Ce travail a pour objectif l'adaptation en climat tropical d'une technique de phytoépuration utilisant le bambou pour le traitement des eaux usées, déjà développée en climat tempéré. L'étude porte sur la détermination de valeurs de référence pour plusieurs espèces de bambou tropicales (i) des capacités d'absorption d'eau, (ii) de production de biomasse aérienne, et (iii) d'absorption des nutriments. La démarche expérimentale a consisté, dans un premier temps, à déterminer la réponse morphologique de sept espèces de bambous, suite à l'apport excessif de nutriments, comme cela peut se produire lors de l'apport d'eaux usées. Dans un deuxième temps, les capacités d'évapotranspiration de cinq espèces de bambous ont été étudiées en cuves lysimètriques. Enfin, la production de biomasse, ainsi que les prélèvements en azote, phosphore et carbone d'un peuplement multispécifique ont été étudiés en réponse à l'apport de lisier, en conditions réelles d'une station pilote. Ces études ont montré que des apports excessifs en nutriments améliorent la croissance du bambou sans causer de stress détectable. Ils améliorent également la capacité photosynthétique des bambous, ainsi que la production de biomasse, qui est augmentée d'un facteur 2 à 6 selon les espèces, par rapport au traitement témoin. La production de biomasse importante, de l'ordre de 20,7 à 80 tonnes de matière sèche produite par hectare et par an, confère aux espèces étudiées des capacités d'extraction élevées, avec des exportations de 400 à 1600 kg.ha-1 en azote, 30 à 130 kg.ha-1 de phosphore et 18 à 67 t.ha-1 de carbone piégé dans la biomasse en deux ans. Les taux d'évapotranspiration des bambous sont plus élevés que ceux de cultures classiques, avec des valeurs moyennes annuelles comprises entre 4 et 7mm/j et des coefficients culturaux moyens de 2,1 à 3,8 selon les espèces. Cette étude a permis d'identifier plusieurs espèces de bambous intéressantes pour le traitement des eaux usées en climat tropical, notamment les espèces Bambusa oldhamii, Bambusa vulgaris et Gigantochloa wrayii. Dans une optique de phytoépuration ces résultats sont d'autant plus encourageants qu'ils ont été obtenus avec des plants de bambou n'ayant pas encore atteints leur pleine maturité. / The aim of this work was to adapt under tropical climate, a wastewater treatment phytotechnology which uses bamboo species, already developed under temperate climate. The objectives of the study were to establish reference values on the water and nutrient uptakes, and on above-ground biomass yields, for different tropical bamboo species. The experimental approach relied first in the quantification of the morphological response of seven bamboo species under high nutrient loads, up to 13.2 t.ha-1.yr-1 of NPK, as it occurs in wastewater treatment system. Second time, the evapotranspiration rates and crop coefficients of five bamboo species were determined using a lysimeter experiment. Finally, the biomass yield and the nitrogen, phosphorus and carbon uptakes were studied for a multi-specific bamboo plantation in response to pig slurry application, at field scale. The results have shown that the high nutrient load (13.2 t.ha-1.yr-1 of NPK) did not cause any detectable stress on the bamboo growth. On the contrary, the photosynthetic activity was improved and the growth rate was increased by 2 to 6 times compared with the control treatment. Depending on bamboo species, the annual biomass yield ranges from 20,7 to 80 t.ha-1.yr-1, and the nutrients storage into the biomass was 400 to 1600 kg.ha-1 for nitrogen, 30 to 130 kg.ha-1 for phosphorus and 18 to 67 t.ha-1 for carbon, in two years of experiment. The yearly average evapotranspiration rates were higher than for typical crops and range from 4 to 7mm.day-1, with average crop coefficients between 2.1 to 3.8, depending on species. Due to their high biomass yield, high nutrient uptakes and high evapotranspiration rates, some bamboo species, i.e. Bambusa oldhamii, Bambusa vulgaris and Gigantochloa wrayii appear as good candidates for wastewater treatment under tropical climate. These results are even more promising since they were obtained for non mature bamboo plants.

