Expertise hydrique et barrages
Le Ministère utilise différentes méthodes pour déterminer les débits d’étiage, lesquels constituent des éléments essentiels du processus d’analyse de certains dossiers environnementaux.
La connaissance des débits d'étiage est fort utile pour évaluer un débit à prélever, pour maintenir un débit minimal ou pour estimer les charges de contaminants qui peuvent être déversées sans compromettre l’intégrité du milieu aquatique et les usages qui y sont liés (vie aquatique, prise d'eau, etc.).
Les dossiers qui requièrent le calcul de débits d'étiage concernent notamment la production hydroélectrique, la gestion des eaux retenues par des barrages dans les lacs et les réservoirs, le détournement de cours d'eau, l’approvisionnement des villes et des industries en eau potable, la fabrication de neige artificielle, l'irrigation (atocatières, bleuetières, terrains de golf, etc.), les piscicultures et le traitement des eaux usées d'origines domestique et industrielle.
Les présentes lignes directrices visent à présenter les notions de base
relatives à l’estimation des débits d’étiage et les méthodes couramment
utilisées par le Ministère. Elles ont aussi pour but de préciser le cadre
dans lequel ces analyses peuvent être réalisées par un professionnel compétent
en hydrologie.
Un étiage se définit comme une « baisse périodique des eaux d’un cours d’eau » ou comme « le plus bas niveau des eaux » (Le Petit Robert, 2012). Il s’agit donc des débits observés en période de sécheresse, soit lorsque l’apport en eau de ruissellement est faible ou nul et que seul l’écoulement souterrain alimente les eaux de surface. Au Québec, l’hiver est souvent propice aux étiages importants, puisque les précipitations solides s’accumulent en surface sans atteindre le réseau de drainage ni la nappe d’eau souterraine. Les étiages peuvent aussi être observés en été ou au début de l’automne lorsque les précipitations se font rares pendant des périodes plus ou moins prolongées.
Les deux variables les plus demandées au Ministère sont les suivantes :
Le régime d’écoulement naturel des cours d’eau d’un bassin versant peut
subir une influence anthropique. Celle-ci peut être liée, par exemple, à
la présence d’ouvrages de retenue gérés, au drainage agricole, à des prélèvements
ou à des rejets dans le milieu récepteur.
Au Ministère, la caractérisation du degré d’influence anthropique d’un bassin
versant se limite principalement à évaluer les effets de la gestion des
barrages présents sur le débit d’un cours d’eau, le cas échéant.
Dans une étude hydrologique sur les débits d’étiage, il est important de tenir compte des effets des changements du régime d’écoulement passés ou à venir sur le cours d’eau. Bien que cette précaution soit fondamentale, il arrive que de l’information manque. Certaines études sur les étiages sont donc basées sur des données hydrologiques historiques qui ne représentent plus la réalité et d’autres reposent sur l’hypothèse que des ouvrages présents sur les cours d’eau ont peu d’effet sur le régime d’écoulement, ce qui n’est pas nécessairement le cas.
Au Ministère, on distingue trois types de régimes d’écoulement selon la présence et l’effet des barrages :
Les données hydrométriques disponibles proviennent de différentes sources : MELCCFP, Environnement Canada, Hydro-Québec, Rio Tinto Alcan (RTA) et United States Geological Survey (USGS).
En général, les analyses hydrologiques réalisées au Ministère tiennent
compte des données hydrométriques enregistrées à partir de 1970. Lors d’analyses
visant à caractériser le régime hydrologique d’un cours d’eau, le choix
de l’historique de données utilisé doit tenir compte des changements qui
peuvent avoir eu lieu au fil du temps : utilisation du sol, ouvrages de
rétention, climat, etc. L’objectif est de réaliser l’analyse avec les données
qui représentent les conditions actuelles d’écoulement et il prime celui
d’avoir le plus long historique de données.
Lorsqu’un nombre suffisant de données est disponible, c’est-à-dire au moins dix ans de données journalières, les débits d’étiage sont généralement évalués à partir d’une étude hydrologique dite « classique ». Celle-ci consiste à ajuster une loi statistique aux débits minimaux enregistrés à une station hydrométrique située sur la rivière à l’étude.
