Statistical modeling of ice cover impact on flow conveyance in the Nelson River West Channel

Abstract

For cold regions, an ice cover reduces channel conveyance and hydroelectricity generation potential. Therefore, predicting the impact of ice cover on a river-reservoir system is of critical importance for hydro producers. Ice impact can be described using historical records, where typical conditions are characterized by a daily median ice factor (IF) curve. The daily median IF curve works well only for past years with typical climatic conditions. Moreover, the median curve would not respond to climate-induced changes in the ice cover. In this research, a novel statistical (ST) model, named ST-IF, is developed to simulate the impact of river ice on the conveyance of the Nelson River West Channel (NRWC) as a function of daily air temperature. ST-IF uses a series of statistically based functions, including regression and threshold functions to estimate different characteristics of IF, such as its initial and peak values, and its daily distribution during ice-on period. Model performance was evaluated against historical records and the daily median value of the ice cover impact. Results showed that ST-IF significantly improved the simulation of each year-specific IF curve in NRWC compared to the daily median curve. Moreover, the model was used to predict the impact of ice cover under future climate conditions using 19 climate simulations. Results showed that, due to the predicted warmer future, ice cover is expected to take longer to fully form. This leads to longer Ice Stabilization Program duration, higher program implementation cost, and potential additional downstream stakeholder impacts. In addition, earlier ice impact peak date, shorter ice impact duration, and lower ice impact magnitude leading to overall higher winter hydroelectricity generation potential for Manitoba Hydro are expected in the future. Such future alterations intensify from near to far future time periods.

RÉSUMÉ

Pour les régions froides, une couverture de glace réduit le débit des cours d‘eau et le potentiel de production d‘hydroélectricité. Par conséquent, prédire l‘impact de la couverture de glace sur un système rivière-réservoir revêt une importance critique pour les producteurs d‘hydroélectricité. L'impact de la glace peut être décrit à l‘aide d‘enregistrements historiques, où les conditions typiques sont caractérisées par une courbe quotidienne de facteur de glace médian (IF). La courbe quotidienne d’IF médian fonctionne bien seulement pour les années passées avec des conditions climatiques typiques. De plus, la courbe médiane ne réagirait pas aux changements climatiques induits par la glace. Dans cette étude, un nouveau modèle statistique (ST), appelé ST-IF, a été développé pour simuler l‘impact de la glace sur le débit du canal Ouest de la rivière Nelson (NRWC) en fonction de la température de l‘air quotidienne. Le modèle ST-IF utilise une série de fonctions basées sur des statistiques, y compris des fonctions de régression et de seuil, pour estimer différentes caractéristiques de l’IF, telles que ses valeurs initiale et maximale, ainsi que sa distribution quotidienne pendant la période de formation de la glace. Les performances du modèle ont été évaluées par rapport aux enregistrements historiques et à la valeur médiane quotidienne de l‘impact de la couverture de glace. Les résultats ont montré que le modèle ST-IF améliorait significativement la simulation de chaque courbe d’IF spécifique à l‘année dans le NRWC par rapport à la courbe médiane quotidienne. De plus, le modèle a été utilisé pour prédire l‘impact de la couverture de glace dans le cadre de conditions climatiques futures à l‘aide de simulations climatiques. Les résultats ont montré que, en raison du réchauffement prévu dans le futur, il faudra plus de temps pour que la couverture de glace se forme complètement. Cela entraîne une durée plus longue du programme de stabilisation de la glace, un coût de mise en œuvre du programme plus élevé et des impacts potentiels supplémentaires en aval pour les parties prenantes. De plus, une date de pic d‘impact de la glace plus précoce, une durée d‘impact de la glace plus courte et une magnitude d‘impact de la glace plus faible, entraînant globalement un potentiel de production d‘hydroélectricité hivernale plus élevé pour Manitoba Hydro, sont attendus dans le futur. De telles modifications futures s‘intensifient à mesure que l‘on avance dans le temps.

Keywords:

• River ice
• ice cover
• statistical model
• climate change
• Nelson River
• Lake Winnipeg Regulation

Acknowledgment

The authors gratefully acknowledge Dr. Jarrod Malenchak and Kevin Gawne of Manitoba Hydro and their expert staff who have contributed to data sharing required to conduct this study.

Disclosure statement

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Data availability statement

The authors confirm that the data used in this study are referred to or available within the article. Restrictions apply to the accessibility of research findings and data provided by Manitoba Hydro.

Additional information

Funding

This research was supported by Manitoba Hydro [322909] and Global Water Futures [NSERC-CFREF 353271/419204].