Des hydro-électriciens face à la variabilité climatique

When making investment or management decisions in the hydroelectricity business, one must often consider the future state of water resources as a random variable. A frequent hypothesis is that of the stationarity of the process : the distribution function of past observations is representative of the distribution function of future observations. Observations of hydrologic regime changes during the twentieth century over various locations lead us to believe that we should consider such phenomena if we are to correctly assess hydrological risk, and that we should reconsider the stationarity hypothesis. Adding to the difficulty of integrating climate variability information into our models are the small samples that we must use to properly evaluate that variability. That problem created a lot of questioning in Québec during the last decade. When we study the annual inflow time series of a number of Québec''s watersheds, particularly in the northeastern part of the Québec-Labrador peninsula, we can identify alternating sequences of high and low inflows. Is the past key to the future ? Should we neglect possible shifts in the series when modelling and forecasting inflows ? Is the long term series average the best predictor for long term expected inflows ? Can we use explanatory variables to explain those changes and help with inflow forecast ? Hydro-Québec has developed and uses many models taking into account those questions. Some models use hidden Markov chains to evaluate regime changes probabilities. Others are depending on climate indices to issue forecasts. Finally, some models combine those approaches. To continue progressing, we now must add larger scale historical information to the models. Using dendrochronology data seems to be the most promising way to improve our models.Résumé : Dans l’élaboration de ses décisions de gestion ou d’investissement, l’hydro-électricien est amené à considérer l’état futur des ressources en eau comme une variable aléatoire. Pour ce faire, on a souvent adopté une approche académique consistant à supposer que la fonction de répartition des observations passées – aux fluctuations d’échantillonnage près – régissait parfaitement les réalisations futures (l’hypothèse de stationnarité). En cas de variabilité climatique, cette démarche entraîne une sous-estimation des probabilités de s’écarter des valeurs communes. Les changements de régime hydrologique observés çà et là sur la planète au XXème siècle montrent qu’il est nécessaire d’envisager de tels phénomènes pour mieux décliner le principe de précaution. Mais l’échantillon local récent étant toujours insuffisant pour apprécier exhaustivement ce type de variabilité, la difficulté est d’intégrer cette variabilité dans nos modèles tout en maîtrisant la subjectivité de l’opération. Ce problème a suscité beaucoup de questionnements et de débats au Québec depuis plus d’une dizaine d’années. En effet, si on examine les chroniques d’apports annuels de certains bassins versants québécois, en particulier pour les bassins versants du nord-est de la péninsule Québec-Labrador, on peut observer en alternance des séquences d''années consécutives de faible et de forte hydraulicité. Le passé est-il garant de l’avenir ? Doit-on négliger la possible présence de ruptures lors de la modélisation et de la prévision des apports en eau ? La moyenne de tout l’historique demeure-t-elle la meilleure prévision de l''apport des années à venir ? Existe-t-il des variables exogènes qui pourraient expliquer ces changements de régimes et qui pourraient être exploitées pour prévoir les apports à venir ? Hydro-Québec a développé et utilise plusieurs modèles proposant des réponses à ces questions. Certains envisagent les probabilités de changement de régime selon une chaîne de Markov cachée. D’autres s’appuient sur des indicateurs climatiques, voire des prévisions météorologiques saisonnières. D’autres, enfin, combinent ces deux approches. L’ajout d’une information historique plus large est aujourd’hui nécessaire pour aller plus loin. La piste la plus prometteuse dans ce sens est l’exploitation des données fournies par la dendrochronologie.Perrault Luc, Garçon Rémy, Gaudet Jocelyn. Des hydro-électriciens face à la variabilité climatique. In: Variations climatiques et hydrologie. Le climat, ses variations séculaires et ses changements pronostiqués : quel impact sur l'hydrologie (ressources en eau et évènements rares, étiages - crues). 29èmes Journées de l'Hydraulique. Congrès de la Société Hydrotechnique de France. Lyon, 27-28 mars 2007. 2007

7 -Exemple de prévision et de simulation opérationnelle des débits d'étiages pour les besoins d'EDF

En situation d’étiage, il devient difficile de gérer l’ensemble des besoins liés à la ressource en eau. EDF, en particulier, utilise cette ressource à des fins énergétiques tant pour des moyens de production thermiques, qui nécessitent un débit minimal pour leur refroidissement et pour la dilution de leurs effluents, que pour ses moyens de production hydrauliques dont les réserves permettent d’économiser des combustibles onéreux durant les période à forte demande. Cet usage de l’eau ne peut se faire en ignorant la demande supplémentaire correspondant à d’autres besoins, agricoles, industriels, touristiques ou relatifs à la qualité de l’eau. Dans ces conditions, pour la gestion optimale d’une retenue d’eau, la connaissance et la prévision à court terme des débits naturels permettent de lâcher de l’eau en quantité suffisante pour satisfaire les besoins aval tout en l’économisant au maximum pour faire face aux besoins futurs. Par ailleurs, la simulation de scénarios hydrologiques à long terme permet de probabiliser à l’avance l’occurrence d’événements identifiés comme critiques, tels le franchissement de certains seuils de débit, ou leur persistance dans le temps, pour finalement anticiper les conséquences de ces événements sur l’exploitation du parc de production. EDF se dote donc progressivement des outils nécessaires à la connaissance et à la prévision de la ressource en eau en étiage : stations pluviométriques et hydrométriques, modèles de prévision hydrologiques conceptuels et statistiques, serveurs de données, modèles d’analyse statistique d’indicateurs d’ étiage, tableau de bord de la ressource en eau. Cette démarche est illustrée par les réalisations et les développements actuels sur les bassins de la Vienne et de la Loire.Garçon Rémy, Carré Cécile, Lyaudet P. 7 -Exemple de prévision et de simulation opérationnelle des débits d'étiages pour les besoins d'EDF. In: L'école française de l'eau au service du développement mondial. Congrès de la Société Hydrotechnique de France. 25èmes journées de l'hydraulique. Chambéry, du 15 au 18 septembre 1996. Tome 2, 1998