Toutefois, préalablement à l’ajustement d’une loi statistique, il faut s’assurer que la série de données confirme les hypothèses de base. Théoriquement, les données qui composent l’échantillon doivent être indépendantes, stationnaires et homogènes pour qu’une loi statistique puisse être retenue.
Ensuite, l’ensemble des lois statistiques généralement utilisées en hydrologie est ajusté pour estimer les débits minimaux de récurrence de 2 ans, de 5 ans et de 10 ans, d’une durée de 7 ou de 30 jours consécutifs (Q2,7, Q10,7 ou Q5,30), selon les périodes désirées (hivernale, estivale, etc.). À la suite de l’analyse des ajustements, basée sur le critère d’adéquation bayésien et sur la représentation graphique, la loi qui décrit le mieux l’échantillon de données est retenue. Pour différentes raisons, une loi autre que celle choisie selon le critère d’adéquation bayésien peut être retenue.
Au Ministère, ces analyses statistiques sont réalisées à l’aide du logiciel d’ajustement de lois statistiques Hyfran-Plus (Bobée et collab., 2008). Ce dernier a été mis au point au Centre Eau, Terre Environnement de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS-ETE). Il permet notamment la vérification des hypothèses de base, en plus de fournir les valeurs du critère bayésien et la représentation graphique des ajustements qui aident à sélectionner la meilleure loi. Ce logiciel est distribué par Water Resources Publications et peut être acheté et téléchargé à partir de son site Web.
Lorsque la série des données est trop courte pour qu’on puisse effectuer une étude hydrologique dite « classique », on peut envisager de l’allonger en considérant une ou plusieurs stations hydrométriques qui permettront d’augmenter sa longueur sur une période d’au moins 10 ans.
Plusieurs méthodes de niveaux de complexité différents existent pour effectuer une telle opération, la plus simple étant l’ajustement d’une régression appropriée sur les débits des stations visées. De l’information à ce sujet, et sur d’autres méthodes, peut être trouvée à la section 19.4 du document Handbook of Hydrology et dans plusieurs autres sources dans la littérature.
L’extension de séries de débit est une méthode peu utilisée au Ministère. Le professionnel en hydrologie qui désire l’employer doit bien documenter sa méthodologie.
Cependant, il peut arriver qu’aucune station hydrométrique ne permette d’allonger la série de données. Dans ce cas, il faut procéder selon la méthodologie exposée à la section 5.4, en validant par la suite les résultats avec les données disponibles.
Il est possible de procéder à une estimation des débits d’étiage pour des sites situés en amont ou en aval d’une station hydrométrique, en transposant les débits d’étiage obtenus à la station à l’aide de l’équation suivante :
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(5.1) |
où QT1 : Débit d’étiage de récurrence T au site étudié QT2 : Débit d’étiage de récurrence T au site jaugé A1 et A2 : Superficies des bassins versants, respectivement au site étudié et au site jaugé a : Exposant régional.
L'utilisation de cette équation est communément appelée « transfert de bassin versant ». Il est possible de déterminer l'exposant a s’il existe deux stations hydrométriques pour lesquelles des données sont disponibles en nombre suffisant, c’est-à-dire une station avec les données de laquelle l’analyse statistique est réalisée et une autre qui fournit quelques données sur le cours d’eau étudié. Des détails additionnels sur la valeur de a peuvent être trouvés dans Anctil et collab. (2005, section 8.6). Par défaut, une valeur de 1 peut être utilisée (WMO, 2008, section 9.2). Il est généralement admis que l’équation (5.1) donne de meilleurs résultats si A1/A2, soit le rapport des superficies de bassins versants, varie de 0,5 à 2,0.
Un transfert de bassin versant peut également être réalisé entre deux cours d'eau distincts. Voir la section 5.4 à ce sujet.
La plupart des demandes d’étude sur les débits d’étiage font partie de cette catégorie. L’évaluation des débits d’étiage Q2,7, Q10,7 et Q5,30 peut se faire comme suit :
D'autres méthodes similaires présentées dans la littérature peuvent être utilisées.
