Ce document défend la thèse selon laquelle les prévisions hydrologiques d'ensemble possèdent une utilité opérationnelle supérieure à celle de leur contrepartie déterministe, autant dans le cas des prévisions basées sur des réseaux de neurones que pour des prévisions provenant d'un modèle hydrologique physique couplé à des prévisions météorologiques d'ensemble. Pour ce faire, deux séries de prévisions hydrologiques d'ensemble sont produites. La première série exploite un ensemble de réseaux de neurones tandis que la deuxième série provient du modèle hydrologique physique HYDROTEL auquel sont fournies des prévisions météorologiques d'ensemble issues de deux modèles atmosphériques développés par Environnement Canada. Puisque la simplicité de mise en oeuvre des réseaux de neurones de type perceptron multicouches le permet, ceux-ci sont testés sur six bassins versants. Les prévisions provenant du modèle HYDROTEL, quant à elles, concernent uniquement le bassin versant de la rivière Gatineau, qui comporte plusieurs ouvrages de production hydroélectrique. Cette particularité permet l'étude de la performance économique des prévisions hydrologiques d'ensemble pour la gestion du système. De plus, cette expérience se déroulant en période de crue, on peut démontrer l'intérêt des prévisions d'ensemble pour la prévention des débordements dans ce secteur. Par ailleurs, une comparaison entre les prévisions d'ensemble et les débits observés est effectuée à l'aide de critères de performance spécifiques aux prévisions d'ensemble, tels que le Continuous Ranked Probability Score ainsi que sa décomposition. Cette approche répandue chez les partisans des modèles physiques est toutefois novatrice du point de vue des ensembles neuronaux. Elle permet de démontrer la pertinence de conserver l'intégralité de l'ensemble neuronal plutôt que de l'agréger en une valeur moyenne, puisque l'ensemble offre une performance prévisionnelle supérieure. VI L'analyse des prévisions brutes, toute provenance confondue, révèle la présence d'un biais ainsi qu'une sous-estimation de l'incertitude (sous-dispersion) importante. Consé-quemment, quatre méthodes de post-traitement des prévisions sont appliquées et comparées. Ces méthodes, majoritairement basées sur une procédure de type noyaux, sont aussi testées sur deux jeux de prévisions d'ensemble synthétiques simples, afin d'effectuer une expérience plus théorique pour laquelle la réponse attendue est connue.

La modélisation des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques d’un territoire est une préoccupation grandissante pour la communauté scientifique œuvrant dans les domaines des ressources en eau. Cette tâche est complexe car elle recèle de nombreuses incertitudes se cumulant lors du processus de modélisation, de la définition des scénarios de gaz à effet de serre jusqu’à la réalisation des projections hydrologiques. L’ensemble des outils de modélisation employés influence alors potentiellement notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques. Dans ce contexte, l’incertitude de modélisation associée à 20 modèles hydrologiques globaux conceptuels, 24 formules d’évapotranspiration potentielle et 7 modules de neige a été évaluée sur deux bassins versants : au Saumon (Province de Québec, Canada) et Schlehdorf (État de la Bavière, Allemagne). Les travaux menés cherchent à apprécier dans un premier temps la capacité de transposabilité des modèles hydrologiques ainsi que matérialiser l’intérêt d’une approche multimodèle dans ce contexte de changements climatiques. Par la suite, la démarche évalue la contribution des différents outils à l’incertitude cumulée, puis cherche à comprendre l’origine de leur sensibilité. Cette analyse s’appuie sur l’usage de critères de performance, de représentations graphiques des écoulements, d’outils statistiques et d’indicateurs hydrologiques du changement. Les incertitudes liées aux membres climatiques sont également évaluées pour le bassin versant québécois et permettent une comparaison avec les outils principalement étudiés. Les résultats révèlent que notre capacité à produire un diagnostic de l’incidence du changement climatique sur le régime hydrique des deux bassins versants est distinctement affectée par le choix des outils hydro-météorologiques globaux conceptuels. Chacun de ceux-ci ajoute à l’incertitude avec cependant une plus grande prédominance liée au choix des formules d’évapotranspiration potentielle et des modèles hydrologiques, les modules de neige étant eux plus transparents. Néanmoins, l’analyse comparative indique que le choix du membre climatique apporte encore plus à l’incertitude cumulée que les outils spécifiquement évalués. Ces travaux permettent d’apporter une réponse détaillée