L’Afrique de l’Ouest est particulièrement exposée aux changements climatiques et anthropiques qui exercent une pression croissante sur les ressources hydriques et végétales, dont la bonne gestion constitue un enjeu scientifique majeur. Plus particulièrement, il devient indispensable de mieux comprendre les échanges d’énergie et de matière au sein du continuum surface-atmosphère qui régissent une bonne partie du cycle hydrologique et du développement de la végétation. À cet égard, l’évapotranspiration constitue une variable clé à l’interface surface-atmosphère car elle recycle la plus grande partie des précipitations vers l’atmosphère et assure le couplage des cycles de l’eau et de l’énergie. En Afrique de l'Ouest, les connaissances actuelles sur ce processus restent limitées car elles reposent principalement sur des mesures de terrain représentatives de petites échelles spatiales, ou sur des modèles de surface complexes, dont l’importance des jeux de données qu’ils requièrent limite leur application. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à améliorer notre connaissance de la variabilité spatiotemporelle de l'évapotranspiration, en analysant le potentiel de la télédétection pour son estimation en Afrique de l'Ouest. L'approche proposée repose sur une comparaison des produits d'évapotranspiration par télédétection disponibles et la proposition d’une nouvelle méthode permettant la génération de nouveaux produits. L’étude a été menée sur trois sites de méso-échelle (~ 104 km2) fournissant un échantillon des conditions éco-climatiques rencontrées en Afrique de l’Ouest, avec du Nord au Sud : le Nord-Sahel (au centre-est Mali), le Sud-Sahel (au sud-ouest Niger) et la zone soudanienne (au nord Bénin). Une méthode d’estimation de l’évapotranspiration journalière par télédétection et de son incertitude épistémique, nommée EVASPA S-SEBI Sahel (E3S), a été élaborée. E3S a été appliqué sur les trois sites d’étude à partir de données issues des capteurs MODIS à bord des satellites TERRA et AQUA. Les estimations journalières d’évapotranspiration ont été évaluées par rapport aux observations pluriannuelles acquises par l’Observatoire AMMA-CATCH. Cette étude souligne le potentiel d’E3S pour l’estimation de l’évapotranspiration journalière en Afrique de l’Ouest. Toutefois, ces estimations restent soumises aux aléas de la mesure satellite (qualité des images, couvert nuageux, angle de visée trop grand) et sont donc ponctuées de lacunes. Ces travaux de thèse proposent également de nouvelles méthodes de reconstruction de séries d’évapotranspiration journalières via la combinaison d’estimations multi-résolution et multi-source. Cette étude montre la pertinence de ces approches de reconstruction par rapport aux méthodes d’interpolation standards utilisées dans la littérature. Les approches proposées permettent notamment de mieux retranscrire la réponse des surfaces terrestres aux séquences d’assèchement du sol entre deux épisodes pluvieux. Les nouveaux produits générés ont été introduit dans l’exercice d’inter-comparaison incluant huit autres produits disponibles en Afrique de l’Ouest à diverses résolutions spatio-temporelles. Ces produits ont été évalués à différentes échelles spatiales et temporelles par rapport aux mesures locales et aux simulations spatialisées de vingt modèles de surface générées dans le cadre de l’expérience ALMIP2. Cette étude met en évidence la forte variabilité inter-produit, en particulier au Sahel. Elle souligne par ailleurs l’importance de la prise en compte d’une information liée au stress hydrique dans la génération des produits d’évapotranspiration. La résolution kilométrique des produits E3S leur fournit un avantage indéniable concernant la description de la variabilité spatiale des flux d’évapotranspiration par rapport à d’autres produits à faible résolution. Les produits nouvellement générés présentent un potentiel évident pour de futures études à caractère éco-hydrologique et hydrogéologique au Sahel. / West Africa is particularly vulnerable to climate and human-induced changes, exerting increasing pressure on water and plant resources. Sound management of the latter requires substantial scientific progress. In particular, it is essential to better understand energy and matter exchanges through the surface-atmosphere continuum, which are a major driver of the hydrological cycle and of vegetation development. In this respect, evapotranspiration is a key variable, as most of precipitation returns to the atmosphere by