Impact des changements climatiques et du développement urbain sur les ressources en eaux du bassin versant de la rivière Saint-Charles

La ville de Québec s’approvisionne en grande partie (57 %) en eau potable au sein du bassin versant de la rivière Saint-Charles. La majeure partie est directement prélevée dans la rivière Saint-Charles et une moindre partie est prélevée par des puits municipaux ou des puits privés qui constituent souvent le seul moyen d’approvisionnement. Les changements climatiques anticipés et le développement urbain de la ville de Québec pourraient avoir un impact important sur cette ressource en eau. Dans le but d’estimer l’impact des changements climatiques et du développement urbain sur la ressource en eau du bassin versant de la rivière Saint-Charles, un modèle numérique du bassin versant couplant les écoulements de surface et souterrains ainsi que l’évapotranspiration a été réalisé avec HydroGeoSphere (HGS). La première étape de la méthodologie est de caler un modèle sur l’état actuel (période 1971-2000). La seconde étape consiste à appliquer au modèle calé de nouvelles conditions représentant l’état futur du climat et le développement urbain afin de pouvoir comparer ces résultats avec l’état actuel. Les nouvelles conditions limites représentant l’état futur sont obtenues en mettant à l’échelle, avec la méthode des « deltas », les projections climatiques faites par des modèles de circulation générale (MCG) pour la période 2071-2100 et différents scénarios de développement urbain pour la période 2080 ont été réalisés. Les résultats montrent que durant les hivers plus chauds, les hauteurs d’eau (eau de fonte et précipitations pluvieuses) pourraient être entre 4 et 7,5 fois plus importantes selon les scénarios et qu’en période estivale l’évapotranspiration réelle augmenterait entre 15 % et 25 %. On observerait alors des débits hivernaux entre 2 et 3 fois supérieurs à ceux actuels, des crues printanières plus précoces (entre 10 et 30 jours) et des débits estivaux diminués de 10 % à 25 %. Les niveaux piézométriques hivernaux devraient être sensiblement plus élevés qu’actuellement surtout dans le roc sur les hauts topographiques où l'on observe des augmentations pouvant dépasser les 15 m. En période estivale, on observe une diminution des niveaux piézométriques localisée sur les hauts topographiques, mais également sur les aquifères granulaires au sud. On constate également que les effets du développement urbains sont beaucoup moins importants que ceux induits par les changements climatiques. Le principal effet est d’augmenter légèrement les débits hivernaux (max +0.6 m3/s).The main part (57%) of Quebec City drinking water comes from the Saint-Charles River watershed. Most of this water is pumped directly from the river but a significant volume of groundwater is also supplied from municipal and private wells in bedrock and granular aquifers. The anticipated climate change and the probable urban area development of Quebec City could have an important impact on these water resources. To assess and quantify the impact of climate change and urban development on water resources of the Saint-Charles River watershed, a 3D numerical model was developed. This numerical model simulates surface water and groundwater flow dynamics for the catchment, using the physically-based, fully integrated, variably-saturated 3-D surface-subsurface simulator HydroGeoSphere (HGS). The first step of the methodology was to build and calibrate the model under current climate conditions (1971-2000). The second step was to identify climate projections from general circulation models (GCMs) with different emission scenarios and to downscale their output (with the “delta change” method) to the catchment scale, as well as to propose urbanisation scenarios. Using the calibrated model as a starting point, the output of the GCMs and urbanisation scenarios were then used as boundary conditions in the numerical model for predictive simulations. Results show that, compared to current conditions, the amount of water (snowmelt water and rainfall) could be about 4 to 7 times greater during warmer winters, according to different emission scenarios, and evapotranspiration could increase by about 15 % to 25 % during warmer summers. These changes could increase winter stream flows by a factor of 2 to 3, and lead to earlier occurrence of snowmelt floods during springs, (by 10 to 30 days), and a reduction of 10 % to 25 % of summer stream flows. In winter, hydraulic heads would dramatically increase, by more than 15 m, mainly in the high-elevation areas and, in summer, hydraulic heads would decrease in the high-elevation areas as well as in the low-elevation areas for the granular aquifers. The simulated effects of urban development on hydraulic heads and stream flows are lower than those induced by climate change. The main effect of planned urban development is an increase (max +0.6 m3/s) of monthly mean stream flow during winter

