La modélisation hydrologique

La modélisation hydrologique 

Le cycle hydrologique 

Le cycle hydrologique est constitué de l’ensemble des processus de transformation et de transfert de l’eau, présente sous trois états différents (liquide, solide ou gazeux). Les mécanismes des mouvements de l’eau dans la nature sont déterminés par l’énergie thermique solaire, la gravité, l’attraction lunaire, la pression atmosphérique, les forces intermoléculaires, les réactions chimiques, nucléaires, les activités biologiques, et enfin les activités humaines. Tous ces mécanismes sont concomitants. À l’échelle du bassin versant, l’ énergie thermique solaire et la gravité sont les mécanismes fondamentaux les plus importants.

L’élévation d’une masse d’air humide permet le refroidissement général nécessaire pour l’amener à saturation et provoquer la condensation de la vapeur d’eau sous forme de goùttelettes constituant les nuages, en présence de noyaux de condensation. Puis la vapeur d’eau, transportée et temporairement emmagasinée dans les nuages, est restituée par le biais des précipitations aux océans et aux continents. Une partie de la pluie qui tombe peut être interceptée par les végétaux puis être partiellement restituée sous forme de vapeur à l’atmosphère. La pluie non interceptée atteint le sol. Suivant les conditions données, elle peut alors s’évaporer directement du sol, s’écouler en surface jusqu’aux cours d’eau (ruissellement de surface) ou encore s’infiltrer dans le sol. Il peut aussi y avmr emmagasinement temporaire de l’eau infiltrée sous forme d’humidité dans le sol, que peuvent utiliser les plantes. Il peut y avoir percolation vers les zones plus profondes pour contribuer au renouvellement des réserves de la nappe souterraine. Un écoulement à partir de cette dernière peut rejoindre la surface au niveau des sources ou des cours d’eau. L’évaporation à partir du sol, des cours d’eau, et la transpiration des plantes complètent ainsi le cycle ».

Représentations des processus hydrologiques 

Outre l’aspect prévision des crues, la modélisation hydrologique est également utilisée pour reconstituer des événements antérieurs demandant une étude approfondie ou effectuer des études de conception. Plusieurs catégories de modèles existent, se distinguant selon l’ échelle temporelle ou la discrétisation spatiale des différents processus. Elles sont présentées rapidement afin de justifier l ’emploi des deux modèles utilisés dans cette étude.

D’abord, il convient de faire la distinction entre les modèles statistiques et déterministes. Un modèle est dit statistique s’il inclut une ou plusieurs variables aléatoires auxquelles on associe une distribution de probabilité; si ce n’est pas le cas, il est dit déterministe.

L’approche statistique ne répondant pas aux objectifs de l’étude, il sera uniquement question des modèles déterministes dans le reste de cette section. La seconde distinction se porte sur l’ échelle temporelle du processus modélisé. Un modèle est qualifié d’événementiel, s’il est utilisé pour représenter un seul événement, pouvant durer de quelques heures à plusieurs jours. A contrario, un modèle continuel peut quant à lui simuler une période de temps très longue, limitée par les données d’entrée utilisées. Il doit donc tenir compte de l’ évapotranspiration entre deux averses et évaluer en permanence l’humidité du bassin. Cette dernière doit être estimée au début de chaque averse pour le modèle événementiel.

Une dernière distinction importante entre les modèles globaux et spatialisés doit également être soulignée. Les modèles globaux sont plutôt structurés afin d’utiliser les valeurs « représentatives » des caractéristiques du bassin étudié et ne prennent pas directement en considération l’hétérogénéité des processus hydrologiques. L’utilisation de valeurs représentatives par exemple la moyenne, pour les données d’entrée et les paramètres, entraîne également une représentation « globale » du processus hydrologique et des résultats obtenus. En revanche, dans un modèle spatialisé, l’hétérogénéité des différents paramètres peut être considérée. Le bassin versant peut être découpé en sous bassins sur lesquels les calculs sont d’abord effectués séparément avant d’être regroupés.

