Climate change and hydropower production in the Swiss Alps: quantification of potential impacts and related modelling uncertainties

International audienceThis paper addresses two major challenges in climate change impact analysis on water resources systems: (i) incorporation of a large range of potential climate change scenarios and (ii) quantification of related modelling uncertainties. The methodology of climate change impact modelling is developed and illustrated through application to a hydropower plant in the Swiss Alps that uses the discharge of a highly glacierised catchment. The potential climate change impacts are analysed in terms of system performance for the control period (1961?1990) and for the future period (2070?2099) under a range of climate change scenarios. The system performance is simulated through a set of four model types, including the production of regional climate change scenarios based on global-mean warming scenarios, the corresponding discharge model, the model of glacier surface evolution and the hydropower management model. The modelling uncertainties inherent in each model type are characterised and quantified separately. The overall modelling uncertainty is simulated through Monte Carlo simulations of the system behaviour for the control and the future period. The results obtained for both periods lead to the conclusion that potential climate change has a statistically significant negative impact on the system performance

A conceptual glacio-hydrological model for high mountainous catchments

International audienceIn high mountainous catchments, the spatial precipitation and therefore the overall water balance is generally difficult to estimate. The present paper describes the structure and calibration of a semi-lumped conceptual glacio-hydrological model for the joint simulation of daily discharge and annual glacier mass balance that represents a better integrator of the water balance. The model has been developed for climate change impact studies and has therefore a parsimonious structure; it requires three input times series ? precipitation, temperature and potential evapotranspiration ? and has 7 parameters to calibrate. A multi-signal approach considering daily discharge and ? if available ? annual glacier mass balance has been developed for the calibration of these parameters. The model has been calibrated for three different catchments in the Swiss Alps having glaciation rates between 37% and 52%. It simulates well the observed daily discharge, the hydrological regime and some basic glaciological features, such as the annual mass balance

Inondations urbaines : un indicateur géométrique caractéristique du comportement hydraulique du bâti

