L’objectif de la thèse vise à déterminer les facteurs et processus qui contrôlent l’origine et la qualité des eaux souterraines alluviales et ainsi à mieux comprendre le fonctionnement et la vulnérabilité des aquifères alluviaux qui occupent une place prééminente dans le paysage hydrogéologique mondial tant pour leur rôle économique - production d'eau potable, développement agricole - que pour leur rôle écologique. Des mesures hydrodynamiques, hydrochimiques (ions majeurs, traces, molécules phytosanitaires et pharmaceutiques) combinées à des déterminations isotopiques (oxygène-18, deuterium, carbone-13) ont ainsi été effectuées sur 19 points incluant puits, piézomètres et eaux de surface, de février 2011 à novembre 2012, afin d’évaluer l’origine et la qualité de l’eau souterraine dans l’aquifère alluvial de la rivière Allier, un des principaux tributaires de la Loire. La zone d’étude, située près de la ville de Clermont-Ferrand (France), joue par ailleurs un rôle socio-économique majeur, la nappe alluviale de l’Allier constituant la principale ressource en eau potable pour une population d’environ 100 000 habitants. D’un point de vue hydrodynamique, l'eau souterraine circule généralement du sud au nord, avec une alimentation naturelle à partir des coteaux adjacents, dans la partie non-pompée de l'aquifère. Dans la zone de pompage, cette circulation naturelle est modifiée par le pompage qui fait pénétrer l’eau de la rivière Allier dans l’aquifère. La recharge de l’aquifère dépend alors de quatre pôles de mélange : pluie, rivière Allier, coteaux adjacents et partie sud, non-pompée, de l’aquifère. Les résultats chimiques et isotopiques obtenus permettent de cartographier la contribution de chaque pôle de mélange. [...] Ces résultats mettent en évidence la vulnérabilité de l’aquifère face aux pollutions. Les parties méridionale et orientale du site sont affectées par des arrivées d’eaux de qualité médiocre démontrant l’importance de la définition d’un périmètre de protection adaptée. Près de l’Allier, une attention particulière doit être portée non seulement aux pollutions ponctuelles qui peuvent se produire sur le cours de la rivière, mais également aux pollutions chroniques liées notamment aux rejets des stations d’épuration pourvoyeurs de polluants tels les molécules pharmaceutiques. Toutes les informations acquises devront être incluses dans les stratégies de gestion d'eau souterraine afin protéger la durabilité de cette ressource de valeur. Les résultats s’appuient sur les investigations menées sur la nappe alluviale de l’Allier, néanmoins la méthodologie utilisée et sa transposition à des systèmes analogues est l’une des perspectives majeures de cette étude. / Hydrodynamic, hydrochemical (major ions, traces, pharmaceuticals and pesticides), and isotopic investigations (oxygen-18 and deuterium) were carried out on 19 points, including boreholes, piezometer, surface water, and springs from February 2011 to November 2012, to assess groundwater quality in the unconfined shallow alluvial aquifer of the Allier River (one of the main tributary of the Loire River). The study area, located near the city of Clermont-Ferrand (France), plays an important socio-economic role as the alluvial aquifer is the major source of drinking water for about 100 000 inhabitants. The objective of the project aims at understanding the functioning and the vulnerability of alluvial aquifers that occupy a pre-eminent position in the hydrogeologic landscape both for their economic role - production of drinking water and agricultural development - and for their ecological role. Moreover, this study also targets at determining the factors and processes controlling shallow groundwater quality and origin. The water circulates from the south, with a natural alimentation from the hills in the non-pumped part of the alluvial aquifer. In the pumping zone, this general behaviour is altered by the pumping that makes the water from the Allier River enter the system in a large proportion. Four end-members have been identified for the recharge of the alluvial groundwater: rainfall, Allier River, surrounding hills’ aquifer and the southern non-pumped part of the alluvial system. Results indicate that, despite the global Ca-HCO3 water type of the groundwater, spatial variations of physico-chemical parameters do exist in the study area. Ionic concentrations increase from the Allier River towards east due either to the increase in the residence time or a mixing with groundwater coming from the aquifer’s borders. Stable isotopes of the water molecule show the same results: boreholes close to the river bank are recharged by the Allier River (depleted values), while boreholes far from the river exhibit isotopic contents close to the values of hills’ spring or to the southern part of the alluvial aquifer, both recharged by local precipitation. One borehole (B65) does not follow this scheme of functioning and presents values attesting of a probable sealing of the Allier River banks. Based on these results, the contribution of each end-member has been calculated and the functioning of the alluvial system determined. According to this general scheme of functioning, origins of pollution (agricultural, urban) have been determined and clues to the protection of such hydrosystems defined.