evapotranspiration and as it couples the water and energy cycles. In West Africa, current knowledge of this process is still limited because it is mainly based on field measurements that are representative of small spatial scales, or on land surface models that would require considerably more data than available in this region. In this context, this thesis work aims at improving our knowledge of the spatiotemporal variability of evapotranspiration, by analyzing the potential of remote sensing to estimate evapotranspiration in West Africa. The proposed approach is based on an inter-comparison of available remote sensing evapotranspiration products and on the proposal of a new method to generate new estimation products. The study was carried out over three mesoscale sites (~ 104 km2) providing a sample of the eco-climatic conditions encountered in West Africa, namely from North to South: the North-Sahel (in East-Central Mali), the South-Sahel (in South-West Niger) and the Sudanian zone (in North Benin). An improved remote sensing method for estimating daily evapotranspiration and its epistemic uncertainty named EVASPA S-SEBI Sahel (E3S) was developed. E3S was applied to the three study sites using data from the MODIS sensors onboard TERRA and AQUA satellites. Daily evapotranspiration estimates were evaluated against pluriannual observations acquired by the AMMA-CATCH Observatory. This study highlights the potential of E3S for estimating daily evapotranspiration in West Africa. However, these estimates are still subject to hazards of satellite measurements (image quality, cloud cover, large satellite view angle) and are therefore discontinuous. This thesis work also proposes new methods for reconstructing continuous daily evapotranspiration series by the combination of multi-resolution and multi-source estimations. The study shows the capabilities of these reconstruction approaches compared to the standard interpolation methods usually found in the literature. In particular, the proposed approaches allow better depicting the response of terrestrial surfaces to soil drying sequences between rainfall events. The newly generated evapotranspiration products were included in the product inter-comparison together with eight other products available in West Africa at various spatial and temporal resolutions. These products were evaluated at different spatial and temporal scales against local measurements and spatially distributed simulations by twenty land surface models from the ALMIP2 experiment. This study highlights the high inter-product variability especially in the Sahel. It also emphasizes the importance of taking into account information related to water stress in the generation of evapotranspiration products. The kilometric resolution of E3S products gives them a clear advantage in terms of description of the spatial variability of evapotranspiration flux compared to other coarse resolution products. The newly generated products show clear potential for future eco-hydrological and hydrogeological studies in the Sahel.

L'objectif de notre recherche est d'améliorer les performances des modèles pluie-débit par une meilleure prise en compte de l'ETP au sein de ces modèles. Pour cela, l'échantillon de bassins versants étudiés devait représenter diverses conditions climatiques et hydrologiques. L'assemblage des différentes données collectées (pluie, débit et paramètres climatiques) a permis l'élaboration d'un échantillon de 308 bassins versants dont 221 français, 79 nord-américains et 8 australiens. L'avantage de travailler sur un échantillon assez vaste est de tirer des conclusions relativement libres de toute dépendance vis à vis des caractéristiques particulières de tel ou tel bassin. De plus, quatre modèles pluie-débit ont été utilisés: le modèle GR4J et des versions globales des modèles HBV, IHACRES et TOPMODEL. Tout d'abord, une étude de sensibilité de ces modèles pluie-débit à l'entrée d'ETP a été entreprise. Deux aspects ont été traités en particulier. La première motivation était de tester l'impact d'une connaissance fine du climat par rapport à une connaissance des normales (moyennes interannuelles). Les résultats ont confirmé le manque d'utilisation judicieuse de l'information datée contenue dans les formules d'ETP par les modèles pluie-débit. Le deuxième aspect était de tester plusieurs formules pour représenter les variations de l'ETP au sein des modèles pluie-débit. Les résultats ont montré là aussi une faible sensibilité des modèles quant au choix