La prise de mesures du débit en continu au site étudié pendant une dizaine d’années peut éventuellement permettre de préciser les valeurs de débits d’étiage retenues. La prise de mesures ponctuelle ou pendant une période courte peut permettre une comparaison avec l’ordre de grandeur des valeurs retenues. Toutefois, les débits d’étiage sont des valeurs statistiques basées sur de longues séries de données qui ne peuvent pas être remplacées par quelques mesures.
Les besoins en calculs de débits d’étiage concernent souvent les petits
bassins versants (dont la superficie est inférieure à 100 km²). Comme la
représentativité des stations hydrométriques dans cette classe de superficie
est faible au Québec, il est difficile de faire des estimations précises
pour de tels bassins. Pour les petits bassins versants, on peut améliorer
les estimations en effectuant une prise de mesures en continu pendant une
période d’une dizaine d’années sur le cours d’eau étudié. Par la suite,
des corrélations peuvent être établies avec des stations hydrométriques
existantes.
En général, ces sites sont situés en aval de réservoirs dont la gestion influence sur une base mensuelle ou annuelle le régime d’écoulement du cours d’eau.
Débits classés
Dans la majorité des cas, c’est la caractérisation des débits influencés qui doit être effectuée puisque ces débits représentent la réalité du régime d’écoulement du cours d’eau. Une analyse par classement des débits est généralement utilisée pour déterminer les débits d’étiage qui, dans un tel cas, sont souvent liés directement aux conditions de gestion d’un barrage. Lorsqu’un changement dans les conditions de gestion survient, un nouveau calcul des débits d’étiage s’avère souvent nécessaire puisque ces nouvelles conditions peuvent modifier le régime d’écoulement en période d’étiage.
L’évaluation de débits d’étiage par la méthode des débits classés se fait en classant d’abord les valeurs de débits d’étiage annuels en ordre croissant. On attribue ensuite un rang à chacune de ces valeurs, la première étant au rang 0. Par exemple, si l’échantillon comprend 20 valeurs, les rangs attribués vont de 0 à 19. Par la suite, la probabilité de non-dépassement est calculée pour chaque valeur avec l’équation suivante :
 |
(5.2) |
| où | P : | Probabilité de non-dépassement sur une année, entre 0 et 1 |
| N: | Nombre de données dans l’échantillon |
La probabilité de non-dépassement étant associée à une période de récurrence
(T), par exemple
0,1 = 10 ans, 0,2 = 5 ans et 0,5 = 2 ans, la valeur de débit d’étiage de
la récurrence recherchée peut être établie (Hingray et collab., 2009, section
8.2). Si la valeur recherchée se trouve entre deux valeurs, elle peut être
déduite par interpolation linéaire.
 |
(5.3) |
| où | T : | Période de récurrence |
Reconstitution des apports
Pour obtenir des débits d’étiage naturels, il faut d’abord reconstituer les débits d’apports en utilisant les débits à la sortie du réservoir et la variation de l’emmagasinement du réservoir à l’aide de l’équation suivante :
 |
(5.4) |
où Qe : Débit total entrant dans le réservoir en mètres cubes/seconde (m3/s) Qs : Débit total sortant du réservoir en mètres cubes/seconde (m3/s) ΔS Variation de l’emmagasinement en mètres cubes (m3) Δt Intervalle de temps en secondes (s)
Avant de pouvoir utiliser cette méthode, il est nécessaire de tracer la courbe d’emmagasinement du réservoir. Une fois les débits reconstitués, le cas peut être traité suivant la méthodologie exposée à la section 5.1.
L’analyse d’un tel cas peut s’avérer complexe. La connaissance de la façon dont les débits d’étiage sont influencés est nécessaire à leur évaluation. Par exemple, il faut s’informer sur le mode de gestion d’un barrage qui influence les débits dans le secteur étudié et sur les données disponibles.