Dans les écosystèmes, tels que les rivières, les marais salés, les mangroves, les dunes côtières, qui sont exposés à des flux hydrogéomorphologiques fréquents et réguliers (c’est-à-dire à des perturbations physiques), des rétroactions se mettent en place entre la géomorphologie (eau, sédiments et formes fluviales) et les plantes (par exemple Populus nigra L., Salix alba L., Salix purpurea L. dans les rivières). L’établissement de la végétation est contrôlé par des processus hydrogéomorphologiques qui, en retour, sont modulés par la végétation. De telles rétroactions contrôlent la dynamique des écosystèmes riverains. Dans cette thèse, nous avons abordé deux questions principales afin de mieux comprendre les rétroactions entre la végétation riveraine et les processus hydrogéomorphologiques : (i) comment la végétation riveraine répond-elle aux contraintes hydrogéomorphologiques ? (ii) comment et dans quelle mesure les plantes ingénieures, une fois établies, affectent-elles la géomorphologie fluviale ? Nous avons étudié ces questions sur la rivière Allier (France) à travers une approche emboîtée multi-échelles allant de l’échelle du patron paysager au trait de plante. Nous avons testé l’applicabilité de la méthode de photogrammétrie pour quantifier la réponse et l’effet de la végétation riveraine et des rétroactions biogéomorphologiques à différentes échelles spatio-temporelles (corridor, banc alluvial et individu). À l’échelle du corridor, nous avons recherché la signature topographique de la végétation riveraine dans le paysage, en utilisant des données photogrammétriques et LiDAR. À l’échelle intermédiaire du banc alluvial, nous avons étudié l’aptitude des trois espèces pionnières dominantes riveraines de Salicaceae (P. nigra, S. purpurea, S. alba) à s’établir et à agir comme ingénieurs d’écosystème en piégeant les sédiments fins. À l’échelle la plus fine du trait de plante, nous avons quantifié la relation existante entre les attributs de trait de réponse des jeunes plantes de P. nigra et leur exposition à trois niveaux différents de stress mécanique (tête de banc fortement exposée, queue de banc moins exposée, chute alluviale). Nous avons identifié les difficultés et les erreurs à ne pas commettre pour appliquer correctement la photogrammétrie dans les études des rétroactions biogéomorphologiques. En tout état de cause, la photogrammétrie s’est avérée être un outil performant pour quantifier un ensemble de paramètres pertinents pour répondre à des questions de recherche fondamentale aux trois échelles spatiales considérées. À l’échelle la plus large, la signature topographique de la végétation est particulièrement difficile à identifier en raison de la dynamique complexe des formes fluviales de la rivière Allier. Cependant, en concentrant les observations sur des zones de taille réduite et fortement connectées (bancs alluviaux bordant le chenal), la signature de la végétation a pu être identifiée par cette méthode. Elle semble augmenter avec la croissance de la hauteur végétale (progression temporelle de la succession biogéomorphologique), ce qui est en accord avec le modèle de succession biogéomorphologique fluviale (SBF). À l’échelle intermédiaire du banc alluvial, les rétroactions biogéomorphologiques pouvaient être bien identifiées. La capacité des plantes riveraines à s’établir et à agir comme ingénieurs d’écosystème dépend à la fois des espèces et de leur physionomie, de leur âge et de leur position respective sur les bancs alluviaux. À l’échelle la plus fine de l’individu, nous avons capturé la réponse morphologique et biomécanique contrastée de P. nigra à l’exposition aux différents niveaux de contrainte mécanique d’un point de vue de trait. Dans tous les niveaux hiérarchiques, des rétroactions biogéomorphologiques liées aux échelles ont été détectées et synthétisées dans un modèle conceptuel. [...] / N ecosystems, such as rivers, salt marshes, mangroves, coastal dunes which are exposed to frequent and regular hydrogeomorphic fluxes (i.e. physical disturbances), feedbacks between geomorphology (water, sediment and landforms) and plants (e.g. Populus nigra L., Salix alba L., Salix purpurea L. in rivers) can occur. Vegetation esta¬blishment is controlled by hydrogeomorphic processes which in turn are modulated by vegetation. Such feedbacks control riparian ecosystem dynamics. In this thesis, we addressed two main questions in an effort to better understand feedbacks between riparian vegetation and hydrogeomorphic processes: (i) How does riparian vegetation respond to hydrogeomorphic constraints? (ii) How, and to what extent, do established engineer plants affect fluvial geomorphology? We studied these questions through a nested multi-scale approach from landscape pattern to plant trait scales on the dynamic wandering Allier River (France). We tested the applicability of the method of photogrammetry to quantify the response and the effect of riparian vegetation and biogeomorphic feedbacks at different spatio-temporal scales (i.e. corridor, alluvial bar and individual). At the corridor scale, we searched for the topographic signature of riparian vegetation in the landscape, using photogrammetric and LiDAR data. At the intermediate alluvial bar scale, we investigated the aptitude of three dominant pioneer riparian Salicaceae species (P. nigra, S. purpurea and S. alba) to establish and to act as ecosystem engineers by trap¬ping fine sediment. At the finest, plant trait scale, we quantified the relation between response trait attributes of young P. nigra plants and their exposure to three different levels of mechanical stress (a highly exposed bar-head, a less exposed bar-tail, a chute channel). We identified some difficulties or failures to properly apply photogrammetry in biogeomorphic feedback studies. However, photogrammetry appeared as a useful tool to quantify a set of relevant parameters to respond to fundamental research questions concerning biogeomorphic feedbacks at the three nested spatial scales. At the broadest, the topographic signature of vegetation was not easy to capture because of the complex shifting mosaic of landforms of the Allier River. However, by focusing on more connec¬ted, restricted areas (i.e. alluvial bars), the signature of vegetation could be captured. It seems to increase with increasing vegetation height corresponding to the evolutionary phases of the fluvial biogeomorphic succession (FBS) model. At the intermediate, alluvial bar scale, biogeomorphic feedbacks could be well identified. The capacity of riparian plants to establish and act as ecosystem engineers depended both on species and their physiognomy, their age and their location on alluvial bars. At the finest, individual plant scale, we captured the contrasting morphological and biomechanical response of P. nigra to variable mechanical stress exposure from a trait perspective. In all hierarchical levels, scale-related biogeomorphic feedbacks were detected and described in a conceptual model. The three scales were considered as cycles composed of four different phases, which can have a variable temporality. The broadest spatio-temporal scale represents the evolution over several decades of the landscape mosaic resulting from the balance between constructive (vegetation establishment, growth and succession) and destruc¬tive (floods) forces. [...]