Abstract
L’étude porte sur les changements projetés aux volumes maximums de crues printanières de neuf rivières de la Côte-Nord du Québec à l’horizon 2050. L’analyse fréquentielle des volumes maximums de crue est choisie comme sujet car ces valeurs sont utilisées pour la conception des ouvrages hydrauliques. Les volumes maximums en période de référence et à l’horizon 2050 sont calculés à partir des débits journaliers simulés par le modèle hydrologique global SSARR (streamflow synthesis and reservoir regulation). Les simulations climatiques utilisées comme intrants au modèle hydrologique proviennent de la base de données multi-modèles de la troisième phase du World Climate Research Program’s Coupled Model Intercomparison Project (CMIP3), du modèle régional canadien du climat MRCC4 et du North American Regional Climate Change Assessment Program (NARCCAP). Les simulations directement issues des modèles climatiques et les simulations post-traitées pour la correction du biais des précipitations et des températures sont utilisées pour alimenter le modèle hydrologique. Quatre méthodes de post-traitement sont employées pour la correction du biais. L’ensemble comporte 415 scénarios hydrologiques pour chaque bassin versant étudié. L’analyse fréquentielle sur les volumes maximums est réalisée à l’aide de l’approche du maximum de vraisemblance à partir de la loi ajustant le mieux l’échantillon pour des périodes de retour de 2 ans et 100 ans. Les résultats obtenus projettent un changement moyen à la hausse pour les volumes maximums de crues printanières des bassins des rivières de la Côte-Nord, autant pour la période de retour de 2 ans que pour celle de 100 ans. Cette augmentation est respectivement de 9% et 4%. Toutefois, cette augmentation n’est pas de la même intensité pour tous les bassins. De plus, la méthode de post-traitement utilisée ou l’emploi des sorties directement issues des modèles de climat à une grande influence sur cette projection. La perturbation des observations par la méthode des quantiles maximise les écarts relatifs entre les volumes à l’horizon 2050 et les volumes en période de référence comparativement aux autres méthodes.
This study investigates the projected changes of maximum spring flood volumes for a 2050 horizon for nine rivers located on Québec’s Côte-Nord. Frequency analyses of spring flood volumes were chosen as the study method because these are the values used for the design of hydraulic structures. Spring maximum volumes for reference and 2050 horizon periods are computed using the SSARR (streamflow synthesis and reservoir regulation) global hydrological model’s simulated daily flow. The climate simulations used as input for the hydrological model include global simulations from the third phase of the multi-model ensemble of the World Climate Research Program’s Coupled Model Intercomparison Project (CMIP3), and regional simulation from the Canadian Regional Climate Model CRCM4 and the North American Regional Climate Change Assessment Program (NARCCAP). Climate model outputs and post-treatment bias correction of precipitations and temperatures were applied directly to the hydrological model. Four different post-treatment methods were used for bias correction. The hydrological scenario ensemble included 415 scenarios for each studied watershed. Frequency analysis was performed with the best-fitted distribution for 2-year and 100-year return periods. Results show a mean increase in spring flood volume of 9% and 4% for the 2050 horizon of the Côte-Nord rivers for both 2-year and 100-year return periods, respectively. However, the increase is not uniform among the rivers. Moreover, using direct output from climate models or post-treated scenarios has a great influence on the amplitude of change. The quantile scaling post-treatment method maximizes the relative change between future volumes compared to reference volumes more than the other methods do.
Introduction
Contexte
La Commission d’enquête Nicolet a été chargée d’analyser les circonstances et les conséquences de la crue de la rivière Chicoutimi en 1996. L’une des recommandations de la commission est à l’origine de la loi sur la sécurité des barrages du Québec (Centre d’expertise hydrique du Québec [CEHQ] Citation2014a) et de son règlement (CEHQ Citation2014b). Cette loi classe le risque associé à la présence d’un barrage en fonction de la conséquence de sa rupture. Cette conséquence dépend de la hauteur du barrage, de la contenance du réservoir et des dommages potentiels aux biens et aux personnes en l’aval de l’aménagement. La conséquence encourue détermine la crue de sécurité qui doit passer par les ouvrages d’évacuation sans causer la rupture du barrage. Lorsque la conséquence est considérable, la crue de sécurité requise est la crue maximale probable (CMP), mais si la conséquence est moins élevée, la crue de sécurité équivaut à une crue de période de retour de 100 ans, 1000 ans ou 10 000 ans. Le dimensionnement des ouvrages d’évacuations découle directement de cette crue de sécurité. Il faut rappeler que la loi québécoise sur la sécurité des barrages s’applique à tous les propriétaires de barrages de 2 m ou plus, que leurs activités soient publiques ou privées et que ceux-ci sont dans l’obligation de calculer la crue de sécurité applicable à leur barrage.
