L'estimation de crues de projet est requise pour le dimensionnement de barrages et de bassins de rétention, de même que pour la gestion des inondations lors de l’élaboration de cartes d’aléas ou lors de la modélisation et délimitation de plaines d’inondation. Généralement, les crues de projet sont définies par leur débit de pointe à partir d’une analyse fréquentielle univariée. Cependant, lorsque le dimensionnement d’ouvrages hydrauliques ou la gestion de crues nécessitent un stockage du volume ruisselé, il est également nécessaire de connaître les caractéristiques volume, durée et forme de l’hydrogramme de crue en plus de son débit maximum. Une analyse fréquentielle bivariée permet une estimation conjointe du débit de pointe et du volume de l’hydrogramme en tenant compte de leur corrélation. Bien qu’une telle approche permette la détermination du couple débit/volume de crue, il manque l’information relative à la forme de l’hydrogramme de crue. Une approche attrayante pour caractériser la forme de la crue de projet est de définir un hydrogramme représentatif normalisé par une densité de probabilité. La combinaison d’une densité de probabilité et des quantiles bivariés débit/volume permet la construction d’un hydrogramme synthétique de crue pour une période de retour donnée, qui modélise le pic d’une crue ainsi que sa forme. De tels hydrogrammes synthétiques sont potentiellement utiles et simples d’utilisation pour la détermination de crues de projet. Cependant, ils possèdent actuellement plusieurs limitations. Premièrement, ils reposent sur la définition d’une période de retour bivariée qui n’est pas univoque. Deuxièmement, ils décrivent en général le comportement spécifique d’un bassin versant en ne tenant pas compte de la variabilité des processus représentée par différents types de crues. Troisièmement, les hydrogrammes synthétiques ne sont pas disponibles pour les bassins versant non jaugés et une estimation de leurs incertitudes n’est pas calculée.Pour remédier à ces manquements, cette thèse propose des avenues pour la construction d’hydrogrammes synthétiques de projet pour les bassins versants jaugés et non jaugés, de même que pour la prise en compte de la diversité des types de crue. Des méthodes sont également développées pour la construction d’hydrogrammes synthétiques de crue spécifiques au bassin et aux événements ainsi que pour la régionalisation des hydrogrammes. Une estimation des diverses sources d’incertitude est également proposée. Ces travaux de recherche montrent que les hydrogrammes synthétiques de projet constituent une approche qui s’adapte bien à la représentation de différents types de crue ou d’événements dans un contexte de détermination de crues de projet. Une comparaison de différentes méthodes de régionalisation montre que les hydrogrammes synthétiques de projet spécifiques au bassin peuvent être régionalisés à des bassins non jaugés à l’aide de méthodes de régression linéaires et non linéaires. Il est également montré que les hydrogrammes de projet spécifiques aux événements peuvent être régionalisés à l’aide d’une approche d’indice de crue bivariée. Dans ce contexte, une représentation fonctionnelle de la forme des hydrogrammes constitue un moyen judicieux pour la délimitation de régions ayant un comportement hydrologique de crue similaire en terme de réactivité. Une analyse de l’incertitude a montré que la longueur de la série de mesures et le choix de la stratégie d’échantillonnage constituent les principales sources d’incertitude dans la construction d’hydrogrammes synthétiques de projet. Cette thèse démontre qu’une approche de crues de projet basée sur un ensemble de crues permet la prise en compte des différents types de crue et de divers processus. Ces travaux permettent de passer de l’analyse fréquentielle statistique de crues vers l’analyse fréquentielle hydrologique de crues permettant de prendre en compte les processus et conduisant à une prise de décision plus éclairée. / Design flood estimates are needed in hydraulic design for the construction of dams and retention basins and in flood management for drawing hazard maps or modeling inundation areas. Traditionally, such design floods have been expressed in terms of peak discharge estimated in a univariate flood frequency analysis. However, design or flood management tasks involving storage, in addition to peak discharge, also require information on hydrograph volume, duration, and shape . A bivariate flood frequency analysis allows the joint estimation of peak discharge and hydrograph volume and the consideration of their dependence. While such bivariate design quantiles describe the magnitude of a design flood, they lack information on its shape. An attractive way of modeling the whole shape of a design flood is to express a representative normalized hydrograph shape as a probability density function. The combination of such a probability