Les problèmes d'allocation des ressources en eau deviennent de plus en plus complexes, car les approvisionnements en eau peinent à suivre la demande croissante en eau, alimentée par la croissance de la population et l'augmentation des normes de vie. L'incertitude hydroclimatique aggrave le problème, en particulier dans les régions déjà caractérisées par la variabilité climatique, c'est-à-dire les fluctuations pluriannuelles de la température et des précipitations, et/ou sensibles au changement climatique. La détermination de politiques d'allocation efficaces et socialement acceptables est au cœur de la gestion intégrée des ressources en eau. Lorsqu'un système de ressources en eau comprend plusieurs réservoirs, les politiques de libération efficaces n'allouent pas seulement l'eau dans l'espace (entre les utilisateurs d'eau), mais aussi dans le temps (en conservant ou non l'eau en réserve). D'importants efforts de recherche ont été consacrés à l'amélioration de l'efficacité opérationnelle des systèmes multiréservoirs grâce, par exemple, à l'intégration d'informations hydroclimatiques pertinentes dans les modèles d'exploitation des réservoirs. Cette analyse est particulièrement pertinente dans les régions où les signaux climatiques de basse fréquence, tels que les variations pluriannuelles de la température et des précipitations, influencent les régimes hydrologiques des rivières. Dans ces régions, les séries temporelles de débits des rivières montrent des patterns qui correspondent à ces régimes hydrologiques. Le fait de ne pas capturer correctement ce comportement de type régime conduit à des politiques d'exploitation sous-optimales, en particulier dans les systèmes caractérisés par une grande capacité de stockage. Cette recherche aborde cette question en développant et en évaluant la valeur de politiques de libération adaptées au climat pour les systèmes multiréservoirs dans les régions sensibles au climat. Pour ce faire, nous combinons une technique d'optimisation à grande échelle (Programmation Dynamique Stochastique dual- SDDP) avec un Modèle de Markov Caché. La variante proposée, intitulée SDDP-HMM, capture la persistance à long terme qui caractérise le régime des écoulements dans les régions exposées à la variabilité climatique, et fournit donc des politiques d'exploitation des réservoirs adaptées à différents états climatiques (par exemple, sec, normal ou humide). Pour évaluer les avantages associés aux politiques de libération dérivées du climat, l'extension proposée est testée et comparée aux formulations traditionnelles en utilisant le bassin du fleuve Sénégal (SRB) comme exemple. Le régime hydrologique du SRB présente des périodes sèches, normales et humides sur plusieurs années. De plus, le bassin connaît des développements hydrauliques et agricoles rapides qui devraient se poursuivre dans les décennies à venir. Les résultats montrent que les politiques adaptées au climat sont particulièrement pertinentes pendant les extrêmes hydrologiques, indiquant que les politiques dérivées de SDDP-HMM offrent une meilleure protection contre des conditions hydrologiques défavorables. S'appuyant sur les enseignements tirés de la première activité, la recherche s'est ensuite tournée vers l'identification d'un ensemble de politiques adaptées pour faire face à la fois à la variabilité climatique et au changement climatique. L'objectif ici est d'investiguer si les politiques adaptées au climat sont susceptibles de rester pertinentes ou non en cas de changement climatique. Pour ce faire, un nouveau cadre de modélisation basé sur un grand ensemble de projections hydrologiques est proposé. Encore une fois, en utilisant le bassin du fleuve Sénégal comme étude de cas, une analyse comparative des politiques de libération pour différentes altérations possibles du régime des écoulements révèle que les avantages associés aux politiques adaptées au climat sont modérés en cas d'altérations les plus extrêmes, tandis qu'ils restent significatifs en cas d'altérations plus modérées. / Water resources allocation problems are increasingly challenging as water supplies can barely keep up with exploding water demands fuelled by population growth and rising living standards. Hydroclimatic uncertainty exacerbates the problem, especially in regions already characterized by climate variability, i.e. multiyear fluctuations in temperature and precipitation, and/or sensitive to climate change. Determining efficient and socially-acceptable allocation policies is at the heart of integrated water resources management (IWRM). When a water resources system includes multiple reservoirs, efficient release policies not only allocate water in space (between water users) but also in time (by keeping or not the water in storage). Significant research efforts have been devoted to improving the operational effectiveness of multireservoir systems through, for example, the incorporation of relevant hydroclimatic information into reservoir operation models. This effort is particularly relevant in regions characterized by low-frequency climate signals, where time series of river discharges exhibit regime-like behavior. Failure to properly capture such regime-like behavior yields suboptimal operating policies, especially in systems characterized by large storage capacity. This research addresses this issue by developing and then assessing the value of climate-tailored release policies for multireservoir systems in climate sensitive regions. To achieve this, we combine a large-scale optimization technique (Stochastic Dual Dynamic Programming - SDDP) with a Hidden Markov Model. The proposed variant, entitled SDDP-HMM, captures the long-term persistence that characterizes the flow regime in those regions exposed to climate variability, and therefore provides reservoir operating policies tailored to different climate states (e.g. dry, normal, or wet). To assess the gains associated with climate-derived release policies, the proposed extension is tested and compared to traditional formulations using the Senegal River Basin (SRB) in West Africa as an example. The SRB's flow regime features multiyear dry, normal, and wet periods. Furthermore, the basin is undergoing rapid hydropower and agricultural developments expected to continue in the coming decades. The results demonstrate that climate-tailored policies are particularly relevant during hydrological extremes, indicating that the SDDP-HMM-derived policies better hedge against adverse hydrologic conditions. Building upon the insights gained from the first activity, the research then shifted to the identification of a portfolio of adapted policies to cope with both climate variability and climate change. The objective here is the investigate whether climate-tailored policies are likely to remain relevant or not under climate change. To achieve this, a new modeling framework organized relying on a large ensemble of hydrologic projections is proposed. Again, using the Senegal River basin as a case study, a comparative analysis of the release policies for different possible alterations of the flow regime reveal that the gains associated with climate-tailored policies are moderate under the most extreme alterations, while they remain meaningful under more moderate alterations.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/142883 |
| Date | 30 April 2024 |
| Creators | Espanmanesh, Vahid |
| Contributors | Tilmant, Amaury |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xviii, 216 pages), application/pdf |
| Coverage | Sénégal (Fleuve) |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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