Reconstructing the Natural Streamflow of a Regulated River: A Case Study of La Grande Rivière, Québec, Canada

Abstract

The regulation of rivers by dams, diversions, and reservoirs leads to perturbed streamflow time series, making it difficult for hydrological studies to assess natural trends and variability in runoff. This case study applies a variation of Hirsch’s maintenance of variance extension (MOVE) method to reconstruct La Grande Rivière’s 1979-2004 natural streamflow. The 1960-2004 hydrometric data for the Eastmain River and Grande Rivière de la Baleine are summed and compared with the 1960-1978 pre-regulated runoff time series of La Grande Rivière. Statistical analyses reveal a reasonable Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) index (Ef = 0.58) and near 1:1 ratio between the standardized anomalies of the two river combination and La Grande Rivière’s 1960-1978 natural flow records. The accuracy of the proposed method is confirmed by the low error rates and a reasonably high NSE index (Ef = 0.64) exhibited between La Grande Rivière’s 1960-1978 observed and reconstructed monthly streamflow time series. Moreover, the reconstructed flows exhibit variability and a natural flow pattern that is indicative of nival rivers, whereas the 1984-2004 regulated flow rates from Hydro-Québec show minimal streamflow variability and a flattened annual hydrograph. Trend analyses (1960-2004) in total annual runoff reveal opposite trends from the Eastmain and Grande Rivière de la Baleine that offset each other to yield no trend when these two rivers are used to reconstruct La Grande Rivière’s streamflows. The methodology applied in this study is a reliable way to complete the hydrometric record of La Grande Rivière, making it more feasible for future studies to investigate the natural variations and possible effects of climatic forcings on the hydrological cycle of the regulated river.

La réglementation des rivières par des barrages, détournements, et réservoirs donnent des séries hydrométriques perturbées, ce qui rend difficile l’étude des tendances et de la variabilité naturelle dans ces systèmes. Cette étude de cas applique une méthode développée par Hirsch qui conserve la variabilité dans un système afin de reconstruire les débits naturels de La Grande Rivière pour la période 1979-2004. Des données hydrométriques de 1960 à 2004 pour les bassins versants contiguës de la Rivière Eastmain et Grande Rivière de la Baleine sont ajoutées et comparées à celles de 1960 à 1978 pour La Grande Rivière, avant la construction des infrastructures hydroélectriques. Des analyses statistiques révèlent un haut coefficient d’efficacité Nash-Sutcliffe (ENS; Ef = 0.58) et un rapport près de 1:1 entre les débits normalisés des deux rivières combinées et ceux de La Grande Rivière pour la période 1960-1978. La précision de la méthode est vérifiée par le faible taux d’erreurs et un niveau élevé de l’indice ENS (Ef = 0.64) entre les débits mensuels observés et reconstruits de La Grande Rivière. De plus, les débits reconstruits pour La Grande Rivière révèlent une variabilité et un régime naturel indicatif d’un système nival, alors que les débits anthropiques d’Hydro-Québec de 1984 à 2004 ont peu de variabilité entre chaque mois et un hydrographe annuel aplati. Une analyse des tendances (1960-2004) des débits totaux annuels révèle une hausse (baisse) pour la Rivière Eastmain (Grande Rivière de la Baleine) qui entraîne aucune tendance pour les débits naturels de La Grande Rivière. La méthode appliquée dans cette étude est donc fiable pour reconstruire les débits naturels de La Grande Rivière, permettant à d’autres études d’investiguer la variabilité naturelle et les effets des changements climatiques sur le cycle de l’eau dans un bassin versant réglementé.