Les déversements des eaux des réseaux unitaires dans le milieu naturel ont pour conséquences en période d'étiage des perturbations du régime hydraulique et une forte dégradation de la qualité des eaux du milieu naturel. Cette thèse étudie les relations entre les débits et charges déversées et la qualité des eaux du milieu naturel et a pour but de définir le modèle le mieux adapté pour l'étude de ces phénomènes. La zone d'étude est limitée à la Seine entre les barrages de Port-à-l'Anglais à l'amont de Paris et de Suresnes à l'aval de Paris soit un tronçon de 25 km. Les déversoirs d'orage considérés sont ceux de la ville de Paris intra-muros.

Les sécheresses exceptionnelles observées ces dernières années, ont montré la vulnérabilité de certaines activités humaines face à une pénurie de la ressource en eau. Le retour d'expérience de la sécheresse de 2003 a montré que cette situation aurait pu être mieux anticipée, incitant les services qui ont à charge la gestion des cours d'eau à se doter d'outils de prévision des étiages. Cette recherche porte sur l'analyse des étiages des cours d'eau de l'est de la France situés dans les bassins du Rhin et de la Meuse. L'objectif est de proposer une modélisation conceptuelle applicable pour la prévision opérationnelle. Un des intérêts réside dans le choix d'un nombre élevé de bassins, situés dans un contexte climatique homogène, mais aux caractéristiques géologiques diversifiées. Cet échantillonnage permet d'aborder une étude comparée du comportement des bassins et d'en expliquer la variabilité spatiale des écoulements en étiage. Dans un souci de transposabilité nous avons cherché à orienter notre démarche vers des méthodes uniques, applicables et reproductibles pour l'ensemble des bassins. Au final, malgré la diversité des milieux géologiques des bassins étudiés, des modèles uniques, aux paramètres descripteurs d'une réalité de terrain sont adoptés. Enfin, les incertitudes liées à la démarche conceptuelle ont pu être réduites grâce à l'analyse statistique, en proposant un compromis entre les fondements conceptuels et les applications employant les approches probabilistes.

La connaissance de l'évolution des débits d'étiage de la Loire intéresse différents usagers : agglomérations, agriculteurs et industriels. La production d'électricité est une activité industrielle majeure du bassin : quatre sites nucléaires utilisent l'eau de la Loire comme source froide. Les débits d'étiage de la Loire sont dépendants des apports des principaux aquifères de son bassin versant. Trois aquifères superposés sont considérés couvrant une surface de 38 000 km² : calcaires de Beauce, craie séno-turonienne et sables cénomaniens. Un modèle hydrogéologique distribué est mis en œuvre (code Eau-Dyssée). Cinq modules couplés simulent respectivement le bilan hydrique en surface, le routage de l'eau sur les versants, le routage en rivière, le transfert en zone non-saturée et les écoulements souterrains. Le modèle est calé sur une période de 10 ans, validé sur une autre période de 10 ans, puis testé sur 35 ans. Une méthode hybride de calage, couplant inversion automatique et calage manuel, a été développée pour caler le champ de transmissivités de l'aquifère de Beauce. Les autres couches sont calées par essais et erreurs. Le modèle ajusté permet de bien simuler les débits et piézométries observés sur l'ensemble du domaine sur les 35 années avec une RMSE globale des écarts piézométriques de 2,86 m sur 197 piézomètres et des critères de Nash aux stations en Loire tous supérieurs à 0,9. Ce modèle est utilisé pour analyser le fonctionnement hydrologique du bassin à différentes échelles de temps. Les apports des nappes cumulés sur le linéaire de la Loire à l'étiage sont estimés à 15 m3/s en moyenne entre 1975 et 2008. Les premières estimations de l'impact du changement climatique indiquent une baisse des apports moyens de 8 à 50% à horizon 2100 pour les quatre projections climatiques traitées.