SolSeasStore : saisonale Wärmespeicherung in städtischen Quartieren mit Erdwärmesonden

Es wurde untersucht, inwieweit eine Regeneration von Erdwärmesonden (EWS) in dicht besiedelten Gebieten mittels Solarthermie möglich ist, wenn ein gesamtes Wohnquartier durch Wärmepumpen mit EWS beheizt werden soll. Am Beispiel eines typischen Gebäudes mit herausfordernder Regeneration erfolgte zudem eine Betrachtung zusätzlicher Wärmequellen sowie des Stromverbrauches über 50 Jahre. Als Wärmequelle für die Regeneration wurden unabgedeckte PVT- sowie Flachkollektoren verwendet. PVT-Fassadenanlagen, Luft-Wasser-Wärmeübertrager (LWWÜ) als auch die Gebäudekühlung dienten als zusätzliche Wärmequellen. Sofern grosse Gebäude mit hohem Wärmebedarf und verhältnismässig kleiner Dachfläche gleichmässig verteilt sind, ist eine nachhaltige Wärmeversorgung mit regenerativen EWS in suburbanen Quartieren mittels Solarthermie auf den Dächern möglich. In urbanen Quartieren hingegen, in denen Ansammlung grosser Gebäude zu erwarten sind, ist eine ausreichende und rein solarthermische Regeneration nicht möglich. Der Einsatz zusätzlicher Wärmequellen ist in diesen Fällen nötig, um den Regenerationsanteil bei grossen Gebäuden für einen nachhaltigen Betrieb ausreichend anzuheben. Das Projekt wurde vom BFE gefördert: BFE F&E-Projekt SI/501950 (Bearbeitung 2019 – 2021

Integrated hydrological modeling of climate change impacts in a snow-influenced catchment

The potential impact of climate change on water resources has been intensively studied for different regions and climates across the world. In regions where winter processes such as snowfall and melting play a significant role, anticipated changes in temperature might significantly affect hydrological systems. To address this impact, modifications have been made to the fully integrated surface-subsurface flow model HydroGeoSphere (HGS) to allow the simulation of snow accumulation and melting. The modified HGS model was used to assess the potential impact of climate change on surface and subsurface flow in the Saint-Charles River catchment, Quebec (Canada) for the period 2070 to 2100. The model was first developed and calibrated to reproduce observed streamflow and hydraulic heads for current climate conditions. The calibrated model was then used with three different climate scenarios to simulate surface flow and groundwater dynamics for the 2070 to 2100 period. Winter stream discharges are predicted to increase by about 80, 120, and 150% for the three scenarios due to warmer winters, leading to more liquid precipitation and more snowmelt. Conversely, the summer stream discharges are predicted to fall by about 10, 15, and 20% due to an increase in evapotranspiration. However, the annual mean stream discharge should remain stable (±0.1 m3/s). The predicted increase in hydraulic heads in winter may reach 15 m and the maximum decrease in summer may reach 3 m. Simulations show that winter processes play a key role in the seasonal modifications anticipated for surface and subsurface flow dynamics

Lithological and Tectonic Control on Groundwater Contribution to Stream Discharge During Low-Flow Conditions

Knowing how stream discharge in an ungauged catchment reacts to dry spells is a major challenge for managing water resources. The role of geology on these dynamics is poorly understood. For the Swiss Molasse basin, we therefore explored how the geology influences the groundwater contribution to stream flow during low-flow conditions. Using existing data from geological reports and maps as well as from deep boreholes, we constructed a basin-wide overview of the hydrogeological quality of the bedrock and investigated five catchments in 3D. We found that catchments with the most permeable sedimentary bedrock are least sensitive to low flows (marine sandstone, K = 10−4 to 10−5 m/s, Peff = 5–10%). In contrast, if bedrock K is low (K < 10−6 m/s), the presence of a productive Quaternary volume becomes decisive for groundwater contribution to stream flow. Limitations exist due to a restricted database for K and Peff values of the Molasse and limited information on continuation of lithologies with depth. This emphasizes the need for more hydrogeologically relevant data for the future management of water resources. Our results highlighting what lithotypes favor groundwater contribution to stream flow are valid also in other regions for the assessment of a catchment’s sensitivity to low flows

