Résumé : Les eaux souterraines ont un impact majeur sur la vie terrestre, les besoins domestiques et le climat. Elles sont aussi un maillon essentiel du cycle hydrologique. Au Canada par exemple, plus de 30 % de la population est tributaire des eaux souterraines pour leur alimentation en eau potable. Ces ressources subissent de nombreuses pressions sous l’influence de certains facteurs comme la salinisation, la contamination et l’épuisement. La variabilité du climat et la demande croissante sur ces ressources imposent l'amélioration de nos connaissances sur les eaux souterraines. L’objectif principal du projet de recherche est d’exploiter les données d’anomalies (TWS) de la mission Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) pour localiser, quantifier et analyser les variations des eaux souterraines à travers les bassins versants du Bas-Mackenzie, du Saint-Laurent, du Nord-Québec et du Labrador. Il s’agit aussi d’analyser l’influence des cycles d’accumulation et de fonte de neige sur les variations du niveau des eaux souterraines. Pour estimer les variations des eaux souterraines, la connaissance des autres paramètres du bilan hydrologique est nécessaire. Ces paramètres sont estimés à l’aide des sorties du modèles de surface CLM du Système Global d’Assimilation des Données de la Terre (GLDAS). Les données GRACE qui ont été utilisées sont celles acquises durant la période allant de mars 2002 à août 2012. Les résultats ont été évalués à partir d’enregistrements de niveaux piézométriques provenant de 1841 puits localisés dans les aquifères libres du bassin des réseaux de suivi des eaux souterraines au Canada. Les valeurs de rendements spécifiques des différents types d’aquifères de chaque puits et celles des variations mensuelles du niveau d’eau dans ces puits ont été utilisées pour estimer les variations des anomalies des eaux souterraines in-situ. L’étude de corrélation entre les variations des anomalies des eaux souterraines estimées à partir de la combinaison GRACE-GLDAS et celles issues de données in-situ révèle des concordances significatives avec des valeurs de 𝑅=0,46 et 𝑅 = 0,50 entre ΔGW et ΔGWPiézo, respectivement pour le bassin du Bas-Mackenzie et celui du Saint-Laurent. Quant à la combinaison de tous les bassins, elle s’est caractérisée par une corrélation un peu plus faible (𝑅=0,44). Les valeurs des coefficients de corrélation calculée avec des données indépendantes de SWE venant des produits GlobSnow ; R = -0,68 sur le bassin du Bas-Mackenzie, R = -0,76 sur le bassin versant du Nord-du-Québec et du Labrador, R = -0,51 sur le bassin versant du Saint-Laurent et R = -0,52 pour les trois bassins réunis, montrent que ΔGW est très sensible à la quantité d’eau dans la neige, avec des spécificités pour chaque bassin versant étudié. / Abstract : Groundwater is an important component of the hydrological cycle. In Canada, more than 30% of the population relies on the main source of water for domestic use. These resources are under pressure factors such as salinization, contamination and exhaustion. Our knowledge on groundwater needs improvement because of climate variability and an increasing demand for these resources. The main objective of this project is to use the Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) mission data (TWS) anomalies to locate, quantify and analyze the groundwater changes in Mackenzie St. Lawrence, North-Quebec and Labrador basins. Also this work aims to analyze the influence of accumulation cycles and snowmelt on groundwater level changes. For this groundwater changes estimation, it is necessary to estimate other water balance parameters. These parameters are estimated by using the outputs of the land surface model CLM of the Global Land Data Assimilation System (GLDAS) Data Products. The TWS data used are from March 2002 to august 2012. The results were evaluated by using the groundwater levels records from 1841 wells located in the free aquifers of different Canadian groundwater monitoring networks. The Specific yields values of the different types of aquifers from each well and the monthly changes in the water level in these wells were used to estimate changes in the in-situ groundwater anomalies. The correlation study between changes in groundwater anomalies estimated from the combination GRACE-GLDAS and those from in-situ data reveals significant matches with values of R = 0,46 and R = 0,50 between ΔGW and ΔGWPiézo respectively for the Lower-Mackenzie and the St. Lawrence basins. The combination of all the basins is characterized by a slightly weaker correlation (R = 0, 44).The correlation coefficients calculated with an independent data coming from SWE GlobSnow products are R = -0, 68 for Lower-Mackenzie River Basin, R = -0, 76 for Nord-du-Québec and Labrador basin, R = -0, 51 for St. Lawrence basin and R = -0, 52 for the three basins taken together. These correlations show that ΔGW is very sensitive to the snowmelt water amount, but with specificities for each studied basin.