La thèse, inscrite dans le programme européen tempQsim, a pour objectif d'identifier des périodes critiques pour la qualité de l'eau - azote et phosphore, des rivières intermittentes. L'étude a été menée sur la Vène, tributaire de l'étang de Thau. Quatre composantes principales participent à l'écoulement: les zones urbaines, les zones agricoles, deux sources karstiques et les rejets de stations d'épurations (STEP).<br />Quatre modes hydrologiques ont été identifiés. (1) A l'étiage, la rivière s'assèche et les rejets des STEPs sont la seule contribution au débit de la rivière. (2) A la reprise de l'écoulement, des crues rapides se succèdent, liées soit au ruissellement sur les zones urbaines, voire agricoles, soit aux sources karstiques. (3) Les crues de hautes eaux sont provoquées par la mise en charge du karst. (4) Le tarissement commence quand la source karstique la plus en amont s'arrête. D'une année à l'autre, la durée et les caractéristiques des modes hydrologiques sont très variables.<br />La mise en œuvre d'une modélisation conceptuelle, axée sur les événements de crues rapides, a permis de reproduire convenablement les crues de reprise d'écoulement.<br />Le niveau de contamination de la rivière est faible et les variations de flux sont liées aux crues. Trois modes de dynamique des nutriments ont été distingués. (1) Lors des périodes d'accumulation, les nutriments issus des rejets des STEPs, sont stockés dans le lit de la rivière : le phosphore est précipité, l'azote est dénitrifié. (2) Lors des crues de reprise d'écoulement, les nutriments, surtout le phosphore, sont remobilisés dans le lit de la rivière. (3) Lors des crues de hautes eaux, les nutriments proviennent du bassin versant et des sources karstiques. <br />Cette étude montre comment la dynamique des nutriments est liée au fonctionnement hydrologique : l'étiage est une période critique du point de vue du niveau de contamination et de l'accumulation des nutriments, et les crues rapides provoquent leur remobilisation.

L'estimation d'indices d'étiage est d'une grande importance pour une meilleure connaissance de la ressource en eau disponible et en déduire des règles de gestion de cette ressource et des risques associés. Idéalement, ces indices sont calculés en sites jaugés à partir de longues chroniques de débits mesurés. En sites non jaugés, ces indices doivent être estimés. Cette thèse s'inscrit dans le projet d'amélioration de l'outil informatique " LoiEau " utilisé par les DREAL et les Agences de l'eau. Le principal objectif est de développer un modèle hydrologique simple et flexible pour estimer tous les indices d'étiage souhaités à des intervalles de temps journaliers ou supérieurs en sites non jaugés. La simplicité du modèle repose sur l'hypothèse forte que deux paramètres plus facilement régionalisables suffisent à estimer les indices avec une précision voulue. Cette précision dépend de la fonction objectif qu'il a fallu adapter aux faibles débits pour caler convenablement les paramètres du modèle sur des sites jaugés. Le modèle se veut flexible dans le sens où il est applicable à une large variété de bassins versants. Il a été comparé au modèle journalier à quatre paramètres GR4J et au modèle mensuel à deux paramètres LoiEau en s'intéressant aussi à la façon de régionaliser les paramètres. Des comparaisons ont également été réalisées avec une méthode d'estimation dite stochastique d'un indice d'étiage classique. Ces travaux montrent le potentiel du modèle à deux paramètres et l'avantage du pas de temps journalier, la variabilité temporelle des précipitations n'étant pas sans conséquence sur l'estimation de débits moyens en raison de la non-linéarité des modèles pluies-débits. / Estimating low-flow indices is of paramount importance to understand low flows and to manage water resources and risk assessments. These indices are derived from time-series of river discharges that are measured at gauged sites over long periods. At ungauged sites, the indices must be estimated. This research work is part of a project to improve “LoiEau”, a software package that is used by French regional environmental or water agencies. The main objective is to develop a simple and flexible rainfall-runoff model to simulate low-flow indices of ungauged sites at daily or longer time intervals. The model simplicity relies on the strong assumption that two free parameters are sufficient to provide accurate enough estimates of low-flow indices, yet making easier the regionalisation of models. The model accuracy depends on the objective function that is used to calibrate model parameters on gauged sites and had to be adapted to low-flow simulations. The model is flexible in the sense that it is designed to fit to a wide variety of catchments and hydro-meteorological behaviours. This model was compared with GR4J, a daily rainfall-runoff model which involves four parameters, and LoiEau, a monthly model. Comparisons were also carried out with a stochastic estimation method applied to a specific low-flow index. This research work shows the potential of the two-parameter model, but also the advantage of a daily time step to account for the temporal variability of precipitations, which is not without consequence on the assessment of average discharges due to the nonlinearity of rainfall-runoff models.