L’analyse fréquentielle est appliquée à la crue printanière, causée par le mélange de fonte nivale additionné d’événements de pluie, ou bien à la crue d’été–automne, causée uniquement par la pluie. L’analyse est faite pour les pointes maximums de printemps et d’été–automne et aussi pour les volumes maximums printaniers observés en rivière. Les volumes sont analysés en plus des pointes puisque le réservoir en amont de l’ouvrage de retenu à une capacité d’emmagasinement plus ou moins grande. Dans certains cas, cette capacité d’emmagasinement est suffisante pour laminer la crue et réduire la pointe de l’hydrogramme sortant. Pour la crue d’été-automne l’analyse est faite seulement sur les pointes.
Or, il est maintenant admis que le climat mondial change à cause de l’activité humaine (Intergovernmental Panel on Climate Change [IPCC] Citation2013) et on anticipe que les changements climatiques modifieront l’hydrologie et les crues. Les entreprises publiques et privées concernées par les risques associés aux crues peuvent vouloir qualifier et quantifier cette modification car la durée de vie de certains barrages est supérieure à 100 ans, soit assez longue pour subir les impacts des changements climatiques. Les changements à l’occurrence, l’amplitude et la dispersion des crues ont un impact sur la sécurité et l’exploitation des barrages existants, et sur la conception des nouveaux ouvrages. Il est utile pour les entreprises d’avoir un aperçu des conditions hydrologiques futures afin d’évaluer la nécessité de s’y adapter.
Le problème lié à l’analyse fréquentielle des crues pour un horizon futur est l’absence de série de volumes et de pointes de crues observées. Il faut les générer.
Objectifs et région ciblée
La présente étude vise à décrire les changements projetés aux volumes maximums de crues printanières par analyse fréquentielle pour neuf bassins versant situés sur la Côte-Nord au Québec afin de vérifier s’il existe une tendance future pour cette région. C’est un cas d’adaptation aux changements climatiques par la méthode d’évaluation des volumes maximums fréquentiels. Ces derniers ont été choisis plutôt que les pointes maximales car ils sont la somme des précipitations de neige sur plusieurs semaines et des évènements de pluie durant la période de fonte printanière. L’hypothèse repose sur le fait que le volume maximum printanier incorpore un plus grand nombre d’évènements contrairement aux pointes printanières ou d’été–automnes qui sont plus dépendantes d’un seul évènement de pluie. Selon Sillmann et al. (Citation2013), l’ensemble CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project) tend à sous-estimer l’intensité de la précipitation journalière.
Les positions géographiques des bassins versants utilisés pour l’étude sont montrés à la figure et leurs caractéristiques au tableau . Ce sont, d’ouest en est, les rivières Manicouagan, Godbout, Moisie, Au Tonnerre, Magpie, Romaine, Natashquan, Petit-Mécatina et Saint-Paul. La région de la Côte-Nord a été choisie car plusieurs rivières sont à l’état naturel et le climat est similaire pour l’ensemble des bassins choisis. Leurs apports sont jaugés par le CEHQ et non calculé par bilan hydrique, sauf dans le cas de la rivière Manicouagan. Les apports reconstitués par bilan hydrique sont souvent bruités au niveau journalier. De plus, les séries hydrologiques comportent plus de 20 années de relevés communes avec la météorologie. Des périodes de calibration et de validation du modèle hydrologique de plus de 10 ans sont considérées conformes à la bonne pratique. Un point négatif de cette région est la faible densité de la couverture spatiale des stations météorologiques. Les stations se trouvent en général au sud des bassins versants, proches de l’embouchure des rivières et à proximité des routes, donc la tête des bassins versant, au nord, est moins bien couverte.
Figure 1. Bassins versants du Québec étudiés pour évaluer l’impact des changements climatiques sur le calcul des volumes fréquentiels de crues printanières.
Tableau 1. Caractéristiques physiques et climatique des bassins versant de la Côte-Nord utilisés pour l’étude fréquentielle des volumes de crues printanières.