fait pour la formule d'ETP. Nous avons porté en particulier notre attention sur la formule de Penman, couramment utilisée en modélisation, car elle est la plus satisfaisante d'un point de vue physique, à l'échelle de la parcelle. En modélisation pluie-débit, elle est dépassée par d'autres formules plus simples (utilisant moins de données climatiques). Ainsi, nous pouvons parler de la pertinence d'autres formules que Penman pour la modélisation: des formules simples faisant intervenir uniquement la température de l'air sont aussi performantes que la formule de Penman. D'un point de vue opérationnel, ces résultats sont extrêmement rassurants puisqu'ils suggèrent qu'une entrée d'ETP simple à obtenir peut être utilisée à la place de formules d'ETP plus demandeuses en données. Cependant, d'un point de vue scientifique, le constat d'apparente insensibilité des modèles pluie-débit à l'entrée d'ETP est préoccupant. En effet, le modèle semble se contenter d'une représentation extrêmement simplifiée de la demande évaporatoire. Pourtant, il est légitime de penser que le modèle serait plus performant s'il prenait mieux en compte cette information supplémentaire. Les hypothèses avancées pour expliquer la faible sensibilité des modèles à l'entrée d'ETP sont multiples : - S'agit-il d'un phénomène naturel que le modèle retranscrit assez fidèlement ? - Faut-il remettre en cause la structure du modèle, notamment la partie traitant l'évaporation ? - Les formules d'ETP traditionnelles sont-elles inadaptées à la modélisation pluie-débit ? Alors que la première interrogation nous semblait difficile à investiguer, les deux autres étaient plus à la portée d'un utilisateur de modèles pluie-débit conceptuels. Pour cela, nous avons utilisé une approche par données synthétiques d'ETP qui permet notamment de lever toute incertitude sur la pertinence des données d'ETP. Les résultats ont montré que les différences entre ETP datées et interannuelles étaient presque totalement absorbées par les réservoirs de production des modèles pluie-débit. Le modèle se comporte donc comme un filtre passe-bas pour les données atmosphériques, atténuant ainsi la variabilité temporelle des entrées climatiques.

Dans les pays de type climatique aride ou désertique, l'alimentation contemporaine des nappes est un problème particulièrement irritant pour l'hydrogéologue . En effet, la faiblesse des précipitations amène à s'interroger sur le devenir des eaux météoriques. Sont- elles entièrement évapotranspirées ? S'infiltrent-elles jusqu'à la nappe? Si oui, dans quelles conditions et dans quelles proportions ? Autant de questions auxquelles, il n'est pas facile de donner une réponse, surtout en regard des connaissances actuelles sur les processus de transfert d'eau dans les milieux poreux non saturés et des difficultés d'expérimentation dans les conditions naturelles . De plus, l'évapotranspiration réelle est une donnée difficile à cerner dans ces régions où les formules classiques d'évapotranspiration potentielle ne donnent qu'une idée inexacte du phénomène. Aussi dans la présente étude me suis-je efforcé de répondre à ces questions dans la mesure des moyens mis à ma disposition . Simultanément sur le terrain ont été menées deux campagnes de mesures. L'une consistait à observer les variations du niveau piézométrique des nappes par des relevés périodiques, l'autre à mesurer la teneur en eau du sol dans la tranche superficielle (0-5 m) à l'aide d'une sonde neutronique. A ces observations vient s'ajouter une analyse isotopique des différentes eaux rencontrées. Après avoir situé la zone d'étude dans son contexte tant géo- 9raphique qu'hydroclimatologique et géologique, on abordera successivement : - les variations de la teneur en eau du sol, - les variations piézométriques des nappes, - l'analyse isotopique des eaux.

Dans l 'étude qui suit. nous nous sommes attachés, tant du point de vue qualitatif que quantitatif , à définir les différents termes du bilan hydrologique classique pour le pourtour lémanique . Les données à disposition ont cependant limité ce travail. En premier lieu, l étude des précipitations a été entreprise à diverses échelles de temps et d' espace. Nous avons essayé ensuite de cerner les mécanismes de l ' évapotranspiration dans la région . Enfin, l'étude de l'écoulement sur le bassin représentatif du Maravant , collecteur d ' une partie des eaux issues des précipitations sur le plateau de Vinzier, a été menée; ce bassin est représentatif de la zone d'alimentation des nappes d ' Evian.