La prévision hydrométéorologique opérationnelle : l'expérience d'Electricité de France

Le concept d'hydrométéorologie opérationnelle imaginé dans les années 70 a été mis en oeuvre à Electricité de France au début des années 80 à la Division Technique Générale (DTG). L'intérêt de cette activité à EDF ne s'est ensuite jamais démenti. Son périmètre, initialement limité aux besoins de gestion des aménagements hydro-électriques, s'est peu à peu étendu à l'ensemble du parc de production auquel il apporte aujourd'hui une aide reconnue pour répondre à trois enjeux : la sûreté des installations, le respect des exigences réglementaires et l'optimisation de la ressource en eau. La prévision des débits et la surveillance du risque hydrologique s'appuient sur un important réseau de mesure de terrain et sur l'exploitation de modèles météorologiques et hydrologiques ; cette organisation est illustrée par l'exemple de l'épisode cévenol de novembre 2008. Le scénario futur de précipitation constitue toujours la principale source d'incertitude des prévisions de débit et interdit pour le moment toute idée d'automatisation des prévisions. Dans l'attente, le maintien en compétence d'équipes de prévisionnistes expérimentés demeure une nécessité

Incertitudes sur les débits issus des courbes de tarage : Estimation de l’incertitude d’un débit sur le réseau hydrométrique d’EDF-DTG

Water resources management is a central concern for EDF, both in the fields of safety, regulation and energy production. To meet these needs, EDF manage an hydrometric network composed by more than 350 stations. Thus, ensuring the streamflow data quality has become a priority for EDF-DTG. EDF-DTG, like other data producers, faces some gauging stations whose hydraulic control sections are moderately to poorly stable. This is the reason why, a model of streamflow uncertainty, based on the use of historical gauging, was developed. Compared to classical approaches used to estimate streamflow uncertainty, this model is more suitable for our hydrometric pratices.La gestion de l’eau est au centre des préoccupations d’EDF, aussi bien dans les domaines de la sûreté, la réglementation, la production d’énergie, que du multi-usage de l’eau. Afin de répondre à ces besoins, EDF-DTG gère un réseau de mesure de débit de plus de 350 stations. Garantir la qualité des données de débit, tout en estimant leur incertitude est devenu un objectif majeur pour EDF-DTG. Comme tout gestionnaire de réseau, EDF-DTG est confronté à des stations de jaugeage dont les sections de contrôle sont moyennement à peu stables dans le temps. Ceci l’a amené à développer un modèle d’estimation des incertitudes des débits, basé sur la valorisation de l’historique des jaugeages, tout en prenant en compte la vie de la station. Par rapport aux approches d’estimation de l’incertitude classiquement utilisées, ce modèle est plus adapté à nos pratiques de l’hydrométrie et traduit de manière empirique le ressenti des hydromètres, confrontés à la réalité de la mesure.Mathevet Thibault, Carré Cécile, Garçon Rémy, Perret Christian. Incertitudes sur les débits issus des courbes de tarage : Estimation de l’incertitude d’un débit sur le réseau hydrométrique d’EDF-DTG. In: Mesures Hydrologiques et Incertitudes en Hydrométrie et Qualité de l’eau. Paris, 1 et 2 avril 2008. 2008

5. - Nouveaux outils pour la prévision hydrométéorologique et le suivi des systèmes précipitants. L'exemple du 22 septembre 1992

Sans revenir sur le déroulement météorologique de l'épisode du 22 Septembre 1992, on montre l’intérêt, pour la compréhension du phénomène et de sa dynamique, de la cartographie continue des champs de pluies horaires en utilisant : d'abord les données, les plus complètes possibles, d’un réseau sol de plus de 300 stations ; puis les données issues du radar météorologie de Nîmes-Manduel. On en tire des enseignements sur la structure interne du système précipitant et sur la complémentarité des données sol et des données radar. On évoque également l'intérêt des informations issues du système METEORAGE de localisation des impacts de foudre et l'on compare la distribution spatiale de ces impacts avec les cartes horaires de précipitations sus-citées.Tourasse Patrick, Garçon Rémy, Obled Charles, Aubonnet V., Dufour C. 5. - Nouveaux outils pour la prévision hydrométéorologique et le suivi des systèmes précipitants. L'exemple du 22 septembre 1992. In: Crues et inondations. 23èmes journées de l'hydraulique. Congrès de la Société Hydrotechnique de France. Nimes (France), 14-15-16 septembre 1994. Tome 2, 1994

Prévision hydrométéorologique opérationnelle à EDF-DTG – Progrès récents et état des lieux en 2018

À la fois pour aider au passage des crues mais aussi pour optimiser sa production hydroélectrique, EDF s'est dotée dans les années 1970 de centres hydrométéorologiques internes afin d'assurer une surveillance des débits et de réaliser des prévisions hydrométéorologiques. Depuis leur création, ces centres ont vu leur activité progresser régulièrement, intégrant au fil des ans de nouveaux enjeux, profitant des avancées méthodologiques réalisées, mettant en œuvre de nouvelles organisations tout en faisant évoluer les supports de diffusion et les informations communiquées. La chaîne de prévision opérationnelle est présentée, avec une attention particulière portée sur les traitements automatiques et sur la place de l'expertise humaine dans les prévisions probabilistes journalières de débits et les prévisions déterministes horaires. Enfin, une revue des principales pistes de préparation de l'avenir est réalisée