Tel qu’il est couramment proposé dans la littérature, la présente étude utilise un modèle hydrologique pour la simulation des scénarios hydrologiques (Arnell Citation1999, 2003; Roy et al. Citation2001; Chiew et McMahon Citation2002; Knowles et Cayan Citation2002; Cunderlik et Simonovic Citation2005; Maurer Citation2007; Dibike et Coulibaly Citation2005; Gosling et al. Citation2011; Forbes et al. Citation2011; Ranger et al. Citation2011; Taye et al. Citation2011). Les intrants du modèle sont les températures et les précipitations provenant d’un ensemble de scénarios climatiques. Les sorties du modèle sont les scénarios hydrologiques en période de référence et en période future. L’ensemble des scénarios climatiques utilisé a été produit dans le cadre d’un projet toujours en cours à Ouranos nommé (cQ)² (pour changement climatique des débits [Q] au Québec). Les simulations climatiques proviennent de la base de données multi-modèles de la troisième phase du World Climate Research Program’s Coupled Model Intercomparison Project (CMIP3; Meehl et al. Citation2007), Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison (PCMDI Citation2014), du North American Regional Climate Change Assessment Program NARCCAP (Mearns et al. Citation2009; Mearns et al. Citation2012) et de simulations internes du MRCC4 (Modèle Régional Canadien du Climat) d’Ouranos (Music et Caya Citation2007; de Elia et Coté Citation2010; Paquin Citation2010). La période de référence utilisée est la période de 1971–2000 et la période future de 2041–2070, communément appelé l’horizon 2050. La présente étude se distingue par son utilisation d’un grand ensemble de simulations climatiques, soit 83 simulations de la banque de données (cQ)². Ces simulations ont été post-traitées par quatre méthodes différentes. Ainsi, l’ensemble comprend les sorties directement issues des modèles climatiques en plus des simulations post-traitées. Mentionnons que le plus récent ensemble de simulations CMIP5, présentant des simulations continues jusqu’à l’année 2100, n’était pas disponible au moment des analyses. Il sera utilisé pour la prochaine version de la banque de données (cQ)².
Les volumes de crues sont ensuite calculés pour chaque scénario hydrologique simulé.
L’estimation des volumes de crues fréquentiels a été faite selon la méthode utilisée chez Hydro-Québec Équipement (HQE). Les ajustements ont été faits avec les lois Log-normale deux paramètres, GEV (Generalized Extreme Value), Gumbel, Weibull deux paramètres, Gamma, Pearson Type 3. La méthode d'ajustement est basée sur le maximum de vraisemblance et utilise le critère BIC (Bayesian information criterion; (Schwarz Citation1978) comme critère de sélection de la loi. La loi sélectionnée pour la période future est indépendante de celle sélectionnée en période de référence. L’hypothèse pour ce choix est que les changements climatiques peuvent modifier les distributions des températures et des précipitations entre période de référence et période future, par conséquent la distribution des volumes entre les deux périodes peut également être modifiée.
La distribution des écarts relatifs des volumes printaniers médians entre l’horizon 2050 et la période de référence a été analysée pour la période de retour 2 ans et 100 ans.
Études connexes
Des études connexes ont été réalisées par d’autres auteurs. Turkkan et al. (Citation2011) propose l’utilisation d’un réseau de neurones artificiels pour reproduire le débit moyen mensuel. Il déduit ensuite le débit maximum mensuel par une équation de régression et les maximums annuels sont ajustés par une loi GEV. Cette analyse a été faite pour des bassins versants du Nouveau-Brunswick.
A l’aide de la banque de données (cQ)², le Centre d’expertise Hydrique du Québec a étudié l’impact des changements climatiques sur les crues de printemps et d’été-automne pour des périodes de retour de 2 ans et 20 ans de certains bassins versant du Québec méridional (CEHQ Citation2013). Les périodes comparatives sont 1961–2000 pour la référence et 2050 pour l’horizon futur (soit des scénarios de 20 ans ou 30 ans dont la décennie centrale est 2050). L’étude montre que la partie nord du Québec méridional, située approximativement entre le 48ème et le 52ème parallèle, pourrait observer des crues printanières moyennes plus fortes d’environ 5% (pointes et volume) pour une période de retour de 2 ans. Pour la période de retour de 20 ans, une augmentation du volume de 5% est projetée tandis que les pointes ne montrent pas de changement avec la période de référence. Le résultat pour la partie sud du Québec méridional est à l’inverse du résultat de nord. Pour les crues de période de retour 2 ans, la pointe serait plus faible de 5 à 10% et le volume de 10%. Pour les crues de période de retour 20 ans, le volume diminuerait également de 10%. Le changement n’est toutefois pas clair en ce qui concerne la pointe. Le consensus entre les scénarios hydrologiques est faible, c'est-à-dire que l’ensemble des différents scénarios ne projette pas de façon systématique une augmentation. Pour les volumes, le consensus est légèrement plus élevé. Par contre, les scénarios hydrologiques s’entendent pour montrer que l’occurrence de la pointe de crue sera devancée d’une à deux semaines, tant au nord qu’au sud.
