Hydrological monograph of Haiti: analysis and predetermination of heavy rainfall and flooding using archival and satellite data
Monographie hydrologique d’Haïti : analyse et prédétermination des pluies et crues fortes à partir de données d’archives et satellitaires
Résumé
Haiti’s vulnerability to hydro-meteorological hazards has been highlighted by floods in recent decades. These events caused numerous deaths and colossal damage, and had a lasting impact on key sectors of the Haitian economy. Unfortunately, climate change will tend to increase the frequency and intensity of these hydrometeorological events in the coming decades. In this context, it is essential to study and understand the hydrological behavior of Haitian catchments during episodes of heavy rainfall and flooding in order to anticipate the damage that can be caused by these types of events. Therefore, the generation of knowledge for a better understanding and mapping of hydrometeorological hazards in Haiti is the overall objective of this thesis.
Unfortunately, hydrometeorological data (such as rainfall or streamflow time series) are very scarce in Haiti, and most of the existing data are for a historical period (1920-1940), often in the form of paper archives. In recent years, satellite rainfall products have become available on a global scale. However, they have not been extensively tested in this particular region of the West Indies. Therefore, three specific objectives are addressed in this thesis :
1. Collect all existing hydrometeorological data in Haiti and digitize certain paper archives considered a priority to create a historical hydrometeorological database in Haiti useful for catchment studies,
2. Evaluate the performance of several satellite rainfall products in order to guide users in the selection of an alternative rainfall database to be used in Haiti, to compensate for the lack of rainfall data for the recent period (1980-2017).
3. Analyze the hydrology of Haitian catchments over both a historical period (1920-1940) and a more recent period (1980-2017), including a frequency analysis of heavy rainfall and flooding over all catchments studied.
The Simbi database, the first hydrometeorological database in Haiti, was created as a result of this work. This database combines observed (rainfall, temperature, and streamflow) and catchment (rainfall, observed and simulated streamflow, temperature, and potential evapotranspiration) series at monthly and daily time steps over 1920-1940. This database identified for each of the 21 catchments studied between 100 and 250 heavy rainfall events during the period 1920-1940. Some of these heavy rainfall events produced rainfall totals between 500 and 700 mm and maximum streamflow of up to 100-200 mm/d, particularly in the southwestern part of Haiti.
For a more recent period, a comparative analysis of several satellite rainfall databases in the West Indies has shown that the Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation (MSWEP) database best represents mean rainfall, rainfall patterns, and quantiles of heavy rainfall. Recent Haitian hydrology was characterized using MSWEP. Analysis of rainfall data showed that Haiti can be divided into four homogeneous rainfall zones. The wettest zone is southwestern Haiti. The driest zone is the entire western front (except the southwest). Centennial rainfall was estimated using several frequency analysis methods to be about 450 to 500 mm/d for the catchments in southwest Haiti and between 100 and 200 mm/d for the other catchments. Ten-year streamflow was estimated to be close to 200 mm/d for the southwestern basins and between 30 and 100 mm/d elsewhere.
This thesis is the first detailed study of Haitian hydrology, describing the functioning of measured watersheds during heavy rains and floods. It is the first reference for predicting rainfall and streamflow in Haiti.
Les inondations des dernières décennies ont mis en évidence la grande vulnérabilité du territoire haïtien aux aléas hydrométéorologiques. Ces évènements ont causé de nombreux morts, des dégâts colossaux et affectent durablement les secteurs clefs de l’économie haïtienne. Malheureusement, la fréquence et l’intensité de ces événements hydrométéorologiques auront tendance à augmenter dans les prochaines décennies à cause du changement climatique. Dans ce contexte, il est essentiel d’étudier et de comprendre les comportements hydrologiques des bassins versants haïtiens lors d’épisodes de fortes pluies et de crues, dans le but d’anticiper les dégâts pouvant être engendrés par ces types d’évènements. L’objectif général de cette thèse est donc de produire des connaissances visant à une meilleure compréhension et cartographie des aléas hydrométéorologiques en Haïti.
Malheureusement, très peu de données hydrométéorologiques sont disponibles en Haïti, et la plupart des données existantes sont disponibles sur une période historique (1920-1940), et souvent sous forme d’archives papiers. Sur la période récente, des produits de pluies satellitaires sont désormais disponibles à l’échelle globale, mais n’ont encore été que très peu testés dans cette région particulière des Antilles. Ainsi, ce travail de thèse vise à répondre à trois objectifs spécifiques :
1. Rassembler l’ensemble des données hydrométéorologiques existantes en Haïti et numériser certaines archives papiers jugées prioritaires afin de constituer une base de données hydrométéorologiques historique en Haïti utile à l’étude des bassins versants,
2. Evaluer la performance de plusieurs produits de pluies satellitaires afin de guider les utilisateurs sur le choix d’une base de données de pluies alternatives à utiliser en Haïti pour compenser le manque de données de pluies sur la période récente (1980-2017).
3. Analyser l’hydrologie des bassins versants haïtiens à la fois sur une période historique (1920-1940) et sur une période plus récente (1980-2017), en réalisant notamment une analyse fréquentielle des pluies et crues fortes sur l’ensemble des bassins versants étudiés.
Cette thèse a tout d’abord permis de constituer la base de données Simbi, première base de données hydrométéorologiques en libre accès en Haïti. Cette base de données regroupe les séries de données observées (pluies, températures et débits) et des séries de données à l’échelle des bassins versants (pluies, débits observés et simulés, températures et évapotranspirations potentielles) au pas de temps mensuel et journalier sur la période 1920-1940. Cette base de données a permis d’identifier entre 100 et 250 épisodes de fortes pluies sur la période 1920-1940 sur chacun des 21 bassins versants étudiés. Certains de ces épisodes de fortes pluies ont généré des cumuls de pluies entre 500 et 700 mm et des débits maximum pouvant atteindre 100-200 mm/j, notamment dans le sud-ouest d’Haïti.
Sur une période plus récente, l’analyse comparative de plusieurs bases de données de pluies satellitaires dans les Antilles a montré que c’est la base de données de pluies MSWEP (Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation) qui représente le mieux la pluviométrie. MSWEP a été utilisé pour caractériser l’hydrologie haïtienne sur la période récente. L’analyse de ces pluies a montré que la zone la plus humide est le sud-ouest d’Haïti, et la zone la plus sèche est formée par toute la façade ouest (à l’exception du sud-ouest). Les pluies centennales ont été estimés à 450-500 mm/j pour les bassins versants situés dans le sud-ouest d’Haïti, et 100-200 mm/j ailleurs. Les débits centennaux ont quant à eux été estimés comme étant proche de 250 mm/j pour les bassins versants du sud-ouest, et entre 30 et 100 mm/j ailleurs.
Cette thèse constitue la première étude détaillée sur l’hydrologie haïtienne et a permis de décrire le fonctionnement des bassins versants jaugés lors de pluies et crues fortes.
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