sur notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques de deux bassins, ainsi que de proposer une démarche méthodologique originale pouvant être directement appliquée ou adaptée à d’autres contextes hydro-climatiques. / Modeling climate change impacts on water resources remains one of the major challenges for the scientific community. This task is complex and contains numerous cumulated uncertainties all along the modeling process, from the greenhouse gas scenarios definition to the hydrological projections. All the modeling tools can thus potentially affect our ability to render a diagnosis of the impacts of climate changes on water resources. In this context, modeling uncertainty related to 20 lumped conceptual hydrological models, 24 potential evapotranspiration formulations, and 7 snow modules was evaluated on two catchments: au Saumon (Province of Quebec, Canada) and Schlehdorf (State of Bavaria, Germany). This work first assessed the transposability in time of the hydrological models and examined the interest of the multimodel approach in a climate change context. Then, contribution of the different tools to cumulated uncertainty is evaluated, followed by an investigation of individual sensitivity origins. This analysis was based on performance criteria, discharge graphical displays, statistics tools, and hydrological indicators of changes in water resources. More, uncertainties related to climatic members are also appraised on the Quebec catchment to allow a direct comparison with the principal studied tools. Results demonstrated that our capacity to render a diagnosis of the impacts of climate change on water resources on the two studied catchments was highly connected to the choice of the hydro-meteorological lumped modeling tools. Each one contributed to the total uncertainty; however, with a larger prevalence for the potential evapotranspiration formulations and hydrological models, snow modules being more neutral. Nevertheless, comparative analysis showed that the selection of a climatic member was affecting the total uncertainty the most. This research proposed a detailed analysis on our capacity to realise a diagnosis of the impacts of climate change on water resources for two studied catchments and provided a specific and original methodology directly applicable and adjustable to other hydro-climatic contexts.

Les inondations présentent une grande menace à la sécurité humaine et matérielle. Les effets associés à ces phénomènes naturels risquent d'augmenter encore plus avec les tendances liées aux changements climatiques. Il est donc important de disposer d'outils de prévision et de prévention des crues fiables afin de mitiger les conséquences dévastatrices reliées. La mise en œuvre de ces outils implique des processus physiques assez complexes et nécessite beaucoup de données avec toute l'incertitude associée. Dans cette thèse, on explore les différentes sources d'incertitudes liée à la détermination des niveaux d'eau en rivières principalement dans un contexte de prévision où l'incertitude liée aux données de forçage est très importante. Les analyses conduites sont appliquées à la rivière Chaudière au Québec. En premier lieu, nous avons exploré les différentes sources paramétriques d'incertitude associées à la modélisation hydraulique dans un contexte de simulation avec un accent sur l'amélioration de la calibration du modèle hydraulique. Par la suite, dans un contexte de prévision opérationnel, on a évalué la propagation des sources d'incertitude de la prévision atmosphérique au modèle de rivière en passant par les prévisions hydrologiques avec des techniques probabilistes d'ensemble. La quantification de l'incertitude a montré que les données de forçage sont celles qui contribuent le plus à la description de l'incertitude dans la détermination des niveaux d'eau. L'incertitude paramétrique, dans un contexte de prévision, est quant à elle négligeable. Le recours à des prévisions d'ensemble a permis de produire une prévision de niveau d'eau assez fiable et a montré que celle-ci est fortement liée à la qualité des données qui proviennent de la chaine de prévision hydrométéorologique à l'amont du système de prévision proposé. / Floods are a major threat to human and infrastructure security. The impacts of these natural hazards are likely to increase further with climate change trends. It is therefore important to develop reliable flood forecasting and mitigation tools to help reduce their devastating consequences. The implementation of these tools involves quite complex physical processes and requires a lot of data with all the associated uncertainty. In this thesis, we explore and evaluate the different sources of uncertainty