Laboratoire virtuel pour le développement d'approches de calage des modèles hydrologiques adaptées et efficaces

Le programme de recherche proposé s'intéresse Au calage automatique des parametres des modèles hydrologiques（MH）.该calage构成，de façon générale，un problème d'optimization visant à identifier un jeu de parametres whi minimize une fonsiderable objectif quantifiant le niveau d'adjustement entre la response hydrologique simulée et des observations（souvent des débits en rivière），sur un donné。这条曲线代表了一种新的趋势。Cet exercise est crucial puisqu'il determine le niveau de confiance d'un utilisateur envers un modèle qui sera par la suite utilisé pour la preévision hydrologique（inondations，étiages）or la projection hydrologique（ex.：études d'impacts du changement climatique）。MH的自动计算构成了对尾部的一种保护：（i）它是一个黑色物体优化问题的解决，它意味着问题的内部结构（dérivées）ne peut être exploitée par le process d'optimization;（二）问题的维度（nombre de paramètres à optimiser）est généralement élevée（>10），ce qui donne lieu à des espaces à explorer qui sont très vastes et qu'il est impossible de caractériser intégralement;（iii）le temps de calcul pour une acquisition peut dépasser plusieurs minutes;（iv）l'équifinalité caractérise les espaces paramétriques（plusieurs optima équivalents）.**研究方案的目标由两个研究轴的研究所确定，涉及：** 轴1 -研究空间的特点和各种结构的最佳化问题的综合。这些工作主要是为了更好地利用这些信息，以便更好地确定和选择适用于不同类型MH的计算方法。为此，在文学作品中追溯的方法有五种：三种全球和概念模式，主要有4、10和23个参数;一种全球和空间模式，主要有25个参数;一种基本形体和空间模式，主要有19个参数。Chaque modèle sera appliqué à 10 abroins versants québécois whi représenteront chacun un un cas d'étude indépendant.**第2轴-在这些工作的背景下，l 'efficacité réfère à l' obtention de solutions de qualité à un coquiet en temps de calcul réduit。三个主要方面：*- L'étude de fonctions substituts dynamiques：krigeage，“radial basis functions”，polynômes quadratiques;*- L'étude des stratégies de prise en charge des substituts dynamiques de façon à décriper des stratégies efficaces;*- La combinaison du recours aux substituts dynamiques et de l'arrêt prématuré，en cours d'optimisation，de simulations hydrologiques noninformatives;这些工作在两种不同方法的最佳作用力中起作用，它们是结合起来的，并构成了一种更有效的方法。第2轴的工作是支持NOMAD在板状沉积物中的应用。Ce logiciel d'optimisation de boxette noire，qui repose sur l'algorithme“mesh adaptive direct search”，includt diverses functionnalités dont la prise en charge de substitutions dynamiques. Le modèle spatialisé et à base physique HYDROTEL（coastroteux en temps de calcul）sera utilisé et appliqué à trois fronts québécois.** A l'issue du programme de recherche，des outils et connaissances avancés pour le calage seront décés，à l'intention des hydrologues experts en modélisation.

Le programme de recherche proposé s'intéresse au calage automatique des paramètres des modèles hydrologiques (MH). Le calage constitue, de façon générale, un problème d'optimisation visant à identifier un jeu de paramètres qui minimise une fonction objectif quantifiant le niveau d'ajustement entre la réponse hydrologique simulée et des observations (souvent des débits en rivière), sur un bassin donné. Le calage est repris chaque fois qu'un MH est appliqué à un nouveau bassin. Cet exercice est crucial puisqu'il détermine le niveau de confiance d'un utilisateur envers un modèle qui sera par la suite utilisé pour la prévision hydrologique (inondations, étiages) ou la projection hydrologique (ex. : études d'impacts du changement climatique). Le calage automatique des MH pose quatre défis de taille : (i) il s'agit d'un problème d'optimisation de boîte noire, ce qui signifie que la structure interne du problème (dérivées) ne peut être exploitée par le processus d'optimisation; (ii) la dimensionnalité du problème (nombre de paramètres à optimiser) est généralement élevée (>10), ce qui donne lieu à des espaces à explorer qui sont très vastes et qu'il est impossible de caractériser intégralement; (iii) le temps de calcul pour une seule simulation peut dépasser plusieurs minutes; (iv) l'équifinalité caractérise les espaces paramétriques (plusieurs optima équivalents).**Les objectifs visés par le programme de recherche sont définis par l'entremise de deux axes de recherche, visant à :**Axe 1 - Approfondir la caractérisation des espaces de recherche et, incidemment, la compréhension des problèmes d'optimisation posés par des MH de structures variées. Les travaux de cet axe visent à permettre l'exploitation de cette information, de façon à ce qu'elle puisse orienter et justifier des choix méthodologiques quant à l'identification d'approches de calage adaptées aux divers types de MH. Pour ce faire, des métriques retracées dans la littérature seront appliquées à cinq MH différents : trois modèles globaux et conceptuels, comportant chacun 4, 10 et 23 paramètres; un modèle global et spatialisé comportant 25 paramètres; et un modèle à base physique et spatialisé comportant 19 paramètres. Chaque modèle sera appliqué à 10 bassins versants québécois qui représenteront chacun un cas d'étude indépendant.**Axe 2 - Poursuivre, dans des directions se montrant prometteuses, le développement d'approches de calage efficaces pour les MH coûteux en temps de calcul. Dans le contexte de ces travaux, l'efficacité réfère à l'obtention de solutions de qualité à un coût en temps de calcul réduit. Trois principaux aspects seront examinés, soient :*- L'étude de fonctions substituts dynamiques : krigeage, "radial basis functions", polynômes quadratiques;*- L'étude des stratégies de prise en charge des substituts dynamiques de façon à développer des stratégies efficaces;*- La combinaison du recours aux substituts dynamiques et de l'arrêt prématuré, en cours d'optimisation, de simulations hydrologiques non informatives; ces travaux seront effectués dans l'optique où les forces des deux approches pourraient être combinées et mener à des approches de calage encore plus efficaces.**Les travaux de l'axe 2 s'appuieront sur l'utilisation de NOMAD en tant que plate-forme de développement. Ce logiciel d'optimisation de boîte noire, qui repose sur l'algorithme "mesh adaptive direct search", inclut diverses fonctionnalités dont la prise en charge de substituts dynamiques. Le modèle spatialisé et à base physique HYDROTEL (coûteux en temps de calcul) sera utilisé et appliqué à trois bassins versants québécois.**A l'issue du programme de recherche, des outils et connaissances avancés pour le calage seront développés, à l'intention des hydrologues experts en modélisation.