Les pointes de crues médianes d’été–automne pourraient augmenter de 10% au nord tandis que celles de périodes de retour 20 ans augmenteraient respectivement de 15% au nord et 5% au sud. Comme pour les pointes de printemps, il existe un faible consensus entre les scénarios hydrologiques. L’étude détaillée du CEHQ (Citation2013) présente tous ces résultats sous forme graphiques en plus d’autres indices hydrologiques comme les étiages, les débits annuels moyens, les débits mensuels moyens et autres.
Toujours avec la banque de données (cQ)², le centre de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) en collaboration avec Ouranos a étudié le portrait global des changements hydrologiques anticipés à l’horizon 2050 pour 305 bassins versants québécois. Les indices hydrologiques étudiés sont le débit annuel moyen, la distribution intra-annuelle des débits, l’accumulation de neige maximale annuelle et le nombre de jours avec de la neige au sol. Cette étude est en cours de publication.
Portrait général du climat et de l’hydrologie du Québec
Au cours du passé récent (1960–2005), le climat du Québec a évolué de façon significative (Desjarlais et al. Citation2010). Les températures journalières moyennes du sud du Québec ont augmenté de 0,2°C à 0,4°C par décennie (Yagouti et al. Citation2008). Ce réchauffement est plus important pour les températures nocturnes que diurnes (Zhang et al. Citation2000; Vincent et Mekis Citation2006; Yagouti et al. Citation2008). Quant aux précipitations, on remarque une augmentation du nombre de jours avec précipitations de faible intensité (Vincent et Mekis Citation2006) ainsi que des changements dans les précipitations solides dont les totaux ont diminués dans le sud du Québec et qui, au contraire, ont augmenté dans le Nord (Brown Citation2010).
En général, les bassins du sud du Québec ont une crue printanière plus précoce, un étiage d’été plus sévère et un étiage d’hiver moins sévère que les bassins du nord. Au Québec, la crue printanière peut atteindre 50% de l’écoulement annuel total pour les rivières les plus septentrionales. La taille du bassin versant, sa dénivelée, sa forme, le pourcentage de lacs, la latitude et l’hypsométrie sont tous des aspects qui ont un impact sur la rapidité de réponse hydrologique. Le climat a aussi un impact important sur la forme de l’hydrogramme annuel. La figure illustre la variabilité régionale de l’écoulement en rivière au Québec. Elle montre, du sud vers le nord, les hydrogrammes moyens en débit spécifique pour la période 1982–1998 de quatre rivières.
Figure 2. Débit spécifique moyens mensuels (1982–1998) pour quatre rivières du Québec: Rouge (47°0′), Péribonka (49°5′), Manicouagan (52°0′) et Caniapiscau (56°0′).
Étant donné cette variabilité spatiale des apports naturels et du climat, il faut donc garder à l’esprit que les changements au régime hydrologique causés par les changements climatiques ne seront pas les mêmes pour toutes les régions du Québec. Les résultats présentés décrivent l’impact de ces changements climatiques pour les rivières de la Côte-Nord et ne doivent pas être transposés ailleurs.
Changements projetés au climat de la Côte-Nord du Québec à l’horizon 2050
Le changement des précipitations et des températures sur la Côte-Nord du Québec entre la période de référence et l’horizon 2050 n’est pas uniforme temporellement. La figure montre la répartition des résultats selon le changement prévu de précipitation (P) et de température (T) pour l’ensemble des simulations climatiques utilisées. Chaque point correspond au changement relatif moyen de P et T entre la période de référence et l’horizon 2050. Les carrés foncés représentent les simulations du modèle global canadien (CGCM) et les carrés clairs celle du modèle régional canadien (MRCC). Les saisons représentées sont l’hiver (décembre, janvier, février) et le printemps (mars, avril, mai). Sur la figure , on constate que la dispersion des simulations climatiques et plus grande en hiver qu’au printemps.
