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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.

La connaissance de la fonction de distribution d'une variable hydrologique constitue l'étape finale de la recherche en vue de comprendre toutes ses propriétés statistiques et son comportement probable à court et à long terme. Dans cette étude, on analyse les débits de la rivière des Outaouais en aval de ses tributaires lorsque les caractéristiques hydrologiques et statistiques des sections d'amont ainsi que celles des tributaires, sont connues. Le modèle consiste, donc, à simuler les différentes fonctions de distribution sur le cours d'eau principal du bassin de la rivière des Outaouais pour l'année entière, la période normale de l'année, la période de crue, la fin d'avril et le début de mai. Le modèle ainsi constitué est calibré à partir des données de débits moyens et maxima bihebdomadaires basées sur les observations effectuées sur une période de 27 ans (1950 à 1976 inclusivement) aux différents tributaires de la rivière des Outaouais. Les débits moyens et maxima bihebdomadaires sont utilisés pour réduire quelque peu la dépendance séquentielle des valeurs. La validité du modèle est vérifiée en comparant les fonctions de distribution calculées avec les données de la rivière des Outaouais et les fonctions de distribution simulées à partir du modèle.

Zugleich: Diss. Naturwiss. Bern. / Literaturverz.

Selon l'UNESCO, la moitié des pays du monde sont confrontés à la problématique de l'aridité. Environ un tiers de la surface de la planète est localisé dans les régions arides ou semi-arides. D'après le GIEC, l'impact du changement climatique sur les ressources en eau est potentiellement plus important dans ces régions, dans le monde entier, ou les ressources en eau sont limitées. Il y existe une grande pression due à l'expansion des populations, l'augmentation de la consommation d'eau par habitant et l'irrigation. Il est clair que la bonne et efficace gestion de l'eau dans les régions semi-arides nécessite des systèmes d'aide à la décision appropriés, y compris des outils de la modélisation hydrologique. L'objectif principal de ce mémoire est d'étudier l'applicabilité de la modélisation hydrologique multi-modèle globale (développe à l'origine pour les climats humides) sous climats arides et semi-arides. La recherche porte sur l'étude des phénomènes hydrologiques, en particulier les débits du cours d'eau de la base de données MOPEX pour les bassins arides et semi-arides. Pour répondre à cet objectif, treize modèles hydrologiques globaux conceptuels ont été testés. Pour cela, une procédure de calage/validation a été mise en place, s'appuyant sur la méthode SST. Ensuite, une analyse de performance a été réalisée selon le critère de Nash, dans un premier temps, pour quantifier l'efficacité des modèles pris individuellement. Dans un deuxième temps, pour analyser l'intérêt de l'approche multi-modèle, trois méthodes de combinaison sont évaluées, l'une basée sur la moyenne simple des débits simulés (SM), utilisant une pondération pour chaque modèle (PM) et la méthode Backward Greedy (BG). Finalement, une étude comparative entre les trois méthodes de combinaison multi-modèle a été réalisée afin d'établir la valeur ajoutée de l'attribution des poids sur chaque modèle. En conclusion les résultats ont nettement montré que l'avantage de la méthode multi-modèle. Dans l'application des trois méthodes multi-modèles : la Moyenne Simple (MS), la Moyenne Pondérée (MP) et Backward Greedy (BG), dans la majorité des bassins les valeurs de la performance de ces méthodes sont supérieurs aux valeurs des modèles individuels. / According to UNESCO half the world's countries are facing the problem of aridity. About a third of the surface of the planet is located in arid or semi-arid regions. According to the IPCC, the impact of climate change on water resources is potentially more important in arid and semi-arid in the world. In arid and semi-arid areas of the world, water resources are limited. There are a lot of pressure due to the expansion of the population, the increase in per capita water consumption and irrigation. It is clear that good and efficient water management in semi-arid regions requires appropriate decision support systems, including hydrological modeling tools. The main objective of this thesis is to study the applicability of the global hydrological modeling multiple model (originally developed for humid climates) in arid and semi-arid. The research focuses on the study of hydrological phenomena, especially the water course flows in the MOPEX database for arid and semi-arid basins. To meet this goal thirteen overall conceptual hydrologic models were tested. For this, a calibration / validation procedure was put in place, based on the SST method. Then, a performance analysis was conducted using the Nash criteria, at first, to quantify the effectiveness of the models individually. Secondly, to analyze the interest of the multi-model approach, three combination methods are evaluated, one based on the simple average of the simulated flow (SM), using a weighting for each model (PM) and method Greedy backward (BG). Finally, a comparative study between the three methods of combining multiple model was performed to determine the added value of the allocation of weight on each model. In conclusion, the results showed the advantage of multi-model method is net of the results. In applying the three multi model methods : Simple Average (MS), the Weighted Average (MP) and Backward Greedy (BG), in most basins values of the performance of these methods are superior to the values of individual models.