La science des changements climatiques 

Le 3ème Rapport du GIEC (GIEC, 2001) constitue actuellement la base de données la plus complète sur les changements climatiques à l’ échelle mondiale. L’état des connaissances, qui y est dressé, passe en revue les changements climatiques observés jusqu’ici, leurs causes, et l’évaluation des changements climatiques futurs. Les informations les plus importantes et les éléments affectant le Québec sont présentés dans ce paragraphe. Par la suite, les résultats de différentes études sur les conséquences des changements climatiques en Amérique du Nord sont présentés.

Aperçu des changements climatiques au 20ème siècle

Les observations font apparaître globalement un réchauffement de la planète. Entre 1961 et 2000, la moyenne des températures dans l’hémisphère nord se situait nettement audessus des températures enregistrées au cours du dernier millénaire .Au Canada, un réchauffement d’environ 0.9°C a été observé au cours du dernier siècle au sud de 60° N (Gouvernement du Canada, 1997). La température moyenne à la surface de l’hémisphère Nord a augmenté probablement davantage au cours du 20ème siècle que pendant les périodes comparables des derniers 1000 ans. Depuis que l’ on effectue des relevés instrumentés de température, la décennie 1990 s’est révélée la plus chaude de toutes et 1998 pourrait bien être l’année la plus chaude des derniers 1000 ans (Ouranos, 2004). Pour le Québec dans son ensemble, on observe un réchauffement allant du début du siècle jusqu’au début des années 1940, suivi d’un léger refroidissement de 1940 au milieu des années 1970 et par la suite d’une hausse des températures assez prononcée jusqu’à aujourd’hui, ce qui donne pour toute la période une augmentation totale de 0,6°C (Environnement Canada, 1997). Cependant il convient de compléter cette information en précisant que l’augmentation des minimums est beaucoup plus marquée que celle des maximums et que ces résultats se situent dans un contexte québécois où le système climatique possède une très grande variabilité naturelle (Zhang et al., 2000).

Concernant les précipitations, elles auraient augmenté sur les terres de moyenne et haute latitude de l ‘hémisphère nord de l’ ordre de 5 à 10 %, avec une légère augmentation des précipitations intenses. Un ensemble d’éléments naturels ont ainsi connu une évolution due à ce début de réchauffement climatique. Le consortium Ouranos publiait en 2004 dans un bilan de l’évolution du climat : «En ce qui concerne la couverture de neige, elle aurait diminué de 10 % depuis la fin des années 1960, alors que la durée de la couverture de glace des lacs et des rivières aurait été réduite d’environ deux semaines depuis le début du 20ème siècle. La couverture de glace marine de l ‘hémisphère Nord aurait diminué de 10 à 15 % depuis les années 1950, l’épaisseur de la glace arctique diminuant de 40 % en été. Le pergélisol aurait également connu un réchauffement de 2 à 4 °C. Enfin, le ni veau des mers serait monté de 0, l à 0,2 mètre au cours du 20ème siècle, soit à un rythme environ dix fois plus élevé qu’au cours des millénaires précédents. Cette augmentation est essentiellement reliée à la dilatation thermique des océans dont la température de surface a augmenté d’environ 0,5 oc depuis 1860 (GIEC, 2001; Ouranos, 2004). » .

Augmentation de l’effet de serre et conséquences directes 

Les gaz à effet de serre (GES), naturellement présents dans l’atmosphère, contribuent à retenir la chaleur et maintenir ainsi des conditions favorables à la vie sur Terre. Si la vapeur d’eau reste le principal GES dans l’atmosphère terrestre, d’autres gaz provenant d’activités humaines ont connu une forte augmentation de concentration depuis le début de l’ère industrielle  , ayant pour conséquence directe une perturbation du bilan énergétique terrestre. Une part plus importante de l’énergie provenant du soleil est retenue par l’atmosphère sur Terre, occasionnant un léger déséquilibre à la hausse.