Figure 3. Changements des précipitations moyennes en fonction des températures moyennes projetées par les modèles de climat de l’ensemble composé de simulations CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project) et du MRCC (Modèle Régional Canadien du Climat) entre la période de référence et l’horizon 2050 pour la région comprise entre 50° et 60° de latitude et 57° et 69° de longitude pour le nord-est (NE) Québec. Le cercle intérieur inclus 50% des scénarios, le cercle médian 75% des scénarios et le cercle extérieur 95% des scénarios. (a) hiver: décembre, janvier, février (DJF) et (b) printemps: mars, avril, mai (MAM). Les modèles de climat globaux (MCGs) utilisent les scénarios d'émission de gaz à effet de serre a1b, a2 et b1. Deux scénarios du modèle global canadien (CGCM3) sont identifiés, les membres 4 et 5 utilisant le scénario d'émission de gaz à effet de serre a2. Les scénarios du modèle régional canadien du climat (MRCC4.1.1) montrés sont pilotés par les scénarios du CGCM3 a2 4 (acu) et CGCM3 a2 5 (adc).
Les modèles climatiques projettent une hausse médiane des précipitations de 15% en hiver et de 10% au printemps. Pour la température cette hausse médiane projetée est de 4°C et hiver et de 2,2°C au printemps.
Méthodologie
Calibration du modèle hydrologique
Le modèle hydrologique global SSARR (Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation;(United States Army Corps of Engineers [USACE] Citation1987), a été utilisé pour l’étude. Sa calibration a été faite avec les observations d’apports naturels de chaque rivière et les observations météorologiques interpolée sur une grille de 10 km par krigeage. Tapsoba et al. (Citation2005) décrit la méthode employée pour calculer les variables météorologiques sur grille. La paramétrisation du modèle a été optimisée en maximisant la valeur du critère de Nash–Sutcliffe (Nash et Sutcliffe Citation1970) mais également en s’assurant de bien simuler le volume printanier. Le test de Kolmogorov–Smirnov a été utilisé afin de vérifier l’adéquation entre la distribution des volumes simulés et des volumes observés. Un algorithme de calibration automatique inspiré de celui proposé par Bardossy et Singh (Citation2008) a été utilisé.
Simulation des scénarios hydrologiques
Les scénarios climatiques utilisés en intrant au modèle hydrologique pour la simulation des scénarios hydrologiques proviennent de l'ensemble (cQ)². Chaque modèle de climat peut avoir plus d'une simulation car tous les membres disponibles sont utilisés afin de couvrir la variabilité naturelle du climat. Trois différents scénarios d’émission de gaz à effet de serre sont utilisés dans l’étude, soit le scénario B1, le moins sévère quant à l'accroissement de la température; le scénario A1B, un scénario médian; et le scénario A2, un des plus sévère (Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat [GIEC] Citation2007). Ceci permet de couvrir l’incertitude associée à l’émission future des gaz à effet de serre.
Les sorties directement issues de ces simulations climatiques ont été utilisées ainsi que les sorties post-traitées. Quatre méthodes ont été utilisées pour corriger le biais des précipitations et des températures. Elles proviennent de deux familles de méthode de post-traitement (Schmidli et al. Citation2006; Sharma et al. Citation2007; Christensen et al. Citation2008; Mpelasoka et Chiew Citation2009; Chen et al. Citation2013). La première nommée méthode des perturbations (daily scaling) consiste à transformer les observations en leur ajoutant la différence entre la simulation future et celle de référence. La seconde nommée méthode de correction de biais (daily translation) consiste à enlever le biais existant entre les observations et la simulation en période de référence et d’enlever ce même biais à la période future. Une sous-méthode de correction de biais nommée LOCI (local intensity scaling method) intègre en plus une correction de l'occurrence des précipitations.
La correction du biais est effectuée sur les quantiles ou bien sur la moyenne mensuelle de la variable (méthode des deltas). Le tableau montre les abréviations utilisées pour identifier les résultats.
Tableau 2. Abréviations des noms des méthodes de post-traitement.