Low-flow behavior of alpine catchments with varying quaternary cover under current and future climatic conditions

Alpine environments are particularly vulnerable to climatic warming, and long term observations suggest a shift of snow-influenced river discharge towards earlier periods of the year. For water resources management, the seasonal patterns of discharge in alpine areas are particularly relevant, as the shift to lower flows in summer and autumn combined with increased water demand could lead to water shortage in downstream catchments. The storage of groundwater in alpine catchments could significantly modulate how changing climatic conditions influence the annual streamflow regime. However, groundwater storage and its buffering capacity in alpine areas remain poorly understood. Moreover, studies on how climate change will impact water resources in alpine areas rarely consider the influence of geology. In this paper, catchment geology is used as a basis for the classification of future summer low flows behavior of several alpine catchments in Switzerland. Based on the analysis of the relationship between low-flow indicators and geology, the role of unconsolidated quaternary deposits is explored. We show that quaternary deposits play a critical role in the seasonal storage of groundwater, which can contribute to rivers during low-flow periods. Three climate change simulations based on extreme RCP 8.5 scenarios are fed into a conceptual hydrological model to illustrate the buffering role of groundwater. Past and future low flows normalized by mean past and future streamflows appear correlated with the percentage of unconsolidated quaternary deposits. These results highlight that catchments with high groundwater contribution to streamflow relative to precipitation will have a slower decrease in future summer discharge. Therefore, we propose two indicators that can be used to anticipate the response of future summers low flows in alpine areas to climate change: the current winter low flows and the percentage of unconsolidated quaternary deposits of the catchments

Your work is my boundary condition!: Challenges and approaches for a closer collaboration between hydrologists and hydrogeologists

Hydrologists and hydrogeologists both study the flux and storage of water with the numerous interactions and feedback mechanisms of surface water and groundwater. Traditionally however, focus, models and scales of the studies differ. In this commentary, situations are illustrated where boundary conditions that each discipline assumes, preserves and actively uses, can and have to be overcome. These situations occur when the domain of one discipline cannot be separated from the other one because of existing interaction and feedback mechanisms at the boundaries. Highlighted are especially these boundary conditions, where closer collaboration between catchment hydrologists and hydrogeologists would be most useful. Often such collaborations would be relatively straight-forward and rather requiring an increased awareness than novel methods

SolSeasStore - Saisonale Wärmespeicherung in städtischen Quartieren mit Erdwärmesonden : Schlussbericht vom 19.11.2021