La forêt boréale représente environ le tiers des biomes forestiers du monde et occupe la deuxième plus grande superficie de végétation derrière les forêts tropicales. Compte tenu de sa grande répartition géographique, la forêt boréale régule les flux d'eau sur de vastes zones et a donc un impact sur la climatologie et l'hydrologie à l'échelle régionale et mondiale. Il est donc crucial de comprendre les interactions entre cet écosystème et l'atmosphère. De nombreuses études ont porté sur l'évapotranspiration des forêts boréales, mais seule une poignée d'entre elles se sont intéressées à la dynamique du fractionnement de l'évapotranspiration en transpiration du couvert forestier, évaporation de l'eau interceptée et évapotranspiration du sous-étage forestier à une échelle temporelle fine. L'objectif principal de cette thèse est d'analyser la dynamique de l'évapotranspiration, en particulier la transpiration du couvert forestier et l'évaporation de l'eau interceptée, dans une forêt boréale humide de l'est du Canada. L'approche est basée sur des observations in situ originales et des sorties de modèles du Canadian Land Surface Scheme (CLASS, tourné en mode 'standalone'), à la Forêt Montmorency (47°17′18″N ; 71°10′05.4″W) de l'Université Laval, Québec, Canada. Ce site est classé comme une forêt boréale humide avec un indice d'aridité de 0,57 et des précipitations annuelles moyennes de 1583 mm (60% de pluie, 40% de neige). Cette région est sous l'influence d'un climat continental subarctique (classification Köppen Dfc), avec une température annuelle moyenne de 0,5℃ et une saison de croissance s'étendant de juin à octobre. Le dispositif expérimental est composé de deux sites avec des peuplements de sapins baumiers à différents niveaux de maturité (stade juvenile (site 'Juvenile') et stade gaule (site 'Sapling')), tous deux équipés d'une tour à flux. Le peuplement le plus mature du site Juvenile a un indice moyen de surface foliaire plus élevé (3,6) que celui du site Sapling (2,9). L'évapotranspiration des peuplements de sapins baumiers a été mesurée par un système de covariance des tourbillons installé sur la tour à flux, tandis que la transpiration du couvert forestier et son bilan hydrique ont été mesurés à l'intérieur de trois parcelles de 400 m² situées à proximité de chaque tour à flux. L'analyse se concentre sur les saisons de croissance de 2017 et 2018. Cette thèse est divisée en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif spécifique est d'analyser la dynamique de la transpiration du couvert forestier dans des conditions transitoires d'humidité de la canopée. La transpiration a été obtenue à partir de mesures de flux de sève à l'aide de la méthode de dissipation thermique sur 12 arbres échantillonnés à chaque site. Les incertitudes liées au processus de passage de l'échelle de l'arbre à celle du peuplement ont été quantifiées, en particulier grâce à l'étalonnage en laboratoire des capteurs de flux de sève réalisé sur des échantillons de sapin baumier. Les résultats ont montré que la transpiration diminue lorsque la couverture de la canopée est en phase d'humidification, et augmente lorsqu'elle est en phase de séchage. Le rayonnement net, le déficit de pression de vapeur et la présence de gouttes de pluie sur les aiguilles des arbres jouent tous un rôle dans la régulation de la transpiration des arbres. À l'échelle saisonnière, la transpiration du couvert forestier a représenté tout au plus 47% de l'évapotranspiration totale. Ces résultats suggèrent que l'évaporation de l'eau interceptée par la canopée est un terme important du bilan hydrique de la canopée. Ainsi, dans la deuxième partie de la thèse, nous avons analysé la dynamique de l'interception de la canopée autour d'événements pluvieux de l'échelle de la demie-heure jusqu'à la saison de croissance dans son ensemble. Afin de mesurer le bilan hydrique de la canopée, des dispositifs de mesure de la précipitation et du débit s'étalant le long des troncs ont été déployés, de même qu'un dispositif mesurant la compression d'un tronc d'arbre en continu. Cette nouvelle technique, qui permet d'associer la compression d'un arbre à l'eau interceptée, n'avait jusqu'alors jamais été testée au cours d'une saison de croissance complète. Outre l'estimation des précipitations interceptées, les résultats du bilan hydrique de la canopée et le système de suivi de la compression d'un tronc d'arbre ont également été utilisés pour estimer le stockage maximal d'eau dans la canopée. Le stockage d'eau maximum de la canopée estimé par la méthode du bilan hydrique de la canopée s'est révelé en moyenne de 1,6 mm (≈ 0, 49 mm par unité d'indice de surface foliaire) et de 2,2 mm en utilisant le système de suivi de la compression d'un tronc d'arbre. Au cours des deux saisons de croissance étudiées, l'évaporation de l'eau interceptée a représenté entre 16% et 27% de l'évapotranspiration totale. Enfin, pour le troisième objectif spécifique de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la capacité du modèle CLASS à reproduire les observations du cheminement vertical de l'eau à travers la canopée forestière. Malgré quelques légères différences entre les observations et les simulations, CLASS s'est avéré capable de simuler avec précision le fractionnement de l'évapotranspiration observée dans des conditions de canopée sèche et humide. Les performances se sont avérées encore meilleures lorsque la capacité de stockage de la canopée dans le modèle a été supposée égale aux observations. Les principaux écarts entre les observations et les sorties du modèle ont principalement été