related to the determination of water levels in rivers mainly in a forecasting context where the uncertainty related to forcing data is very important. The analysis carried out is applied to the Chaudière River in Quebec. First, we explored the various parametric sources of uncertainty associated with hydraulic modelling in a simulation context with a focus on improving the calibration of the hydraulic model. Then, in an operational forecasting context, we evaluated the propagation of uncertainty sources from climate forecast to the river model through hydrological forecasting using ensemble driven techniques. Quantification of uncertainty showed that forcing data contribute the most to the description of uncertainty in water level determination and the parametric uncertainty, in a forecasting context, is very negligible. The adoption of ensemble forecasts allowed us to provide reliable water level forecasts and showed that they are highly dependent on the quality of the data produced by the hydrometeorological forecast chain upstream of the proposed forecasting system.

Dans le cadre de ce travail, nous avons quantifié l’impact des incertitudes hydrologiques et climatiques sur la production hydroélectrique dans le bassin de la rivière Gatineau. L’approche mise en œuvre repose sur des simulations climatiques, la modélisation hydrologique et l'optimisation de l'exploitation des réservoirs. Les résultats hydrologiques confirment ce que d’autres études ont déjà montré, à savoir un hydrogramme plus contrasté, marqué par une fonte des neiges plus précoce et un volume de crue plus important, suivi d’une saison estivale plus sèche que par le passé. En termes de production d’énergie, cela se traduit par une production attendue d’énergie supérieure mais également plus variable. Ce gain d’énergie se produit essentiellement à la fin de l’hiver-début du printemps et fait suite aux précipitations plus importantes sur le bassin au cours de l’hiver. Compte tenu des caractéristiques physiques du système (capacités de stockage et de turbinage), les modifications du régime hydrologique entrainent des déversements supplémentaires, essentiellement pendant la fonte des neiges. / This research quantifies the impact of hydrological and climatic uncertainties on hydropower generation in the Gatineau River basin. The proposed approach is based on climate simulations, hydrological modeling and optimization of reservoir operation. Hydrological results from this study confirm what other studies have shown, a more mixed hydrograph marked by earlier snow melting and greater flood volume, followed by drier summers than in the past. In terms of energy production, this translates into an expected increase in energy but also in a more variable production. This gain of energy mainly occurs in the late winter-early spring and follows the higher rainfall in the basin during the winter. Given the physical characteristics of the system (storage and turbine capacity), changes in the hydrological regime entail additional spills, mainly during snowmelt.

Cette thèse porte sur l'amélioration d'une méthode de prévision probabiliste des précipitations adaptée par analogie, appliquée aux grands bassins versants de la Saône et de la Seine. En considérant un jour cible dont on souhaite prévoir les précipitations, cette méthode permet de rechercher dans une archive les situations météorologiques passées les plus similaires. Les cumuls pluviométriques des journées analogues sont ensuite exploités pour estimer de manière probabiliste la quantité de précipitations attendue pour le jour cible. Une étape préliminaire consiste à construire et à choisir les archives nécessaires à l'application de ce type de méthode. A partir de l'algorithme de sélection d'analogues développé par Bontron (2004) sur des bassins du Sud-Est de la France, la méthode de prévision est ensuite améliorée en introduisant deux nouvelles variables : la température, qui permet de prendre en compte les effets saisonniers ; et la vitesse verticale, qui vise à mieux caractériser les mouvements atmosphériques verticaux. Finalement, la méthode est appliquée en contexte de prévision parfaite (situations cibles extraites de réanalyses) sur la plus longue période possible, puis en contexte opérationnel (situations cibles générées par un modèle de prévision) sur une durée de trois ans. Les scénarios de prévision de précipitations sont également exploités par le modèle pluie-débit GR3P pour la prévision des débits sur les bassins de la Saône et de la Seine. De manière générale, les résultats montrent qu'avec ce type d'approche, il est possible d'obtenir une prévision de débit utile, sur les grands bassins tests, pour une échéance de l'ordre de la semaine.