Das Projekt wurde vom BFE gefördertFür die emissionsfreie Wärmeversorgung von Wohnbauten stellen Wärmepumpen mit Erdwärmesonden eine energieeffiziente und wirtschaftliche Lösung dar. Allerdings muss mit der zunehmenden Verbreitung von Erdwärmesonden ihr Einsatz sorgfältig geplant werden. Insbesondere in Gebieten mit dichter Nutzung besteht die Gefahr einer langfristigen Unterkühlung des Erdreichs. In diesen Fällen ist eine Regeneration der Erdwärmesonden, z.B. durch solarthermische Wärme, eine mögliche Lösung. Jedoch ist die für Solarkollektoren nutzbare Dachfläche bezogen auf den Wärmebedarf der Gebäude vor allem in städtischen Gebieten verhältnismässig klein. Zudem soll auf den Dächern auch möglichst viel Strom produziert werden. In dieser Simulationsstudie wird untersucht, wie weit die Regeneration von Erdwärmesonden in urbanen und suburbanen Wohnquartieren mit Solarenergie möglich ist, wenn das gesamte Quartier von Wärmepumpen mit Erdwärmesonden versorgt werden soll. Basierend auf zwei Wohnquartieren in der Stadt Zürich werden Modellgebäude mit typischer Dachfläche, typischem Wärmebedarf und typischen Nachbargebäuden definiert. Der Wärmebedarf entspricht einem prognostizierten Wert für 2035. Mittels Systemsimulationen wird die nötige Sondenlänge und Fläche der Kollektoren für Solarthermie-Gewinnung ermittelt. Es werden unabgedeckte, ungedämmte PVT-Kollektoren, sowie solarthermische Absorber und Flachkollektoren ergänzt mit PV-Modulen, eingesetzt. Für Fälle, bei denen keine nachhaltige Regeneration durch eine PVT-Dachanlage möglich ist, wird stellvertretend ein Beispielgebäude mit herausfordernder EWS-Regeneration definiert. Anhand dieses Gebäudes erfolgt eine Potenzialabschätzung zusätzlicher Wärmequellen für die EWS Regeneration, sowie eine Abschätzung des erforderlichen Strombedarfs während 50 Jahren Betriebszeit. Flachkollektoren ermöglichen für alle Beispielgebäude auf der zur Verfügung stehenden Dachfläche deutlich mehr Regeneration als PVT-Kollektoren oder solarthermische Absorber (z.B. Schwimmbadkollektoren). Mit Flachkollektoren ist 20 bis 40 % weniger Dachfläche erforderlich als mit PVT-Kollektoren. Bei kleineren Gebäuden ist damit eine hundertprozentige Regeneration möglich. Bei grossen und sehr grossen Beispielgebäuden ist die Dachfläche auch mit Flachkollektoren nicht ausreichend. Mit PVTKollektoren lässt sich auch Strom gewinnen, was diese vorteilhaft macht. Zur groben Abschätzung der geeigneten Regenerationsmassnahme kann für vollständige Regeneration mit einem Bedarf an für Solarenergie nutzbarer Dachfläche von 1.8 m2 pro MWh erforderlicher jährlicher Nutzwärme mit PVT-Kollektoren und von 1.2 m2 /MWh mit Flachkollektoren gerechnet werden. Über das ganze Quartier hinweg betrachtet ist in suburbanen Quartieren eine nachhaltige Wärmeversorgung mit regenerierten Erdwärmesonden sowohl mit Regeneration durch PVT-Kollektoren als auch durch Flachkollektoren möglich, sofern sich die Gebäude mit grossem Wärmebedarf über das Quartier verteilen. In urbanen Quartieren sind Bereiche zu erwarten, die eine vollständige Regeneration mit PVTKollektoren oder Flachkollektoren zulassen, aber auch Bereiche, in denen sich Gebäude mit grossem Wärmebedarf und geringer Dachfläche stark konzentrieren. Dort ist eine Regeneration alleine durch solare Wärme nur mit zusätzlichen Fassadenanlagen möglich. Alternativ ermöglicht auch die ergänzende Einbindung eines Luft-Wasser-Wärmeübertragers eine vollständige Regeneration. Ein zur Regeneration mittels PVT-Kollektoren paralleler Betrieb einer Gebäudekühlung ist sowohl passiv wie auch aktiv möglich Der Regenerationsnutzen hängt stark vom künftigen Kühlbedarf ab, ist in der Regel jedoch vergleichsweise gering. Mit PVT-Kollektoren kann mehr Solarstrom erzeugt werden als in der Jahresbilanz von den Heizsystemen (Wärmepumpen, Umwälzpumpen, etc.) verbraucht wird. Bei der Verwendung von ertragsstärkeren Flachkollektoren kann auch dann in der Jahresbilanz nicht genügend Eigenstrom erzeugt werden, wenn die übrigbleibende Dachfläche mit PV-Modulen belegt wird. Eine allfällige Kürzung der Erdwärmesonden infolge der Regeneration hat negative Auswirkungen auf die Systemeffizienz und verursacht eine initiale Erhöhung des Winterstrombedarfes um rund 10 % gegenüber einem nicht regenerierten System. Langfristig ist jedoch eine leichte Reduktion des Winterstrombedarfs zu beobachten. Eine gleichbleibende Sondenlänge hingegen führt, verglichen mit einem unregenerierten System, zu einer langfristigen Reduktion des Winterstrombedarfes um bis zu 10 % und des Gesamtstromverbrauch über 50 Betriebsjahre um rund 1%