La détermination des débits d’étiage des très petits bassins versants est une question complexe, et la littérature scientifique sur le sujet est très limitée. Dans les très petits bassins versants, le régime d’écoulement est particulier car il est influencé par de nombreux paramètres locaux. De plus, l’écoulement est souvent intermittent, c’est-à-dire que le cours d’eau est à sec durant une partie plus ou moins longue de l’année.
Dans l’état des connaissances actuelles, le Ministère ne peut pas statuer sur le caractère intermittent ou permanent d’un cours d’eau si des données de débits de ce cours d’eau pour une longue période manquent ou si le témoignage de riverains de longue date n’est pas disponible. De plus, il n’est pas possible de déterminer les statistiques de débits d’étiage d’un cours d’eau intermittent sans connaître son débit journalier sur une longue période. Les analyses régionales habituellement employées ne peuvent pas s’appliquer car elles généreraient une erreur considérable et impossible à évaluer. En effet, le Ministère possède peu de stations hydrométriques dans de petits bassins versants, et les données qui y sont enregistrées ne sont pas nécessairement transférables à un autre bassin versant.
Historiquement, on considère que l’écoulement dans les bassins versants dont la superficie est inférieure à 5 km2 présente un risque élevé d’intermittence. Dans cette situation, le Ministère ne fournit pas de statistiques de débits d’étiage, et tous les quantiles d’étiage fournis (Q2,7, Q10,7 et Q5,30) sont systématiquement fixés à 0 l/s.
Si toutefois un consultant fournissait une expertise démontrant que le cours d’eau dont le bassin versant a une superficie inférieure à 5 km2 n’est pas intermittent, le Ministère serait disposé à étudier davantage le cas. Pour démontrer la permanence de l’écoulement, une telle expertise devrait comprendre la mesure journalière du débit du cours d’eau pendant une période d’au moins deux ans. Malgré tout, il est entendu que le calcul des débits d’étiage pour de très petits bassins versants comporte un degré d’incertitude élevé, fournissant des ordres de grandeur plutôt que des valeurs précises.
Selon les règles de pratique usuelles et reconnues, l’évaluation des débits d’étiage des cours d’eau repose sur les séries de données de débit enregistrées par les stations hydrométriques du réseau exploité sur le territoire québécois. Les débits d’étiage d’un cours d’eau non jaugé, c’est-à-dire sans la présence d’une station hydrométrique, peuvent être estimés en utilisant les débits enregistrés sur un autre cours d’eau, si les bassins versants des deux cours d’eau ont des caractéristiques physiographiques similaires.
Toutefois, dans le Nord du Québec, la représentativité spatiale des stations hydrométriques exploitées par le Ministère est très faible. La région du Nord considérée aux fins du présent exercice correspond aux régions hydrographiques 07, 08, 09 et 10. En effet, la région du Nord comporte peu de stations où des analyses d’étiage ont pu être réalisées, et ces stations sont majoritairement situées sur des cours d’eau dont le bassin versant a une superficie supérieure à 1 000 km2.
Dans ce contexte, l’évaluation de débits d’étiage sur un petit bassin versant situé dans le Nord du Québec avec la méthode actuellement utilisée pour le Sud ne nous semble pas en mesure de fournir des données valables. Les quelques stations à partir desquelles des débits d’étiage peuvent être évalués ne peuvent servir qu’à une estimation imprécise. En effet, le bassin versant de ces stations risque d’avoir des caractéristiques très différentes de celles des petits bassins versants : superficie, climat (précipitations, température, gel du sol, etc.), pédologie et occupation du territoire (végétation, pourcentage de lacs, etc.).
Ainsi, dans les conditions actuelles, une approche différente est privilégiée
pour évaluer des débits d’étiage dans le Nord du Québec. Les hydrologues
du Ministère ont élaboré des équations afin d’estimer des valeurs de débits
d’étiage à un site à partir de la superficie de son bassin versant. Dans
une optique de précaution, l’incertitude de cette méthode étant grande,
le Ministère a conçu cette approche en faisant des choix sécuritaires. Elle
fournit des valeurs de débits d’étiage qui risquent d’être inférieures aux
valeurs réelles inconnues. Les équations et la méthodologie qui y est associée
sont présentées dans ce
document
d’estimation des débits d’étiage pour le Nord du Québec
(
PDF,
680 ko)
Dans certains cas, les stations hydrométriques situées dans le Nord peuvent tout de même être utilisées individuellement pour la détermination de débits d’étiage à des sites non jaugés, si un professionnel compétent juge que le régime hydrique à la station est représentatif du débit au site non jaugé.