Les inondations causées par des épisodes de pluie sur neige en hiver risquent de survenir plus fréquemment avec les changements climatiques. La description de ces épisodes et la quantification de leur impact hydrologique ont été jusque-là peu considérées, en dépit des risques qu'ils posent pour les populations riveraines. Afin d'adapter les modèles prédictifs, il importe plus que jamais de mieux comprendre ces phénomènes. Cette étude examine les conditions initiales de la neige et du sol ainsi que le forçage météorologique ayant un impact sur la réponse hydrologique lors d'épisodes de pluie sur neige en hiver dans le sud du Québec. Sept bassins versants de tailles diverses (54 à 15 515 km²) et huit stations de mesures hydrométéorologiques sont analysés à cet effet. Deux types d'analyses sont proposées. La première est une analyse statistique basée sur des données hydrométriques et météorologiques gouvernementales pour la période allant de 2009 à 2021, ayant permis de définir 95 épisodes de pluie sur neige (ici définis comme un minimum de 3 mm pendant une période de 24 h). On remarque que seuls 55% des épisodes ont un impact hydrologique notable, défini comme Pluie avec ruissellement. Les principaux facteurs affectant la présence d'une réponse hydrologique sont la quantité totale de pluie, la durée de la précipitation et la hauteur initiale de neige. D'autre part, une étude de cas basée sur un travail de terrain ciblé avant, pendant et après deux épisodes de pluie sur neige survenus en février 2022, a notamment permis d'observer les processus de métamorphisme de la neige, de même que la disparité spatiale dans les propriétés du couvert de neige à l'échelle d'un site et même de diverses zones du sud du Québec. La variabilité au niveau de la géographie et les différences de superficie entre les bassins versants sont proposées comme étant les principaux facteurs qui vont contraindre la réponse d'un bassin versant à un épisode de pluie sur neige, en plus de l'occupation du territoire, du type de sol et de l'altitude.

Dans le passé, des inondations dans des municipalités du bassin de la rivière du Lièvre et de la rivière des Mille-Îles, située en aval du bassin, se sont produites. Dans ce contexte, une étude sur l’impact et l’adaptation aux changements climatiques pour le bassin versant de la rivière du Lièvre, située au Québec (Canada) et en aval de celui-ci, a été réalisée. Une méthodologie pour limiter les inondations de la rivière des Mille-Îles a été testée. Cette méthodologie vise aussi à respecter les contraintes de niveau et de débits à soutirer dans les trois réservoirs à forte contenance du bassin de la rivière du Lièvre (Kiamika, Mitchinamecus et Poisson Blanc). La méthodologie globale repose sur le couplage « MRCC-Modèle hydrologique-Modèle de gestion ». Premièrement, les projections climatiques (températures et précipitations) utilisées sont celles du modèle régional du climat canadien (MRCC), couplé au modèle de climat global canadien (MCGC). La simulation hydrologique a été réalisée avec le modèle hydrologique Hydrotel pour fournir les débits dans différents points du bassin versant à l’étude. Finalement, le modèle de gestion fait appel à un modèle d’optimisation non linéaire avec recours, qui optimise les débits à soutirer des réservoirs. L’étude a été réalisée en utilisant un outil de gestion de réservoirs créé spécifiquement pour ce projet. L’outil est composé de projections hydrologiques d’ensemble, d’un modèle d’optimisation, d’un réseau de neurones, et d’un modèle de bilan d’eau. Les simulations des opérations ont été réalisées au pas de temps journalier en considérant trois scénarios climatiques (historique, de référence et futur). Les critères de performance de vulnérabilité et de fiabilité ont été utilisés pour évaluer la performance des réservoirs. La réserve de crue est le volume d’eau à emmagasiner dans les réservoirs pendant les périodes de crue. L’analyse de la réserve de crue a été réalisée en évaluant la quantité d’eau qui pourrait être retenue dans les réservoirs du système hydrique de la rivière du Lièvre, pour atténuer les risques d’inondation de la rivière des Mille-Îles.

