Évaluation du débit réservé par méthodes hydrologiques et hydrobiologiques Instream flow evaluation by hydrologically-based and habitat preference (hydrobiological) techniques

Résumé

Plusieurs méthodes existent pour calculer le débit réservé d'un cours d'eau. Dans la présente étude deux approches sont analysées, soit les approches par méthodes hydrologiques et hydrobiologiques. Cinq méthodes hydrologiques d'évaluation du débit réservé ont été appliquées au ruisseau Catamaran au Nouveau-Brunswick (Canada), ainsi qu'une méthode hydrobiologique. Parmi les méthodes hydrologiques, on retrouve la méthode de Tennant, celle de 25% du débit moyen annuel (DMA), la méthode du débit médian (Q50) mensuel, 90% du débit classé (Q₉₀) et la méthode basée sur l'analyse statistique de fréquence des débits faibles (7Q10). La méthode hydrobiologique utilisée dans la présente étude fut l'application du modèle PHABSIM pour le saumon Atlantique juvénile. Ce modèle est calibré en utilisant les données de vitesse d'écoulement (V), profondeur d'eau (D) et grosseur du substrat (S) pour trois différents débits. L'application des méthodes hydrologiques a démontré que certaines méthodes telle que la méthode Tennant, 25% DMA et la méthode du débit médian, donnent des résultats similaires surtout en période d'étiage. D'autre part, deux méthodes en particulier, soit la méthode de 90% du débit classé et celle basée sur une analyse statistique des débits faibles prédisent un débit réservé très faible en période d'étiage.

Une modélisation de l'habitat physique du ruisseau Catamaran démontre que l'habitat disponible maximal se trouve généralement aux environs du débit moyen. De plus, il a été observé qu'en appliquant les modèles hydrologiques, l'habitat disponible était réduit par rapport à l'habitat maximum prédit par PHABSIM. En effet, l'habitat résultant de l'application de Tennant (30% DMA) et du 25% DMA représente environ 70% de l'habitat disponible maximum. Le débit calculé par la méthode du débit médian correspond à un habitat qui n'est que de 50% de l'habitat disponible maximum, tandis que les méthodes basées sur 90% du débit classé et l'analyse statistique des débits faibles ne représentent plus que des habitats de l'ordre de 20% à 40% de l'habitat disponible maximum. L'application de ces deux dernières méthodes laisse beaucoup de doute sur le niveau de protection des habitats aquatiques qu'elles procurent et il a été jugé utile de ne pas les recommander pour l'évaluation du débit réservé dans la région d'étude. Les autres méthodes (Tennant, 25% DMA et Q₅₀) peuvent être utilisées. Cependant, l'application de la méthode du débit médian, qui peut donner des résultats proches de 50% de l'habitat disponible maximum, doit être appliquée avec précaution.

Mots-clés:

• Ressources aquatique et halieutique,
• débit réservé,
• habitats piscicoles,
• méthodes hydrologiques,
• méthodes hydrobiologiques,
• PHABSIM,
• modélisation d'habitat

Abstract

Many techniques exist to calculate instream flow requirements. This study considers hydrologically-based techniques and hydrobiological or habitat preference methods. The hydrologically-based techniques use only historical streamflow data, and require little or no field work. Conversely, the habitat preference methods require knowledge of the specific hydraulic conditions of the studied water course and the habitat preferences of the relevant fish species.

Five hydrologically-based methods and one habitat preference method were applied to Catamaran Brook, a small drainage basin in New Brunswick, Canada. The hydrologically-based techniques included the Tennant Method, the 25% Mean Annual Flow (MAF), the median monthly flow (Q₅₀), the 90% flow duration method (Q₉₀) and a low-flow frequency method (7Q10). The habitat preference method studied was the PHABSIM model applied for Atlantic salmon.

The PHABSIM model was calibrated using the hydraulic characteristics of water depth (D), velocity (V) and substrate (S) for three flows. It was then used to calculate the same physical habitat parameters (D,V,S) for other discharges. The hydraulic results were used with habitat preference (suitability curves) to calculate the potential habitat or weighted usable area (WUA).

The application of hydrologically-based in-stream flow techniques showed that methods such as Tennant, 25% MAF and the median monthly flow method provided similar results, especially during low flow periods. The in-stream flow requirement calculated by Tennant Method (30% MAF) was 0.20 m³·s^-1, and the 25% MAF represented a value of 0.16 m³·s^-1. The application of the Q₅₀ approach yielded results of 0.13 m³·s^-1 for the month of August with higher values for other months. In contrast, the 90% flow duration and the low-flow frequency methods established very low discharge for in-stream flow requirements during low-flow periods. The lowest Q₉₀ observed was in September at 0.050 m³·s^-1 whereas the months of August, July, October, February and March all showed results slightly higher than September but still lower than 0.10 m³·s^-1. The method that calculated the lowest in-stream flow value was the 7Q10 (low-flow frequency) Method with a discharge of only 0.037 m³·s^-1. These results (Q₉₀ and 7Q10) represent significantly lower in-stream flow values compared to the Tennant, 25% MAF and the Q₅₀ methods.

The application of a habitat model (PHABSIM) at Catamaran Brook showed that the maximum available habitat, expressed as weighted usable area (WUA), was observed at a discharge close to the mean annual flow. Results also showed more habitat for salmon parr than for fry at maximum available habitat (optimal habitat), and this optimal habitat was at a higher flow for parr than for fry.

The results from hydrologically-based methods were compared to the maximum value derived from the PHABSIM method. This comparative study showed that habitat was reduced by 30% to 80% of the maximum WUA calculated by PHABSIM depending upon which hydrologically-based in-stream flow technique was applied. Habitat (WUA) resulting from the Tennant and the 25% MAF methods derived flows represents approximately 70% of the maximum available habitat. Results from the application of the median monthly flow method (Q₅₀) showed in-stream flow providing over 50% of maximum available habitat. The 90% flow duration method and low-flow frequency method (7Q10) showed habitat values in the range of 20% to 40% of maximum. The application of these latter two methods clearly limits the available habitat for the protection of aquatic resources and they were therefore not recommended for use in in-stream flow studies in this region. Instead, methods such as Tennant and 25% MAF should be used. The Q₅₀ method may be used with caution as its use results in habitat availability slightly over 50% of maximum WUA.

Keywords:

• Fisheries and aquatic resources,
• in-stream flow requirements,
• hydrologically-based techniques,
• habitat preference method,
• PHABSIM,
• habitat modeling