causés par des différences de temps de séchage de la canopée observés vs simulés. Cette thèse fournit un examen détaillé de l'évapotranspiration en forêt boréale humide, en mettant l'accent sur les transitions entre les conditions sèches et humides de la canopée. Les résultats obtenus sont importants pour le développement de modèles hydroclimatiques réalistes et performants au Canada et dans d'autres régions froides du monde. / Boreal forests account for around a third of the world's forest biomes and occupy the second largest vegetated area after tropical forests. Given its large geographical distribution, the boreal forest regulates water fluxes over vast areas and thus impacts climatology and hydrology at regional and global scales. Understanding the interactions between this ecosystem and the atmosphere is therefore crucial. Many studies have investigated the evapotranspiration of boreal forests, but only a handful have focused on the dynamics of evapotranspiration partitioning into overstory transpiration, wet canopy evaporation, and understory evapotranspiration on a fine temporal scale. The main objective of this thesis is to analyze the dynamics of evapotranspiration partitioning, particularly overstory transpiration and wet canopy evaporation in a humid boreal forest of eastern Canada. The approach is based on field observations and model outputs from the Canadian Land Surface Scheme (CLASS, run in offline mode), at the Montmorency Forest (47°17′18″N; 71°10′05.4″W) of Université Laval, Québec, Canada. This site is classified as a humid boreal forest with an aridity index of 0.57 and mean annual precipitation of 1583 mm (60% rain, 40% snow). This region is under the influence of a continental subarctic climate (Köppen classification Dfc), with a mean annual temperature of 0.5℃ and the growing season stretching from June to October. The experimental setup consists of two sites with balsam fir stands at different levels of maturity (Juvenile and Sapling), both equipped with eddy covariance flux tower. The more mature stand at the Juvenile site has a higher mean leaf area index (3.6) than the Sapling site (2.9). The evapotranspiration of the balsam fir stands was monitored by an eddy covariance system installed on the flux tower whereas the overstory transpiration and canopy water balance were measured inside three 400-m² plots located in the vicinity of each flux tower. The analysis focuses on the 2017 and 2018 growing seasons. This thesis is divided into three specific objectives. The first specific objective is to analyze the dynamics of overstory transpiration under transient canopy wetness conditions. Overstory transpiration was obtained from sap flow measurements using the thermal dissipation method on 12 sampled trees at each site. Uncertainties arising in the upscaling process from tree to stand scale were quantified, in particular through laboratory calibration of sap flow sensors performed with balsam fir trunk samples. The results showed that transpiration decreases when the canopy cover is in its wetting phase, and increases when in the drying phase. Net radiation, vapor pressure deficit, and the presence of rain drops on the tree needles all play a role in regulating tree transpiration. At the seasonal scale, overstory transpiration represented at most 47% of the total evapotranspiration. These results suggest that wet canopy evaporation is a significant term of the canopy water balance, which is the subject of the second specific objective. Hence, in the second part of the thesis, we analyzed the dynamics of canopy interception around rainfall events from half-hourly to seasonal scales. In order to measure the canopy water balance, throughfall and stemflow measurement devices were deployed, along with the stem compression approach. This new technique, which aims to weight a tree continuously to determine the amount of intercepted water, had never been tested for a full growing season. Apart from estimating the intercepted rainfall, results from canopy water balance and stem compression approach were also used to estimate the canopy maximum water storage. The maximum canopy water storage estimated using the canopy water balance method was on average 1.6 mm (≈ 0.49 mm per unit leaf area index) and 2.2 mm using the stem compression method. During the two growing seasons under study, the wet canopy evaporation contributed between 16% and 27% of the total evapotranspiration. Finally, for the third specific objective of this thesis, we were interested in the ability of the Canadian land surface scheme (CLASS) model to reproduce the observed circulation of water through the forest canopy. Despite some slight differences between the observations and simulations, CLASS is able to accurately simulate evapotranspiration partitioning during dry and wet canopy conditions, particularly after adjusting the maximum canopy water storage in line with that observed at the site. The discrepancy between observations and model outputs is mostly a consequence of differences in canopy drying times. Overall, CLASS is able to simulate ratios of evapotranspiration component to total evapotranspiration similar to those derived from observations at the more mature stand, but overestimates these ratios at the younger stand. This thesis provides a detailed examination of the evapotranspiration partitioning, with a focus on transitions from dry to wet and from wet to dry canopy conditions. These informations are important for the development of accurate hydrological models in Canada and in other cold regions around the world.