L’Atlas hydroclimatique du Québec méridional décrit le régime hydrique actuel et futur du Québec méridional dans le but de soutenir la mise en œuvre de pratiques de gestion de l’eau résilientes aux changements climatiques. Il rend disponibles les valeurs de débits pour 76 indicateurs hydrologiques, dont de nombreux indicateurs d’étiage, pour près de 10 000 tronçons jaugés et non jaugés du Québec méridional. Les résultats sont disponibles pour la période de référence (1981-2010), ainsi que pour trois horizons futurs permettant une évaluation de l’impact des changements climatiques jusqu’à la fin du siècle. Une estimation de l’incertitude accompagne toutes les données.
Le rapport technique décrivant en détail la méthodologie sera ajouté au cours de 2023.
Le Ministère possède une banque de données hydrométriques permettant d’évaluer des débits d’étiage dans la région du Québec située au sud du 52e parallèle. Les données historiques enregistrées par les stations hydrométriques peuvent être consultées sur le site Web Expertise hydrique et barrages du Ministère.
Un tableau et des cartes présentant les débits à certaines stations hydrométriques sont également disponibles.
Un rapport d’analyse hydrologique de débits d’étiage doit contenir les éléments suivants :
Un professionnel compétent dans le domaine de l’hydrologie familier avec ce type d’analyse peut réaliser des études de détermination de débits d’étiage.
L’hydrologue dispose de différentes méthodes d’estimation des débits d’étiage pour réaliser des projets impliquant les ressources en eau. Le présent guide ne prétend pas contenir toutes les méthodes. Il présente celles que le Ministère utilise couramment pour donner des avis techniques ou effectuer des analyses hydrologiques de débits d’étiage.
Une méthode d’estimation des débits d’étiage Q2,7, Q10,7 et Q5,30, même précise, peut fort bien être à l’origine d’estimations erronées si les paramètres régionaux et si les facteurs qui permettent de porter un jugement sur les résultats ne sont pas jumelés à une bonne connaissance du site étudié. Lorsque les analyses sont basées sur des données provenant d’un cours d’eau éloigné des sites étudiés, les estimations peuvent être améliorées par des campagnes de mesures du débit sur les cours d’eau étudiés.
ANCTIL, François, ROUSSELLE, Jean, et Nicolas LAUZON (2005). Hydrologie : cheminements de l’eau, Presses internationales Polytechnique, 317 p.
BOBÉE, Bernard, et collab. (2008). Hyfran 2.2 (logiciel hydrologique
: Chaire en hydrologie statistique CRNSG/Hydro-Québec), INRS-Eau, Terre
Environnement, Université du Québec, Québec.
HINGRAY, Benoît, PICOUET, Cécile, et André MUSY (2009). Hydrologie. 2 Une science pour l’ingénieur, Presses polytechniques et universitaires romandes, 600 p.
LACHANCE-CLOUTIER, S., et collab. (2012) Estimation des débits d’étiage pour le Nord du Québec, ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs.
MAIDMENT, David R. (1992). Handbook of Hydrology, McGraw-Hill, Inc.
MINISTÈRE DE L’ENVIRONNEMENT, DE LA LUTTE CONTRE LES CHANGEMENTS CLIMATIQUES, DE LA FAUNE ET DES PARCS (2022). Guide de l’Atlas hydroclimatique du Québec méridional 2022,. [En ligne], www.cehq.gouv.qc.ca/atlas-hydroclimatique/guide-atlas-hydroclimatique-2022.pdf.
World Meteorological Organization (2008). Manual on Low-flow. Estimation and Prediction, Operational Hydrology Report No.50, 136 p.
Mise à jour : janvier 2023
Lois et règlements
