Ensemble hydrological forecasts for reservoir management of the Shipshaw River catchment using limited data

Abstract

Many hydropower companies continue to rely on expert judgment to manage the operations of their reservoirs. Decision-support systems, composed of a hydrological forecasting system and a reservoir model, can ensure that reservoir operation objectives are attained more effectively than by relying solely on expert judgment. In this study, a simple ensemble inflow forecasting system coupled with a reservoir model is developed and the proposed model-based operational water management decisions are compared with those based on expert judgment for the Shipshaw River in Quebec, Canada. Given that no natural streamflow records are available for the Shipshaw River, the HEC-HMS hydrological model is calibrated using a regionalization method based on physical similarity. The calibrated hydrological model is fed by ensemble meteorological forecasts that include 20 members, with a 10-day horizon and a 6-hour time step. The proposed decision-support system can help avoid small flooding events while potentially improving energy production by 2 to 60% for this case study. The proposed forecasting system also allows water-resource managers to anticipate events with a greater lead time.

RESUMÉ

Plusieurs sociétés propriétaires de centrales hydroélectriques basent la gestion de leurs barrages sur l’expérience du gestionnaire. Dans le cadre de cette étude, un système de prévision d’ensemble du débit de la rivière Shipshaw (Québec, Canada) a été développé et couplé à un modèle de réservoir. L’objectif ce cette étude était de vérifier l’hypothèse selon laquelle un tel outil d’aide à la prise de décision (couplage du système de prévisions hydrologique d’ensemble avec un modèle de réservoir) permettrait à la fois de mieux satisfaire les règles de gestion des réservoirs et de produire plus d’énergie qu’un mode de décision basé sur l’expérience du gestionnaire. Pour pallier au fait que la rivière Shipshaw est non jaugée, une méthode de régionalisation basée sur la similitude physique a été utilisée pour calibrer le modèle hydrologique HEC-HMS. Une fois le modèle hydrologique calibré, il a été alimenté par des prévisions météorologiques d’ensemble d’Environnement et changement climatique Canada (ECCC). Ces prévisions sont constituées de 20 membres, avec un horizon de 10 jours et un pas de temps de 6 heures. Les résultats obtenus valident l’hypothèse de départ: l’utilisation du système d’aide à la décision proposé ici aurait pu aider à éviter des inondations passées et augmenter la production énergétique, de 2 à 60% pour cette étude de cas. Globalement, cet outil peut permettre au gestionnaire l’anticipation d’événements à une plus longue échéance que lorsque la gestion est uniquement basée sur l’expérience. Enfin, la simplicité et la flexibilité de ces deux modèles les rend facilement transférables à d’autres contextes opérationnels où les prévisions sont nécessaires pour compléter la connaissance des experts.

Keywords:

• Hydropower
• reservoir management
• streamflow forecasts
• HEC-HMS
• HEC-ResSim
• ensemble meteorological forecasts
• ungauged catchments
• regionalization by physical similarity

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.