Le changement de l'occupation des sols (LUC) a une influence importante sur le climat de par les modifications des propriétés physiques de la surface. Le niveau de connaissance de ces impacts biogéophysiques est cependant insuffisant, en raison notamment des nombreux processus impliqués. Via l'intercomparaison de modèles de climat et d'autres outils développés, cette thèse vise à identifier les signaux climatiques robustes liés au LUC, ainsi qu'à évaluer les incertitudes associées. Depuis l'époque préindustrielle, le LUC a résulté en une déforestation extensive dans les régions tempérées de l'hémisphère Nord, où l'augmentation de l'albédo de surface a sûrement induit un refroidissement durant l'hiver et le printemps. L'amplitude de cet impact ainsi que le rôle des effets non radiatifs en été reste pourtant très incertain parmi les modèles. Ces incertitudes répondent (1) à la façon dont le LUC est représenté dans les modèles de surface et (2) aux sensibilités intrinsèques des modèles de climat au LUC. Le deuxième point explique plus de 50% de la dispersion inter-modèle dans des variables clés au climat de surface comme l'évapotranspiration. Suite à cette incertitude, les impacts du LUC dans albédo de surface et l'évapotranspiration ont été estimés à partir d'observations contemporaines et les cartes de végétation prescrites dans les modèles de surface ici évalués. L'ensemble de ces analyses montre que les incertitudes actuelles des effets sur le climat du LUC sont en grande partie liées aux paramétrisations des modèles de surface, et peuvent donc être réduites par une évaluation plus rigoureuse de ceux-ci.

Les toitures végétalisées sont des écosystèmes urbains et construits en essor constant en France et dans le monde. Elles sont associées à plusieurs services écosystémiques tels que la limitation du ruissellement des eaux de pluie vers les canalisations, la réduction des effets d'îlots de chaleur urbains ou l'augmentation de la biodiversité en ville. L'amélioration de la quantité et de la qualité des services écosystémiques attendus nécessite de comprendre l'influence des interactions entre les composantes de la toiture végétalisée, à savoir la composition du sol, sa profondeur et la communauté végétale, sur les multiples fonctions écosystémiques associées. Pourtant, ces interactions n'ont jamais été étudiées dans le contexte des toitures végétalisées. A l'aide d'expérimentations en milieu contrôlé puis en conditions réelles sur une toiture parisienne, nous avons cherché à comprendre comment les interactions entre les composantes des toitures végétalisées influencent des fonctions majeures liées aux cycles biogéochimiques du carbone, de l'azote et de l'eau, ainsi qu'à la pollinisation. Nous avons mis en évidence une influence majeure des interactions entre type de sol, profondeur du sol, espèces de plantes et diversité végétale sur (1) le niveau de réalisation des fonctions écosystémiques ainsi que (2) les interactions entre ces fonctions. Nous avons montré que le choix des composantes d'une toiture pouvait conduire à des compromis entre services écosystémiques. Nous proposons des pistes de conception et de gestion pour obtenir des toitures végétalisées multifonctionnelles. / Green roofs are urban constructed ecosystems, associated with multiple ecosystem services, such as urban heat island and stormwater runoff mitigation or support for biodiversity. Enhancing the quality and quantity of expected ecosystem services requires to understand how interactions between substrate composition, substrate depth and plant community affect multiple ecosystem functions. However, such interactions have never been studied on green roofs. Using experimental approaches under controlled and real conditions on a Parisian rooftop, we focused on the influence of soil-plant interactions on key ecosystem functions related to carbon, nitrogen and water cycles as well as pollination. We highlighted that interactions between substrate type, substrate depth, plant species and plant diversity affect (1) the level of ecosystem functions and (2) interactions between functions. We found that the choice of green roof components could lead to trade-offs between ecosystem services. We propose general guidelines for the conception and management of multifunctional green roofs.