Il y a donc un total de 415 scénarios climatiques par bassin versant (83 simulations pour quatre méthodes de post-traitement et les sorties directement issues des modèles climatiques) pour la période de référence, et le même nombre pour la période future. À chaque scénario climatique correspond un scénario hydrologique.
Calcul des volumes de crues
La méthode habituellement utilisée par HQE pour calculer le volume maximal des crues printanières d’un bassin versant consiste à déterminer la date de début et la date de fin de chaque crue annuelle, et de calculer la durée correspondante. La date de début la plus précoce, la date de fin la plus tardive et la durée moyenne de la crue sont ensuite déterminées avec l’ensemble des relevés. Le volume de la crue printanière d’une année est le volume maximal de durée moyenne calculé entre la date de début la plus précoce et la date de fin la plus tardive. Cette méthode n’est pas applicable pour les études en changements climatiques car la durée moyenne, la date de début la plus précoce et la date de fin la plus tardive peuvent changer.
Un algorithme calculant la durée de crue spécifique de chaque année a été développé afin d’être plus flexible dans un contexte de changements climatiques où il est probable que le début, la fin et la durée de la crue printanière soit modifiés. Le principe de la méthode de calcul est de déterminer l’hydrogramme cumulé annuel moyen de la série et de trouver les points d’inflexions pour ensuite produire un hydrogramme moyen synthétique (Pacher Citation2008). Les points d’inflexions des hydrogrammes cumulés annuels sont ensuite déterminés et ajustés par une fonction de perte par rapports aux points d’inflexion de l’hydrogramme moyen synthétique, pour que les débuts et fins de crues annuelles ne s’éloignent pas trop des valeurs moyennes. Les dates de début et de fin de crue sont calculées ainsi que le volume de la crue printanière. Les volumes ainsi déterminés sont de grandeurs comparables à ceux calculés par la manière habituelle à durée fixe. La différence entre les deux approches, pour les bassins de la Côte-Nord, est que la méthode à durée spécifique donne des valeurs de volumes plus dispersées. Ceci s’explique car en utilisant une durée fixe lorsque la crue est de faible durée, la méthode tend à surestimer le volume et à l’inverse, si la crue est de longue durée le volume est sous-estimé.
Analyse fréquentielle
La loi choisie par défaut selon diverses études pour l’ajustement des extrêmes hydrologiques en période de référence et en période future dans nombre d’études d’impact en changement climatique est la loi GEV (Kharin et Zwiers Citation2000; Semmler et Jacob Citation2004; Frei et al. Citation2006; Beniston et al. Citation2007; Buonomo et al. Citation2007; Dankers et Feyen Citation2008; Fowler et Ekström Citation2009; Towler et al. Citation2010). Toutefois, c’est l’approche traditionnelle d’HQE pour les études fréquentielles qui est employée. Elle consiste à choisir la distribution statistique qui donne le meilleur ajustement. Les lois utilisées dans cette étude sont les suivantes: Log-normale deux paramètres, GEV, Gumbel, Weibull deux paramètres, Gamma, Pearson Type 3. La méthode d'ajustement est basée sur le maximum de vraisemblance et utilise le critère BIC (Schwarz Citation1978) comme critère de sélection de la loi. Le tableau montre la fréquence du choix des lois pour chaque bassin versant. La meilleure loi pour la période de référence et la meilleure loi pour la période future ont été sélectionnées pour chaque bassin.
Tableau 3. Fréquence du choix des lois d’ajustement selon le critère BIC (Bayesian Information Criterion) pour ajuster les volumes printaniers des bassins versant de la Côte-Nord en période de référence et en période future. La distibution generalized extreme value est notée GEV.
Résultats
Le changement projeté pour l’ensemble des scénarios hydrologiques sur la Côte-Nord est une augmentation du volume maximal de la crue printanière future. La médiane de la distribution des écarts des volumes relatifs par période de retour est montrée au tableau pour chaque bassin versant et pour la région.
Tableau 4. Médiane des écarts relatifs (%) entre le volume maximal de crue printanière futur et celui en période de référence avec scénarios appariés, toutes méthode de post-traitement confondues, pour les rivières de la Côte-Nord.
Les scénarios hydrologiques du bassin versant de la rivière Au Tonnerre sont les seuls à prédire à court terme une baisse du volume printanier. Dans l’ensemble, les scénarios prévoient un volume de crue printanière à l’horizon 2050 plus grand que celui en période de référence. La valeur médiane de changement pour la Côte-Nord donnée par l’ensemble des scénarios et l’ensemble des bassins prévoit une hausse du volume de crue printanière de 9% pour la période de retour 2 ans et de 5% et 4% pour les périodes de retour de 20 ans et 100 ans.