Le secteur de l'énergie occupe une place prédominante dans l'économie du Québec avec plus de 96% de l'électricité consommée qui provient des centrales hydroélectriques d'Hydro-Québec. Dans un contexte de changement climatique, toutes informations concernant le changement des caractéristiques des débits de rivière sont importantes pour la gestion et la planification future de l'opération des centrales et des réservoirs de stockage. Dans la présente étude, l'objectif principal est d'estimer les niveaux de retour des débits de crue et de quantifier le changement de l'intensité de ceux-ci dans le futur dans un contexte de changement climatique. Les changements appréhendés des niveaux de retour de 5, 10, 30, et 50 ans sont ainsi estimés à l'aide des simulations du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC). Cette analyse est faite pour les débits de crue de 21 bassins versant couvrant la majorité du Québec à l'aide de l'approche d'analyse de fréquence régionale (RFA). Les flux de ruissellement d'un ensemble de dix membres du MRCC, dont cinq simulent la période de référence 1970-1999 et les cinq autres sont les simulations correspondantes pour la période future de 2041-2070, sont utilisés dans cette étude pour alimenter un schéma de routage WATROUTE (modifié). En plus du calcul des changements appréhendés et de la détermination des résultats statistiquement significatifs, une tentative est faite pour identifier le niveau de confiance du signal de changement climatique pour les différents bassins versant à l'étude. Malgré la différence entre les paires de simulations pour certains bassins, la moyenne d'ensemble des changements appréhendés montre une augmentation des niveaux de retour des débits de crue pour la plupart des bassins du domaine. En particulier, le changement des événements extrêmes associés aux périodes de retour de 5 et 10 ans (en comparaison avec les périodes de retour de 30 et 50 ans) est trouvé plus souvent statistiquement significatif pour les bassins nordiques en comparaison avec les autres. Aussi, la confiance des changements appréhendés pour les différents niveaux de retour semble être plus élevée pour ces bassins nordiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : changement climatique, débit de crue, régions homogènes, Québec, modélisation régionale du climat, analyse de fréquence régionale

Le fonctionnement optimal d'un système de réservoirs est un processus décisionnel complexe impliquant, entre autres, l'identication d'un compromis temporel concernant l'utilisation de l'eau : la dernière unité d'eau doit-elle être conservée ou plutôt utilisée pour un usage immédiat? La variabilité des apports hydrologiques complique encore davantage ce processus décisionnel puisque la recherche de ce compromis doit être effectuée sans une connaissance parfaite des conditions futures. De manière générale, l'équilibre optimal entre les utilisations immédiates et futures de l'eau nécessite l'intégration de règles de gestion à court et à long terme. Si les règles à court terme conduisent à des décisions à courte vue, les stratégies opérationnelles à long terme ne sont pas appropriées pour gérer des événements à court terme tels que les inondations. Nous proposons un cadre de modélisation basé sur l'approche de décomposition temporelle (DT) : Les stratégies à moyen/long terme sont tout d'abord déterminées puis utilisées comme limites pour l'optimisation des stratégies à court terme. Le modèle d'optimisation à moyen terme capture la persistance temporelle trouvée dans le processus des apports hydrologiques hebdomadaires, alors que les prévisions hydrologiques d'ensemble (PHE) sont utilisées pour piloter le modèle à court terme sur un pas de temps journalier. Plus spécifiquement, la programmation dynamique stochastique duale (SDDP) génère les fonctions des bénéces de valeur hebdomadaires qui sont ensuite imposées à un modèle de programmation linéaire implémenté sur chaque membre des PHE de 14 jours. Ce cadre de modélisation est mis en oeuvre selon un mode de gestion en horizon roulant sur une cascade de centrales hydroélectriques dans le bassin de la rivière Gatineau dans la province du Québec au Canada. À l'aide de ce cadre de modélisation, nous analysons la relation entre la valeur économique et les caractéristiques statistiques des PHE. Les résultats montrent que l'énergie générée par le système