Dans le cadre de la modélisation climatique, la représentation du cycle de l'eau des surfaces continentales est primordiale. Actuellement, les "modèles de surface continentale" représentent l'évolution des flux d'eau verticaux dans des colonnes de sol de quelques mètres de profondeur et leur interaction avec l'atmosphère. En revanche, l'interaction avec les nappes de faible profondeur n'est pas prise en compte alors que leur présence influence fortement les flux d'évapotranspiration à l'échelle locale, et, en conséquence, le climat à l'échelle régionale. Une difficulté est que les zones où cette interaction apparaît relèvent d'une échelle inférieure à celle du maillage des modèles de surface continentale. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle qui permette de prendre en compte l'impact des nappes de faible profondeur sur les flux d'évapotranspiration pour les modélisations climatiques à l'échelle globale. La contrainte principale associée relève des temps de calculs, qui doivent être réduits pour permettre la réalisation de simulations sur de grandes échelles de temps et d'espace. Dans ce cadre, un nouveau modèle de colonne de sol est proposé. Une fonction de drainage imposée en bas de colonne permet de reproduire l'évolution temporelle du toit de la nappe, en interaction avec les processus d'infiltration et d'évapotranspiration. Le modèle est testé et validé sur des cas tests académiques simples dans un premier temps, puis sur le cas d'un bassin versant réel dans un second temps (bassin versant du Strengbach, en France). Enfin, une méthodologie basée sur ce modèle de colonne et permettant d'estimer les flux d'évapotranspiration en tenant compte de leur variabilité dans l'espace est introduite. Elle est appliquée à un bassin versant dont la superficie est proche de celle d'une maille classique des modèles de surface continentale (bassin versant du Little Washita, aux États-Unis). / The representation of the water cycle on land surfaces is essential for climate modeling. Nowadays, the "Land Surface Models" (LSMs) represent soil columns of a few meters deep and they simulate the temporal evolution of the vertical water flows and the interaction with the atmosphere. However, the interaction with a near-surface water table is not taken into account although it strongly influences the evapotranspiration fluxes at the local scale, and therefore the climate at the regional scale. This interaction, which occurs at a smaller scale than the grid scale of the LSMs, is difficult to model. The objective of this PhD is to propose a model that incorporates the impact of a near-surface water table on evapotranspiration fluxes for global climate models. The computation time of the model must be small enough to enable simulations at large spatial and temporal scales. In this context, a new soil column model is proposed with a drainage function that is imposed at the bottom of the column. This function aims at reproducing the temporal evolution of the water table level in interaction with both the infiltration and the evapotranspiration fluxes. The model is tested and validated on numerical experiments and on a real catchment (Strengbach, France). A methodology based on this column model is introduced to estimate the evapotranspiration fluxes taking into account their subgrid variability. This methodology is applied to a catchment whose area is similar to the one of a classic grid cell of LSMs (Little Washita, USA).

Le choix d’une formulation d’évapotranspiration potentielle (FETP) en modélisation hydrologique n’est pas une tâche évidente. Les hydrologues optent souvent pour une formulation leur étant familière ou pour une déjà disponible dans le modèle utilisé. Ce mémoire examine l’influence de la FETP sur la transposabilité temporelle ainsi que le comportement du modèle SWAT appliqué à un bassin versant canadien soumis à une importante crue printanière. Dans cette optique, 20 FETP sont testées en plus des trois FETP déjà incluses dans SWAT. L’étude consiste en une analyse de sensibilité de Sobol et une calibration SCE-UA sur quatre périodes ayant des caractéristiques climatiques contrastées. Les résultats ont montré que la FETP influence la transposabilité temporelle de SWAT autant que son comportement en termes de sensibilité paramétrique et de jeux de paramètre optimaux. Ces résultats soulignent l’importance de choisir une FETP appropriée aux objectifs de modélisation.