La prévision des inondations urbaines et de leur impact sur le milieu passe par la modélisation précise et lisible des flux inondants. Leur représentation est cependant rendue difficile par le caractère transitoire et multidirectionnel des écoulements, dans un milieu dont la géométrie est très irrégulière. Cet article traite plus spécifiquement du comportement du bâti africain vis à vis des écoulements, en situation inondante, et des lois de stockage et de vidange que l'on peut définir à différentes échelles représentatives de l'habitat : concession, bloc de concessions. Nous présentons trois propriétés du bâti nécessaires et suffisantes pour décrire le comportement hydraulique du milieu à ces échelles : sa pénétrabilité, sa stockabilité et sa transmissivité. L'étude du comportement hydraulique de l'objet bâti élémentaire, la concession, nous permet de relier ces propriétés à des caractéristiques géométriques de cet objet. Une approche agrégative conduit ensuite à définir un indicateur de la structure géométrique du bâti, l'HistoSeuil, équivalent à une densité d'ouvertures et caractéristique de la pénétrabilité du bâti. L'étude de sa pertinence géométrique, i.e. sa variabilité intra- et inter-quartiers a été réalisée dans le cas particulier de la ville de Ouagadougou (Burkina Faso) ; elle est basée sur le relevé systématique des ouvertures observables sur différentes façades de voiries de trois quartiers de types différents, (habitat individuel et spontané). Sa pertinence hydraulique, i.e. sa capacité à reproduire le comportement hydraulique moyen de l'objet urbain modélisé, est enfin abordée. Développée dans le contexte particulier de Ouagadougou, cette approche est généralisable à des configurations urbaines très diverses.Stormwater runoff generates one of the most critical natural risks in urban environments: impervious surfaces and high drainage network densities lead to frequent urban flooding events, with short process times and within small urban areas. In all parts of the world, urbanisation is growing, and urban flood hazards consequently occur more and more frequently. Examples of important flood damages suffered by urban populations are numerous, especially in tropical regions where the violence and rapidity of tropical storms often lead to an overloading of the drainage system and to the flooding of adjacent built-up areas. Prediction and evaluation of these damages require the determination of some important hydraulic characteristics of the flood, such as maximum water depth or flooding duration. Currently-used models are generally limited to checking the sewer system efficiency. Therefore new models are now expected to represent with accuracy and reliability the stormwater runoff, which can result from sewer system overloading. However, this kind of modelling is hard to carry out because of the geometric complexity of the urban media and because of the rapidity of urban storms and their associated flooding. Moreover, the modelling of the behaviour of the flooded built-up areas should sometimes be integrated into complete models of urban flooding, given their important influence on the hydrodynamics of the flood. However the geometric complexity of these built-up areas prevents us from a complete and accurate description of the different obstacles and water ways encompassed in such areas. Simplified descriptions at a larger scale are consequently to be found.This paper highlights the important physical characteristics that determine the hydraulic behaviour of every hydraulically-independent urban cell, and suggests a way to represent the exchange and storage laws of built-up areas at different scales: individual plots and blocks of plots. The study was performed in the particular case of Ouagadougou's areas. The hydraulic behaviour of every built-up area can be modelled with three important physical characteristics, the two first of which are related to the structure of the surrounding walls:- water perviousness : the ease with which the passing flood can enter or exit the plot. This is dependent upon the aperture density, which can vary according to the façade;- transmissivity: the ease with which water can pass through the plot. It depends on the perviousness of the different external or internal façades of the individual plot. If one façade is waterproof, the transmissivity becomes nil in the perpendicular direction;- storativity : determined with the storage capacity of an individual plot. It is a function of the internal surface area of the plot.These three characteristics are functions of height. Moreover, they are essential and sufficient to describe the behaviour of every basic or global urban object (plot, block of plots...). At the "block of plots" level, the transmissivity and storativity concepts are comparable to the hydraulic roughness and urban porosity concepts that have already been proposed in scientific papers (e.g., Braschi et al. 1991). These two characteristics are sufficient for modelling the hydraulic behaviour of every open urban medium. Nevertheless, some urban media are non-transmissive because of a high connection level between the different obstacles. In these cases the perviousness property is very useful for modelling the different exchanges between the built-up areas and the adjacent flooded roads. The residential urban areas of Ouagadougou, used as an illustration for this study (Figure 1), correspond to this case of partitioned urban areas. The structure of the Ouagadougou's residential districts is standard and is organised around the individual plot, a parcel shielding one or several families: the individual plot is isolated from other plots and from the roads by a surrounding wall that constitutes one of the elementary hydraulic objects of the urban environment. The evolution of the flood water depth in a plot adjacent to a flooded road, determined by equation 1, depends on its floodable surface Sc and on its perviousness. Its perviousness is defined by the geometric characteristics of the apertures present in the wall: the type of aperture, weir or orifice; its height, hs, its length, Ls, and its opening if an orifice, a. Measures of exchanges between roads and plots made during some flood events in Ouagadougou (Hingray 1999) showed that the classical discharge laws for weirs or trough orifices can be used to model these exchanges (equations 2, 3 and 4).We suggest a way to simulate the exchange and storage laws of these built-up areas at a larger scale: the block of plots. An aggregation approach enables us to define a structure indicator: " l'HistoSeuil " (Figure 2). It is based on the description of the lengths of weirs and apertures found in road façades, and is equivalent to an aperture density function. The exchange discharge between the block of plots and the flooded adjacent road can be computed with a simply convolution (equation 6) between this HistoSeuil and the reference discharge laws for broad-crested weirs (equations 7 and 8). The geometric relevance of the indicator is next discussed: it seems to be a relatively stable geometric characteristic of an urban area (Figure 3). This result is given by a systematic survey of the apertures observed in 24 road façades belonging to 3 different districts of Ouagadougou. The two first are traditional residential districts, more and less developed. The "Patte d'Oie" district is fairly old and was established in the 1970's (numerous well developed plots). The second one (Wemtenga 1) is a recent housing estate (1988) (numerous unfinished or empty plots). The final one (Wemtenga 2) is a very recent district of spontaneous development (disorganised built-up area structure). Furthermore, the hydraulic relevance of this indicator, its ability to reproduce the average hydraulic behaviour of a block of plots, is approached. Initial results seem to be positive. If both the hydraulic and geometric relevance of the structure indicator presented in this paper are validated by the additional work that we are carrying out at this present time, this approach may prove to be useful for the hydraulic modelling of built-up areas. Moreover the study of other types of built-up areas could lead to the determination of a hydraulic typology of urban areas. In particular, this study, performed in the case of Ouagadougou, a big city in a developing country, seems to be valid for every city where the built-up areas are highly partitioned

Accounting for precipitation asymmetry in a multiplicative random cascade disaggregation model