Il est important de souligner que la méthode de post-traitement utilisée a un impact significatif sur le résultat, tel que montré au tableau . Les scénarios hydrologiques simulés avec les scénarios climatiques corrigés par la méthode PQT, prévoient une différence entre volume futur et volume de référence beaucoup plus grande que les autres méthodes tandis que les sorties directement issues des modèles (DIR) montrent une différence plus petite que celles prévues par les autres scénarios hydrologiques.
Tableau 5. Médiane des écarts relatifs (%) entre le volume maximal de crue printanière futur et celui en période de référence avec scénarios appariés, selon le post-traitement utilisé (DIR, CQT, LOC, PQT, PDM), pour les rivières de la Côte-Nord. Le tableau 2 défini les abréviations du post-traitement.
Les résultats précédents concernent les médianes et ne donnent pas une idée de la dispersion des différences relatives des volumes de crues fréquentielles futures et de références issues des différents scénarios hydrologiques. Les figures et illustrent cette dispersion pour les périodes de retour de 2 ans et de 100 ans. Plus l'intervalle de récurrence de l’évènement est long (100 ans et plus), plus la médiane se rapproche de zéro et plus la dispersion entre les volumes futurs et de références des scénarios appariés est grande.
Figure 4. Distribution des écarts relatifs des volumes printaniers médians entre l’horizon 2050 et la période de référence pour les rivières de la Côte-Nord: Au Tonnerre (TON), Godbout (GOD), St-Paul (PAU), Magpie (MAG), Romaine (ROM), Natashquan (NAT), Moisie (MOI), Petit-Mécatina (MEC) et Manicouagan (MAN) pour une période de retour de 2 ans et selon la méthode de post-traitement utilisée (DIR, CQT, LOC, PQT, PDM).
Figure 5. Distribution des écarts relatifs des volumes printaniers médians entre l’horizon 2050 et la période de référence pour les rivières de la Côte-Nord: Au Tonnerre (TON), Godbout (GOD), St-Paul (PAU), Magpie (MAG), Romaine (ROM), Natashquan (NAT), Moisie (MOI), Petit-Mécatina (MEC) et Manicouagan (MAN) pour une période de retour de 100 ans et selon la méthode de post-traitement (DIR, CQT, LOC, PQT, PDM).
Pour l’ensemble des bassins et pour les périodes de retour de 2 ans et 100 ans illustrés aux figures et 5, le changement projeté de la médiane est généralement positif. Le volume futur projeté sera plus grand que celui en période de référence pour plus de 50% des scénarios. Il est rare toutefois que 75% des scénarios (bas de la boite) montrent un changement positif pour le volume futur, mais cela se produit plus fréquemment avec les méthodes de perturbations (PQT, PDM) qu’avec les méthodes de correction de biais (CQT et LOC).
Discussion et conclusions
Les changements climatiques ont un impact sur les températures et les précipitations futures et influencent les volumes de crues printanières des rivières de la Côte-Nord. Les scénarios climatiques de températures et précipitations comportent des incertitudes dues aux modèles et aux méthodes de post-traitement. L’utilisation de plusieurs modèles de climat globaux et régionaux contrebalance en partie les incertitudes propres à chaque modèle. Il aurait été préférable d’utiliser plus d’un modèle hydrologique pour contrebalancer aussi l’incertitude induite par le modèle. Les résultats obtenus avec l’ensemble des 415 scénarios hydrologiques produits pour les neuf bassins étudiés reflètent la variabilité naturelle, l’impact anthropique et l’incertitude due aux simulations. Une augmentation de 9% est projetée pour un volume maximal de crue printanière de période de retour 2 ans et de 4% pour celui de 100 ans à l’horizon 2050. Les résultats obtenus par le CEHQ avec un modèle hydrologique différent mais avec le même ensemble de scénarios climatiques montrent une tendance semblable pour le nord du Québec méridional. Dans ce cas, l’augmentation projetée du volume maximal de crue printanière est de 5% pour les périodes de retour de 2 ans et 20 ans.