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La prévision d'étiage à long terme est l'une des questions émergentes en hydrologie en raison de la demande croissante en eau en période sèche. Des prévisions fiables de débits à longue échéance (quelques semaines à quelques mois à l'avance) peuvent améliorer la gestion des ressources en eau et de ce fait l'économie de la société et les conditions de vie aquatique. Les études limitées sur les étiages dans la littérature nous a conduit à traiter certaines des questions existantes sur l'hydrologie des étiages, principalement sur la simulation et la prévision des étiages. Notre objectif final de développer une approche d'ensemble pour la prévision à long terme des étiages se décline en plusieurs étapes préalables, telles que la caractérisation des étiages, l'évaluation de mesures existantes d'efficacité des simulations des modèles, le développement d'une version améliorée d'un modèle de simulation des étiages, et enfin l'intégration d'une approche de prévision d'ensemble. Un ensemble de bassins distribués partout en France avec une variété de conditions hydro-météorologiques a été utilisé pour l'évaluation des modèles. Cet échantillon de données a d'abord été analysé et les étiages ont été caractérisés en utilisant divers indices. Notre objectif de mieux évaluer les simulations des étiages par les modèles a conduit à proposer un critère basé sur le critère de Nash-Sutcliffe, calculé sur l'inverse des débits pour mettre davantage de poids sur les erreurs sur les très faibles débits. Les résultats montrent que ce critère est mieux adapté à l'évaluation des simulations des étiages que d'autres critères couramment utilisés..Une analyse de sensibilité structurelle a ensuite été menée pour développer une structure de modèle améliorée pour simuler les étiages. Des modèles couramment utilisés ont été choisis ici comme modèles de base pour commencer l'analyse de sensibilité. Le modèle développé, GR6J, atteint de meilleures performances à la fois sur les faibles et les hauts débits par rapport aux autres modèles existants testés. En raison de la complexité du processus pluie-débit et de l'incertitude liée aux conditions météorologiques futures, nous avons développé une approche d'ensemble pour émettre des prévisions et quantifier les incertitudes associées. Ainsi l'approche d'ensemble fournit une gamme de valeurs futures de débits sur la plage de prévision. Ici, la climatologie a été utilisée pour fournir les scénarios météorologiques en entrée du modèle pour réaliser les prévisions. Pour réduire le niveau d'incertitude lié au modèle hydrologique, des combinaisons variées de procédures de mise à jour et de corrections de sortie ont été testées. Une approche directe, similaire à ce qui peut être fait pour la prévision des crues, a été sélectionnée comme la plus efficace. Enfin, des essais ont été réalisés pour améliorer la qualité des prévisions sur les bassins influencés par les barrages, en tenant compte des variations de stockage dans les barrages amont. Testée sur les bassins de la Seine et de la Loire, l'approche a donné des résultats mitigés, indiquant le besoin d'analyses complémentaires. / Long-term stream low-flow forecasting is one of the emerging issues in hydrology due to the escalating demand of water in dry periods. Reliable long-lead (a few weeks to months in advance) streamflow forecasts can improve the management of water resources and thereby the economy of the society and the conditions for aquatic life. The limited studies on low flows in the literature guided us to address some of the existing issues in low-flow hydrology, mainly on low-flow simulation and forecasting. Our ultimate aim to develop an ensemble approach for long-term low-flow forecasting includes several prior steps such as characterisation of low flows, evaluation of some of the existing model's simulation efficiency measures, development of a better model version for low-flow simulation, and finally the integration of an ensemble forecasting approach. A set of catchments distributed over France with various hydrometeorological conditions are used for model evaluation. This data set was first analysed and low flows were characterized using various indices. Our objective to better evaluate the models' low-flow simulation models resulted in the proposition of a criterion based on the Nash-Sutcliffe criterion, but calculated on inverse flows to put more weight on the errors on extreme low flows. The results show that this criterion is better suited to evaluate low-flow simulations than other commonly used criteria. Then a structural sensitivity analysis was carried out to develop an improved model structure to simulate stream low flows. Some widely used models were selected here as base models to initiate the sensitivity analysis. The developed model, GR6J, reaches better performance in both low- as well as high-flow conditions compared to the other tested existing models. Due to the complexity of rainfall-runoff processes and the uncertainty linked to future meteorological conditions, we developed an ensemble modelling approach to issue forecasts and quantify their associated uncertainty. Thus the ensemble approach provides a range of future flow values over the forecasting window. Here observed (climatological) rainfall and temperature were used as meteorological scenarios fed the model to issue the forecasts. To reduce the level of uncertainty linked to the hydrological model, various combinations of simple updating procedures and output corrections were tested. A straightforward approach, similar to what can be done for flood forecasting, was selected as it proved the most efficient. Last, attempts were made to improve the forecast quality on catchments influenced by dams, by accounting for the storage variations in upstream dams. Tested on the Seine and Loire basins, the approach showed mixed results, indicating the need for further investigations.