Analytical multiplicative random cascades (MRCs) are widely used for the temporal disaggregation of coarse-resolution precipitation time series. This class of models applies scaling models to represent the dependence of the cascade generator on the temporal scale and the precipitation intensity. Although determinant, the dependence on the external precipitation pattern is usually disregarded in the analytical scaling models. Our work presents a unified MRC modelling framework that allows the cascade generator to depend in a continuous way on the temporal scale, precipitation intensity and a so-called precipitation asymmetry index. Different MRC configurations are compared for 81 locations in Switzerland with contrasted climates. The added value of the dependence of the MRC on the temporal scale appears to be unclear, unlike what was suggested in previous works. Introducing the precipitation asymmetry dependence into the model leads to a drastic improvement in model performance for all statistics related to precipitation temporal persistence (wet–dry transition probabilities, lag-n autocorrelation coefficients, lengths of dry–wet spells). Accounting for precipitation asymmetry seems to solve this important limitation of previous MRCs. The model configuration that only accounts for the dependence on precipitation intensity and asymmetry is highly parsimonious, with only five parameters, and provides adequate performances for all locations, seasons and temporal resolutions. The spatial coherency of the parameter estimates indicates a real potential for regionalisation and for further application to any location in Switzerland.</p

Comportement et modélisation hydraulique des zones bâties en situation d'inondation : le cas des zones cloisonnées d'habitat individuel de Ouagadougou

Ce travail s'inscrit dans la problématique de la modélisation des inondations par ruissellement pluvial d'un secteur urbanisé. La caractérisation des champs d'inondation résultant d'un aléa climatique donné nécessite de modéliser différents phénomènes : la transformation des précipitations en ruissellements, la propagation des écoulements qui en résultent dans le réseau d'assainissement du secteur étudié et la circulation des flux de débordement dans le tissu urbain lorsque ce réseau est défaillant. Le travail présenté dans ce mémoire concerne la dernière de ces diverse étapes. Ses objectifs sont d'une part, de montrer dans quelle mesure il peut être nécessaire d'intégrer dans une telle modélisation le comportement hydraulique des zones bâties et, d'autre part, d'étudier la pertinence d'une modélisation hydraulique simplifiée des zones bâties cloisonnées. Pour évaluer le rôle des zones bâties sur le contrôle d'une inondation, nous comparons d'abord, en étudiant l'ouverture de différents quartiers potentiellement inondés, la transmissivité hydraulique de leur réseau de drainange principal (voirie) à celle de leur partie bâtie. Nous estimons ensuite l'influence du volume stocké par la partie bâtie inondée sur le laminage de la crue. Pour ces deux aspects, transfert et stockage, nous identifions les caractéristiques du milieu (et celles de l'aléa à l'origine de l'inondation pour l'aspect stockage) qui conditionnent l'importance des zones bâties dans le contrôle d'une inondation. Nous montrons enfin comment le rôle des zones bâties peut varier en étudiant différents types de quartiers de Ouagadougou (Burkina Faso). La modélisation des zones bâties, lorsqu'elle est nécessaire, est envisagée dans le cas particulier des zones d'habitat individuel de la ville... (D'après résumé d'auteur

Simple uncertainty frameworks for selecting weighting schemes and interpreting multimodel ensemble climate change experiments

Future climate change projections are often derived from ensembles of simulations from multiple global circulation models using heuristic weighting schemes. This study provides a more rigorous justification for this by introducing a nested family of three simple analysis of variance frameworks. Statistical frameworks are essential in order to quantify the uncertainty associated with the estimate of the mean climate change response. The most general framework yields the “one model, one vote” weighting scheme often used in climate projection. However, a simpler additive framework is found to be preferable when the climate change response is not strongly model dependent. In such situations, the weighted multimodel mean may be interpreted as an estimate of the actual climate response, even in the presence of shared model biases. Statistical significance tests are derived to choose the most appropriate framework for specific multimodel ensemble data. The framework assumptions are explicit and can be checked using simple tests and graphical techniques. The frameworks can be used to test for evidence of nonzero climate response and to construct confidence intervals for the size of the response. The methodology is illustrated by application to North Atlantic storm track data from the Coupled Model Intercomparison Project phase 5 (CMIP5) multimodel ensemble. Despite large variations in the historical storm tracks, the cyclone frequency climate change response is not found to be model dependent over most of the region. This gives high confidence in the response estimates. Statistically significant decreases in cyclone frequency are found on the flanks of the North Atlantic storm track and in the Mediterranean basin

Le partage de la ressource en eau sur la Durance en 2050 : vers une évolution du mode de gestion des grands ouvrages duranciens ?