density function with bivariate design quantiles allows the construction of a synthetic design hydrograph for a certain return period which describes the magnitude of a flood along with its shape. Such synthetic design hydrographs have the potential to be a useful and simple tool in design flood estimation. However, they currently have some limitations. First, they rely on the definition of a bivariate return period which is not uniquely defined. Second, they usually describe the specific behavior of a catchment and do not express process variability represented by different flood types. Third, they are neither available for ungauged catchments nor are they usually provided together with an uncertainty estimate.This thesis therefore explores possibilities for the construction of synthetic design hydrographs in gauged and ungauged catchments and ways of representing process variability in design flood construction. It proposes tools for both catchment- and flood-type specific design hydrograph construction and regionalization and for the assessment of their uncertainty.The thesis shows that synthetic design hydrographs are a flexible tool allowing for the consideration of different flood or event types in design flood estimation. A comparison of different regionalization methods, including spatial, similarity, and proximity based approaches, showed that catchment-specific design hydrographs can be best regionalized to ungauged catchments using linear and nonlinear regression methods. It was further shown that event-type specific design hydrograph sets can be regionalized using a bivariate index flood approach. In such a setting, a functional representation of hydrograph shapes was found to be a useful tool for the delineation of regions with similar flood reactivities.An uncertainty assessment showed that the record length and the choice of the sampling strategy are major uncertainty sources in the construction of synthetic design hydrographs and that this uncertainty propagates through the regionalization process.This thesis highlights that an ensemble-based design flood approach allows for the consideration of different flood types and runoff processes. This is a step from flood frequency statistics to flood frequency hydrology which allows better-informed decision making.

La compréhension du fonctionnement des aquifères karstiques est un enjeu considérable au vu des structures complexes de ces réservoirs. La forte hétérogénéité des écoulements induit une grande vulnérabilité de ces milieux et des comportements variés au cours des crues en lien avec différents processus de recharge. Dans le Massif du Jura, les aquifères karstiques constituent la principale ressource en eau potable et posent la question de leur rôle dans la dégradation de la qualité de l'eau observée depuis plusieurs décennies. Cette thèse propose différentes approches complémentaires pour mieux comprendre les dynamiques de crues dans ces aquifères sous diverses conditions hydrologiques. Plusieurs systèmes karstiques du Massif du Jura, présentant des dimensions variables et dominés par des mécanismes de recharges distincts, sont caractérisés à partir de suivis physico-chimiques et hydrochimiques détaillés.Tout d'abord, les différents systèmes sont comparés à l'échelle du cycle hydrologique et à l'échelle saisonnière afin d'identifier les processus de recharge dominants (infiltrations localisées et/ou diffuses) ainsi que les signatures hydrochimiques caractéristiques (arrivées allochtones, autochtones et/ou anthropiques). Une étude comparative de deux systèmes met en avant la forte variabilité saisonnière de la réponse hydrochimique sur un système marqué par une recharge localisée importante. Les différents systèmes sont ensuite analysés à une échelle de temps plus fine afin de mieux comprendre les dynamiques de crues. Une crue intense d'automne a été ainsi comparée à de plus petites crues précédées par des périodes d'étiages importantes et marquées par des signatures hydrochimiques anthropiques significatives. A partir de ces résultats, la méthode EMMA (End-Member Mixing Analysis) est appliquée afin d'établir les principaux pôles hydrochirniques responsables des contributions caractéristiques des différents systèmes. Ensuite, au vu du transport important de matières en suspension au cours des crues dans ces aquifères, une partie de ce travail vise à mieux comprendre le rôle et l'impact de ces matières sur le transport dissous et colloïdal. Les éléments traces métalliques (ETM) sont utilisés afin de caractériser l'origine et la dynamique des transferts. Ils apparaissent alors comme des outils pertinents pour identifier des phénomènes de dépôts et de remobilisation de particules dans le système. Ces dynamiques s'observent à la fois sur le système de Fourbanne marqué par une infiltration localisée importante et sur le petit système du Dahon, caractérisé par une