hydroélectrique augmente avec la précision et la résolution de la prévision, mais que la relation n'est pas univoque. En effet, d'autres facteurs semblent contribuer à l'utilité de la prévision / The optimal operation of a system of reservoirs is a complex decision-making problem involving, among others, the identification of a temporal trade-offs regarding the use of water. Should the last unit of water be kept in storage or rather be released for use downstream? The variability of natural inflows further complicates this decision-making problem: at any given point in space and time, this trade-off must be made without a perfect knowledge of future reservoir in flows. Generally speaking, the optimal balance between immediate and future uses of water requires the integration of short- and long-term policies. If short-term policies lead to shortsighted decisions, long-term operational strategies are not appropriate to handle short-term events such as floods. We propose a modeling framework based on the time decomposition (TD) approach: mid/long-term policies are determined first and then used as boundary conditions for the optimization of short-term policies. The mid-term optimization model captures the temporal persistence found in the weekly streamflow process whereas Ensemble Streamflow Forecasts (ESF) are used to drive the short-term model on a daily time step. More specifically, a Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP) generates the weekly benefit-to-go functions that are then imposed to a linear programming model implemented on each 14-days member of the ESF. This modelling framework is implemented in a rolling-horizon mode on a cascade of hydropower stations in the Gatineau River basin, Quebec, Canada. Using this modelling framework, we analyze the relationship between the economic value of different sets of short-term hydrologic forecasts. The results show that the energy generated by the hydropower system increases with the forecast's accuracy and resolution but that the relationship is not univocal; other factors seem to contribute to the forecast's utility.

Depuis plusieurs années, la prévision d'ensemble suscite beaucoup d'intérêt en météorologie et en hydrologie. Le dessein de ce type de prévisions est d'évaluer l'incertitude du système pour la présenter sous la forme d'un ensemble de prévisions probables. En hydrologie, la prévision d'ensemble (PHE) est produite en fournissant au modèle pluie-débit les prévisions météorologiques d'ensemble (PME). La valeur ajoutée de cette prévision, comparée à la prévision hydrologique déterministe typique (PHD), pourrait s'avérer d'une grande utilitée pour la gestion en situation de crue. Dans le cadre de cette maîtrise, des PHE de débits et de niveaux sont produites sur le bassin versant du Haut Saint-François pour deux périodes qui ont connu des événements de crues. Les PHE de débits sont simluées en fournissant au modèle hydrologique HYDROTEL la PME issue du système opérationnel d'ensemble canadien. Ces PHE se sont avérées plus performantes que les PHD à partir de l'horizon 24 heures. L'évaluation des PHE obtenues a également démontré que les PHE sous-estiment l'incertitude réelle du système. Cette sous-dispersion de l'ensemble, prononcée lors des premiers pas de temps, s'atténue avec l'horizon. Pour corriger cette sous-dispersion des débits, un post-traitement par la méthode du meilleur membre est appliqué. Cette méthode s'avère efficace et permet d'améliorer la fiabilité de la prévision. Par contre, le post-traitement crée une discontinuité temporelle des hydrogrammes. Pour pallier cette situation, les PHE brutes sous-dispersées sont donc fournies en entrée au modèle hydraulique HEC-RAS pour estimer les niveaux d'eau. Ces prévisions d'ensemble de niveaux présentent également une sous-dispersion, et cela peu importe l'horizon de prévision. L'analyse des prévisions émises les jours précédents les événements de crues a finalement permis de faire quelques observations. Pour l'un des événements, les prévisions probabilistes ont réussi à anticiper l'événement deux jours plus tôt que la prévision déterministe. À 24 heures de préavis, l'incertitude sur les prévisions émises était importante pour les deux événements étudiés. Ce mémoire constitue un premier pas vers l'implantation d'un système opérationnel utilisant les prévisions hydrologiques d'ensemble.