En Bretagne, les « marées vertes » sont récurrentes depuis le début des années 70 et occupent une place importante dans le débat public en terme sanitaire, politique et économique. Lors de cette thèse, une large revue bibliographique a été réalisée sur l’export d’azote et une méthodologie innovante a été mise en place afin d’étudier la variabilité spatio-temporelle de l’export de nutriments dans 2 bassins versants à algues vertes à une échelle intra-annuelle et pendant des évènements extrêmes (évènements pluvieux, période touristique de basses eaux,…). Les bassins versants sélectionnés pour les expérimentations de terrain sont l’Ic et le Frémur (Côtes d’Armor). 3 types d’expérimentations ont été réalisées sur ces bassins versants : 1) Des campagnes de prélèvements ponctuels par temps sec et par temps de pluie (32 stations, 27 campagnes) ; 2) des prélèvements automatiques en crue (3 stations, 8 crues) ; et 3) la mesure haute fréquence (2 stations, en continu). Les paramètres hydrologiques et physico-chimiques classiques, les matières en suspension, les spectres UV et toutes les formes de macronutriments (carbone, azote, phosphore) ont été analysés lors de ces expérimentations. Les résultats obtenus confirment pour une part un certain nombre de résultats de la littérature. D’autre part, il met en lumière la relation carbone/nitrates, jusqu’à présent peu étudiée à différentes échelles spatio-temporelles et pendant des évènements pluvieux, qui semble pourtant primordiale dans la compréhension des phénomènes d’export de nitrates à l’échelle de l’année. Enfin, l’analyse de toutes les formes de nutriments révèle l’importance des formes particulaires issues de l’érosion des sols. Ces résultats soulèvent de nombreuses questions de recherche qui mériteraient un approfondissement afin d’améliorer la connaissance des transferts de nutriments dans les bassins versants et prioriser les actions de remédiations. Les perspectives de ce travail sont à la fois scientifiques et pratiques. Au niveau scientifique, les efforts de recherche sur la relation carbone/nitrate et l’identification de la fraction de carbone organique assimilable par les organismes dénitrifiants doivent être poursuivis. De même, l’amélioration des connaissances sur l’export de nutriments en crue passe par l’identification précise des sources de nutriments particulaires pendant les crues printanières. Au niveau pratique, il doit contribuer à l’amélioration des pratiques agricoles, à la reconnaissance de l’intérêt des zones humides naturelles et à l’amélioration des types de traitement utilisés par les stations d’épuration. Les résultats obtenus lors de cette étude devraient notamment être mis en relation avec la dynamique des nutriments observée dans l’estran pendant la période de développement des algues vertes. Enfin, un effort d’amélioration de l’accès à certains type de données sur les bassins versants est nécessaire afin d’améliorer la compréhension des transferts de nutriments. / In Brittany (Western France), "green tides" are recurrent since the early 70s and have an important place in public debate in health, political and economic terms. In this thesis, a wide bibliographic review was performed on the export of nitrogen, and an innovative methodology has been set up to study the spatial and temporal variability of nutrient export in two coastal watersheds on an intra-annual basis and during extreme events (rainfall events, tourist periods of low water, ...). Watersheds selected for the field experiments are Ic and Frémur (Côtes d'Armor). 3 types of experiments were performed on these watersheds: 1) Campaigns of grab samples by dry and wet weather (32 stations, 27 campaigns); 2) automatic sampling during floods (3 stations, 8 floods); and 3) high frequency measurement (2 stations, continuous). Conventional hydrological and physicochemical parameters, suspended solids, UV spectra and all forms of macronutrients (carbon, nitrogen, phosphorus) were analyzed during these experiments. The results confirm in part a number of results of the literature. Furthermore, it highlights the relationship carbon / nitrates far little studied at different spatial and temporal scales and during rainfall events, which however seems to be crucial in understanding of nitrate export. Finally, the analysis of all forms of nutrients reveals the importance of particulate forms from soil erosion. These results raise many research questions that merit further development in order to improve knowledge on nutrient transfers in watersheds and prioritize remediation actions. The prospects of this work are both scientific and practical. At the scientific level, research efforts on the relationship carbon / nitrate and identification of the assimilable fraction of organic carbon by denitrifying organisms must be continued. Similarly, the knowledge on nutrient export must be improved through the precise identification of particulate nutrient sources during the spring floods. On a practical level, it should contribute to the improvement of agricultural practices, the recognition of the interest of natural wetlands and improvement of the types of treatment used by treatment plants. The results obtained in this study should in particular be linked to the dynamics of nutrients in the foreshore observed during the development of green algae. Finally, an effort to improve access to certain types of data on watersheds is needed to improve understanding of nutrient transfers.