along this reach of 90 kilometers downstream of the ICS. As part of a governmental flood hazard program that is managed by the provincial ministère des Affaires Municipales et de l'Habitation (MAMH), the mandate of assessing ice jam flood delineation has been given to Laval University. In order to achieve this objective, ice jam modelling combined with historical data is used to determine ice jam flood levels. More specifically, the approach used is to control a river hydraulic simulation model (HEC-RAS) with an external script (MOCA) written in Python to generate a Monte-Carlo distribution of ice jam flood events along the study reach. The script polls historical data of recorded ice jam events which include flow measured at the ICS, ice jam location, ice jam length, and degree days of freezing (ice thickness). Mechanical parameters such as the angle of friction, porosity and critical shear stress velocities are also randomly assigned by the script within a delimited range. The physical and hydrological parameters assigned to each event are randomly chosen based on the historical data. The flood levels according to the return periods of 2, 20, 100, and 350 years are then determined according to an empirical statistical equation and modulated to consider external factors not considered by the MOCA. These calculated flood levels are compared with the ones obtained by open water floods as determined by the classical method. The results show that the calculated ice induce water levels predominate over open water flooding for the towns upstream of Saint-Joseph-de-Beauce. The combination of ice induced and open water levels, using the FEMA equation, show that the probability of reaching a specific elevation is reduced and thus increases the probability associated with flooding. This thesis is the first scientific work that presents the complete validity of the hydrotechnical approach using in situ flows, cumulative degree-days of freezing and ice jam length and location for the determination for ice induced flood delineation combined with a MOCA framework. Calculated flood frequency levels are compared with historical ice induced flood water levels within the studied reach, as well as the conditions and limitations for using this approach. Also, this scientific document is the first to present ice-related flood levels using the hydrotechnical approach for regulatory purposes in the Province of Québec.

Dans un contexte d'amplification d'évènements climatiques majeurs, la population fait face à différents impacts négatifs, touchant autant leur bien-être que leur environnement. Ce mémoire de maîtrise consiste à réaliser une analyse géographique de la vulnérabilité de la population québécoise face aux inondations. Une analyse plus approfondie est effectuée sur les municipalités de Châteauguay, Montmagny et Sainte-Brigitte-de-Laval. Jusqu'à ce jour, peu d'indicateurs étaient disponibles pour analyser la vulnérabilité de la population face à cet aléa climatique à l'échelle du Québec. Cette étude permet d'identifier et d'analyser les zones vulnérables aux inondations à l'échelle des municipalités québécoises. Dans le but de cartographier ces phénomènes, la sélection de variables retenues d'après une revue de littérature, la création d'indicateurs synthétiques et d'une cartographie synthétique de la vulnérabilité sont primordiales. La mise en place d'une cartographie participative auprès des acteurs municipaux a été effectuée afin de connaître la situation spécifique des municipalités face aux inondations et de valider les résultats obtenus lors de l'élaboration des indicateurs synthétiques. Cette recherche, autant au niveau méthodologique que cartographique, se base sur deux dimensions de la vulnérabilité, soit la sensibilité et la capacité à faire face. À terme, cette étude a permis de mettre en évidence les zones se retrouvant dans une situation de vulnérabilité à la survenue de cet aléa climatique extrême, correspondant ainsi aux zones sensibles et où la capacité à faire face aux inondations est moindre. Mots-clés : Vulnérabilité, inondation, sensibilité, capacité à faire face, cartographie, municipalités québécoises.

Les changements attendus dans le climat, dont l'augmentation de l'intensité des événements extrêmes, risquent d'entraîner une diminution du niveau de service des réseaux de drainage. Dès lors, des mesures d'adaptation doivent être mises en place afin de maintenir un niveau de service acceptable en climat futur dans un contexte de changements climatiques. Dans cette étude, le climat futur a été modélisé en considérant une augmentation de 15% de l'intensité des pluies de conception de type SEA et triangulaire pour les périodes de retour 2, 5, 10 et 20 ans à l'horizon 2040 - 2070. Le présent mémoire rend compte des résultats de simulation, à l'aide du logiciel SWMM 5.0, concernant l'évolution des performances en climat futur de deux secteurs urbains (un réseau unitaire et un réseau pluvial) par différents indices soit les indices inondation, infiltration, volume de surverse et volume à l'usine pour le réseau unitaire et les indices inondation, infiltration, ruissellement et débit de pointe à l'exutoire pour le réseau pluvial. Les résultats ont montré, pour le réseau unitaire, une augmentation des volumes de surverse pour toutes les périodes de retour en climat futur (par exemple, une augmentation de 19% a été notée pour une pluie de récurrence 10 ans). La mise en place de mesures d'adaptation sur ce réseau, telles le contrôle à la source et la rétention, a ensuite été analysée et a montré son efficacité dans l'amélioration des performances. Ainsi, les mesures de contrôle à la source se sont révélées efficaces pour des périodes de retour 2 ans et complémentaires au bassin de rétention en permettant une réduction de 7% de son volume de conception. Par ailleurs, il a été démontré qu'une faible capacité de traitement de l'usine ne permettait pas aux mesures de rétention de montrer leur plein potentiel. Pour le réseau pluvial, les changements climatiques se sont avérés avoir un impact plus important sur le débit de pointe que les conditions antérieures d'humidité.