Ce travail propose d'évaluer, dans le cas des bassins versants de la Loire supérieure, l'intérêt de modèles pluie-débit globaux pour la prévision opérationnelle des crues rapides.<br /><br />Après une description du bassin à Bas-en-Basset, l'analyse critique des jeux de données disponibles met en évidence leur richesse, mais aussi leurs défauts. La grande variété des événements hydrométéorologiques touchant ces bassins apparaît particulièrement intéressante pour comparer des modèles hydrologiques.<br /><br />Des modèles conceptuels simples sont apparus plus robustes et souvent plus performants que des modèles statistiques ou des réseaux de neurones artificiels. Des critères spécifiques à la prévision des crues mettent en évidence les informations sur l'évolution immédiate des débits apportées par la transformation de la pluie en débit, même si les erreurs de modélisation restent importantes et finalement proches d'un modèle à l'autre.<br /><br />Un effort particulier a été porté sur l'estimation par krigeage des précipitations moyennes spatiales, pour lesquelles un modèle d'erreur est proposé et validé sur les données. Ces incertitudes, propagées dans les modèles pluie-débit, contribuent, selon la taille des bassins, à une part variable de l'erreur totale de modélisation.<br /><br />Enfin un travail exploratoire a montré l'intérêt d'inclure des prévisions de pluies probabilisées dans une chaîne hydrométéorologique, pour augmenter les délais d'anticipation et prendre en compte les incertitudes associées. Toutefois, la disponibilité de ces prévisions impose des traitements préalables à leur utilisation.<br /><br />Il ressort que des outils simples peuvent laisser envisager des améliorations dans ce domaine encore très perfectible de la prévision des crues.

Les bassins de la région Cévennes-Vivarais subissent des crues récurrentes, générées par des épisodes de précipitations intenses, généralement en automne. La prévision de ces crues est une préoccupation majeure, nécessitant l'anticipation maximale pour le déclenchement de l'alerte, ainsi que la meilleure estimation possible des débits futurs. Après avoir dressé un panorama des éléments nécessaires à l'élaboration de prévisions hydrologiques, avec leurs incertitudes associées, nous proposons une approche simple et modulaire, adaptée aux bassins versants à réponse rapide (temps au pic de quelques heures). Compte tenu de l'anticipation souhaitée (24-48h), les prévisions quantitatives de précipitations constituent un élément clé de la démarche. Nous décrivons et évaluons deux sources de prévisions disponibles, i.e. la prévision d'ensemble EPS du CEPMMT et la prévision élaborée par adaptation statistique (analogie) au LTHE, puis nous proposons une correction de la seconde qui améliore encore sa fiabilité. Ces prévisions sont ensuite désagrégées des pas 12 ou 24h au pas horaire, via un désagrégateur flexible, générant des scénarios qui respectent les prévisions de précipitations et la structure climatologique horaire des averses. Ces scénarios forcent un modèle hydrologique, simple et robuste, pour élaborer une prévision hydrologique ensembliste. Il ressort alors que les prévisions hydrologiques sont sensiblement améliorées lorsqu'elles intègrent une information sur la répartition infra-journalière des cumuls de précipitations prévus, issue soit des EPS à 6 ou 12h, soit de la méthode des analogues appliquée au pas de 12h, soit d'une combinaison des deux approches.