Toutefois, plus l'intervalle de récurrence de l’évènement est long plus il y a de dispersion entre les scénarios hydrologiques. Lorsque la période de retour atteint 1000 ans, il y a presque autant de scénarios hydrologiques qui prévoient une augmentation du volume maximal que ceux qui prévoit une baisse. L’amplitude du changement projeté n’est pas uniforme pour tous les bassins étudiés. Il n’y a pas de lien entre le taux de changement projeté pour le volume et la localisation géographique du bassin versant ni avec sa superficie.
Les scénarios hydrologiques produits avec les scénarios climatiques provenant du modèle de troisième génération du modèle couplé climatique global (MCCG3) et du modèle régional canadien du climat (MRCC) ont été analysés plus en détail pour vérifier l’impact de la résolution du modèle. Pour une période de retour de 100 ans, les scénarios produits avec le CGCM anticipent une augmentation du volume futur dans plus de 75% des cas tandis que pour le MRCC, presque 100% des scénarios (un peu moins pour le bassin de la rivière Saint-Paul) concluent dans ce sens pour huit bassins sur neuf. Le bassin versant de la rivière Au Tonnerre montre un changement de volume futur pour 50% des scénarios. Le MRCC, à plus fine résolution, projette une augmentation du volume de crue printanière plus forte que le MCCG3 pour l’horizon 2050, autant pour les périodes de retour de 2 ans que de 100 ans. La même comparaison doit être faite avec les autres modèles régionaux et leurs pilotes pour vérifier si une résolution plus fine projette un changement plus grand du volume dans la majorité des cas.
Le climat moyen du bassin versant est représenté par le point de grille le plus près en distance du point central du bassin. Le point de grille utilisé varie en distance selon la résolution et la position de la grille du modèle de climat utilisé. Dans certain cas, il n’est pas inclus dans le bassin et peut en être assez éloigné. Le changement anticipé du volume maximal de crue printanière futur pour un bassin versant devrait être simulé avec les scénarios climatiques issus de plus d’un point de grille pour vérifier la sensibilité des résultats en fonction du point de grille utilisé.
La méthode de post-traitement utilisée pour corriger le biais des simulations climatiques a un impact sur les scénarios hydrologiques. La méthode PQT tend à donner des écarts de volumes supérieurs. Il y a lieu de s’interroger sur les méthodes de post-traitement a favoriser pour la correction du biais des simulations climatiques utilisées en intrant des modèles hydrologiques (Clavet-Gaumont et Thiémonge Citation2013; Gauvin-St-Denis Citation2015). Il est probable qu’il soit redondant d’utiliser plus d’une méthode appartenant à une famille de méthode de post-traitement pour la production des scénarios hydrologiques. Par exemple, il faut réfléchir à l’utilité d’utiliser deux méthodes de perturbation et deux méthodes de correction de biais.
Lors de l’ajustement des échantillons de volumes par une loi statistique le consensus sur la loi d'ajustement à retenir est le même en période de référence qu'en période future. En moyenne, 38% des échantillons de volumes issus des scénarios hydrologiques sont ajustés par la même loi et plus de 67% sont partagés par deux lois. Pour la période future par contre, 37% des échantillons de volumes sont ajustés par la même loi et plus de 68% sont partagé entre deux lois.
L’exercice peut aussi être fait sur les valeurs extrêmes des distributions de volumes des scénarios hydrologiques plutôt que sur le volume médian pour vérifier si la tendance est la même.
Remerciements
Nous remercions James Merleau de l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) pour ses conseils et recommandations concernant les analyses statistiques. Nous remercions Dominique Tapsoba, également de l’IREQ, de nous avoir permis d’utiliser les précipitations et températures observées interpolées sur grille qu’il a produites.
Nous remercions Ouranos pour les données du MRCC et de l’ensemble (cQ)² qui ont été générées et fournies.
Nous remercions aussi les groupes de modélisations Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison (PCMDI) et le WCRP's Working Group on Coupled Modelling (WGCM) d’avoir permis de rendre disponible l’ensemble multi-modèle CMIP3. Finalement, nous remercions aussi le North American Regional Climate Change Assessment Program (NARCCAP) pour avoir fourni les données NARCCAP utilisé dans cette étude. NARCCAP est financé par le National Science Foundation (NSF), le US Department of Energy (DoE), le National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) et le US Environmental Protection Agency Office of Research and Development (EPA).
Nous remercions également le CEHQ de nous avoir permis de présenter certains de leur résultats, ainsi que pour la diffusion sur leur site internet des apports naturels mesurés au bassins versants.
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