Congrès SHF: Water Tensions in Europe and in the Mediterranean: water crisis by 2050?, Paris, FRA, 08-/10/2015 - 09/10/2015International audienceUne vision prospective de la gestion de l'eau du bassin de la Durance et des territoires alimentés par ses eaux à l'horizon 2050 a été élaborée, appuyée par une chaine de modèles incluant des représentations du climat, de la ressource naturelle, des demandes en eau et du fonctionnement des grands ouvrages hydrauliques (Serre-Ponçon, Castillon et Sainte-Croix), sous contraintes de respect des débits réservés, de cotes touristiques dans les retenues et de restitution d'eau stockée pour des usages en aval. Cet ensemble, validé en temps présent, a été alimenté par des projections climatiques et paramétré pour intégrer les évolutions du territoire décrites par des scénarios de développement socio-économique avec une hypothèse de conservation des règles de gestion actuelles. Les résultats suggèrent à l'horizon 2050 : une hausse de la température moyenne de l'air impactant l'hydrologie de montagne ; une évolution incertaine des précipitations ; une réduction des stocks de neige et une fonte avancée dans l'année qui induisent une réduction des débits au printemps ; une diminution de la ressource en eau en période estivale ; une diminution de la demande globale en eau à l'échelle du territoire, cette demande étant fortement conditionnée par les scénarios territoriaux élaborés ici ; la satisfaction des demandes en eau en aval des ouvrages considérées comme prioritaires, au détriment de la production d'énergie en hiver (flexibilité moindre en période de pointe) et du maintien de cotes touristiques en été ;une diminution de la production d'énergie due notamment à la réduction des apports en amont des ouvrages hydroélectriques

Étude expérimentale du comportement dynamique des engrenages cylindriques

Les mesures expérimentales sur la dynamique des engrenages sont un domaine encore incomplet de la littérature. En général, seules l'influence des rapports de conduite ainsi que des dépouilles en tête de dent sont étudiées. Ces expériences se limitent souvent à vérifier les modèles numériques établis d'un engrenage. Certaines autres études portent sur l'influence de défauts sur la dynamique. Il demeure nécessaire d'étudier l'influence de divers paramètres de conception sur la dynamique afin de différencier l'influence des défauts à l'influence des paramètres de conception. Les vibrations de l'arbre et les contraintes en compression subies par les dents sont étudiées à l'aide d'un plan d'expérience où le pas diamétral, l'angle d'hélice, la largeur de dent, le nombre de dents, le couple appliqué et la vitesse de rotation varient. Deux arbres en rotation composent ce banc, un des arbres reçoit le dynamomètre mécanique introduisant le couple, l'autre est entraîné par le moteur. Les paires de roues du plan d'expérience (16), sont placées à une extrémité des arbres, à l'autre extrémité, on trouve des roues possédants trois fois plus de dents pour fernier le circuit et ne pas perturber les vibrations des engrenages à tester. Les contraintes sont mesurées à l'aide de jauges de défomiations, et les vibrations sont mesurées en rotation à l'aide de deux accéléromètres. Le relevé des contraintes ne s'est pas révélé satisfaisant. En effet, les valeurs de contraintes trouvées ne correspondaient pas avec les valeurs théoriques prédites par l'AGMA. La vitesse de déformation des jauges s'est révélée trop lente pour suivre les déformations réelles des roues. Pour ce qui est des accélérations, les données recueillies montrent l'ensemble des fréquences participant à l'énergie vibratoire. Les harmoniques de la fréquence d'engrènement et leurs modulations ont été identifiées. Les valeurs efficaces, les kurtosis et les facteurs de crête ont été calculés et permettent de classer l'importance des paramètres sur les vibrations des engrenages. De nouveaux paramètres plus pertinents se sont dégagés de cette étude. Tout d'abord, il est nécessaire de posséder un grade de qualité élevé pour étudier au mieux l'influence des autres paramètres, un grade de qualité faible augmente les erreurs de transmission. Un rapport de conduite élevé ou entier est préférable pour limiter l'énergie vibratoire. Des roues légères réduisent les vibrations par rapport à des roues pesantes. Les vibrations augmentent de manière importante avec la vitesse. Enfin, pour limiter l'influence du couple sur les vibrations, il est nécessaire de tenir compte du rapport entre le pas diamétral et le couple. En effet pour des roues à dents épaisses, le couple possédera moins d'influence que pour des roues à dents minces