infiltration diffuse.Finalement, afin de mieux comprendre la variabilité spatio-temporelle des interactions qui ont lieu au cours des crues le long du conduit karstique, une nouvelle approche de modélisation est définit. Elle propose l'utilisation des équations de l'onde diffusante et d'advection-diffusion avec la même résolution mathématique (solution analytique d'Hayarni (1951)) en supposant une distribution uniforme des échanges le long du conduit. A partir d'une modélisation inverse, elle permet alors d'identifier et d'estimer les échanges en termes de flux hydriques et de flux massiques entre deux stations de mesure. Cette méthodologie est appliquée sur le système de Fourbanne le long de deux tronçons caractérisant (1) la zone non-saturée et (2) zone non-saturée et saturée. L'analyse de plusieurs crues permet d'observer des dynamiques d'échanges variées sur les deux tronçons. Elle permet ainsi d'établir un schéma de fonctionnement du système soulignant des interactions importantes dans la zone saturée et également le rôle de la zone non-saturée pour le stockage dans le système karstique.Ce travail de thèse propose donc un ensemble d'outils riches et complémentaires pour mieux comprendre les dynamiques de crues et montre l'importance de coupler l'analyse des processus hydrodynamiques et hydrochimiques afin de mieux déchiffrer le fonctionnement de ces aquifères. / The understanding of karst aquifer functioning is a major issue, given the complex structures of these reservoirs. The high heterogeneity of the flows induces a high vulnerability of these media and implies distinct behaviours during floods because of various infiltration processes. In the Jura Mountains, karst aquifers constitute the main source of water drinking supply and raise the question of their role in the degradation of water quality observed for several decades. This work uses complementary approaches to better understand the dynamics of floods in aquifers under various hydrological conditions. Several karst systems of the Jura Mountains, varying in size and characterized by distinct recharge processes, are investigated by detailed physico-chemical and hydrochemical monitoring.First, the different systems are compared at the hydrological cycle scale and at the seasonal scale to identify the dominant recharge processes (localized and/or diffuse infiltrations) as well as the characteristic hydrochemical signatures (allochtonous, autochthonous and/or anthropogenic). A comparative study of two systems with distinct recharge processes highlights the high seasonal variability of the hydrochemical response. The different systems are then analysed on a finer time scale to shed light on flood dynamics. An intense autumn flood was thus compared to smaller floods preceded by periods of significant low flow and marked by significant anthropogenic hydrochemical signatures. The EMMA (End-Member Mixing Analysis) method is applied to these results in order to establish the main hydrochemical end-members responsible for the characteristic contributions of the different systems.Then, considering the important transport of suspended matter during floods in these aquifers, part of this work aims to better understand the role and impact of these materials on dissolved and colloidal transport. Metal trace elements (ETM) are used to characterize the origin and transfer dynamics. These are relevant tools to identify the processes of storage and remobilization of the particles in the system. These dynamics are observed both on the Fourbanne system with an important localized infiltration, and on the small Dahon system, characterized by diffuse infiltration.Finally, in order to shed light on the spatio-temporal variability of the interactions that occur along the karst network during floods, a new modelling approach is defined. It is based upon the use of the diffusive wave and advection­diffusion equations with the same mathematical resolution (Hayami's analytical solution (1951)) assuming a uniform distribution of the exchanges along the reach. An inverse modelling approach allows to identify and estimate the exchanges in terms of water flows and solute between two measurement stations. This methodology is applied to the Fourbanne system on two sections characterizing (1) the unsaturated zone and (2) unsaturated and saturated zone. The analysis of several floods highlights the different exchange dynamics on the two sections. It thus makes it possible to establish a functioning scheme of the system, bringing to light the important interactions in the saturated zone and also the storage role of the unsaturated zone in the karst system.This work offers a set of rich and complementary tools to better characterize the dynamics of floods and shows the importance of coupling the analysis of the hydrodynamic and hydrochemical processes to better decipher the functioning of these aquifers.