Dans la zone nord des bassins versants de la Thaïlande, l'augmentation de la dégradation des ressources du bassin hydrographique résultant de la combinaison de l’augmentation de la population et de la croissance économique ont conduit à la création de contrôles divers par différents agents. Le gouvernement thaïlandais a fait des efforts considérables pour responsabiliser et impliquer les populations locales dans la gouvernance des ressources, pour éradiquer le problème et atténuer les conflits d'intérêts. Toutefois, la participation de la population ne progresse pas au-delà des niveaux d'information et de consultation. Afin de promouvoir la bonne gouvernance des ressources, la question de recherche proposée ici est de savoir comment utiliser la modélisation d'accompagnement (ComMod) qui est un processus de médiation outillé pour promouvoir la compréhension mutuelle et l'apprentissage adaptatif chez les intervenants afin d’améliorer la gestion collective des bassins versants. Les principales méthodes de recherche mises en œuvre dans cette étude sont le jeu de rôle (RPG), l'observation participante et la modélisation multi-agents. L'analyse préliminaire du cas du bassin versant Maehae a révélé un risque de conflit entre les agriculteurs et les forestiers. Deux sessions de jeu de rôle (RPG) ont été menées afin de mieux comprendre comment ces acteurs utilisent et gèrent des terres et des forêts malgré des conflits d'intérêts. […]En résumé, le réseau villageois, comme le réseau local, crée des liens divers entre deux ethnies et communautés. Il lie des individus, des groupes et des réseaux plus politiques et se pose en tant qu'intermédiaire informel politique pour co-gérer les ressources du bassin hydrographique et atténuer les tensions éventuelles entre les parties prenantes. La fonction du réseau villageois représente un processus d'évolution culturelle par le biais de l'apprentissage social et permet d’accroitre les préoccupations environnementales, et par conséquent, accroît la capacité d'adaptation la résilience. Cette étude […] souligne l'importance de la participation des principales parties prenantes, la confiance entre le chercheur et les acteurs, la position neutre du chercheur. La prochaine étape dans la modélisation d'accompagnement serait nécessaire, pour partager le plan de gestion collective locale avec les réseaux politiques plus interconnectés, grâce à la simulation du modèle, et passer à d'autres co-planifications et co-décisions en matière de gouvernance durable des ressources des bassins versants. / In the northern watershed area of Thailand, the increase in watershed resources degradation due to the combination of population and economic growths led to diverse controls and responsible agents. Thai government has put substantial effort to empower and involve local people in resource governance, to eradicate the problem and mitigate the conflict of interest. However, the people participation does not progress beyond informative and consultative levels. The Maehae is one of the complex watershed management cases where intensive vegetable cultivated lands located in restricted watershed area, multi-level stakeholders involved in watershed resources management existed. To promote good resource governance, the research questions proposed here is how to employ companion modeling (ComMod) process and mediating tools to promote mutual and adaptive learning among stakeholders to enhance collective watershed management. The main field research methods implemented in this study are roleplaying game (RPG), stakeholders observation and multi-agent based model (MABM). Preliminary system analysis of the Maehae revealed a potential conflict among the farmers and the forester. Two land-forest role-playing game (RPG) sessions were conducted in order to gain a better understanding on how these stakeholders use and manage land and forest under conflict of interests. […]This scenarios exploration showed that the San was only determinant factor in the “business as usual” scenarios. The San […] could reduce forest disturbance and promoted total farm productivity. […] In summary, The Maehae village network, as the local network, bridges diverse ties both ethnicities and communities. It links individual, groups and higher policy network; performs as intermediary informal political network to co-manage the watershed resources and mitigate possible tensions among stakeholders. The village network function represents a cultural evolution process through social learning and gaining of environmental concerns, therefore, enhances adaptive capacity and increase resilience. This study […] recommends the important of key stakeholders’ involvement, the trust between researcher and the stakeholders, the neutral position of the researcher. Further stage of companion modelling would be required, to share collective local management plan with larger interconnected policy networks, through the model simulation, and move to further co-planning and codecision making for sustainable watershed resource governance.

On associe souvent d'emblée les approches collaboratives à la gestion intégrée de l'environnement et parmi celles-ci on évoque la concertation à titre de moyen privilégié pour rallier les divers groupes d'acteurs autour d'une définition collective des objectifs, des actions à entreprendre ou du partage de responsabilités. La concertation suggère donc que son usage peut avoir un effet structurant en permettant à ceux-ci de revisiter certains de leurs rôles ou manières de faire ainsi que les relations qu'ils entretiennent entre eux de manière à établir une nouvelle cohésion favorable à la préservation ou l'amélioration d'écosystèmes naturels. En témoignent plusieurs politiques gouvernementales en matière de développement régional, d'occupation des territoires, de développement durable, de gestion de l'environnement, parmi d'autres, tant en France qu'au Québec, qui lient fréquemment l'exercice de la concertation à une volonté de promouvoir la démocratie de proximité et de prise en main par les acteurs locaux du développement territorial intégré. Cependant, malgré une volonté clairement exprimée en faveur de la concertation, plusieurs facteurs entravent couramment la réalisation des bénéfices annoncés, tels que les luttes de pouvoir ou d'influence, les reliquats d'anciens conflits, la marchandisation du processus, les difficultés de communication, l'illégitimité du porteur de projet, l'absence de certains acteurs clés, l'inadéquation avec les actions du gestionnaire public, ou encore, un processus désordonné, sans méthode et ne disposant pas des moyens nécessaires. Pour ces raisons et considérant que la concertation constitue une approche souhaité [i.e. souhaitée] tant par nos instances gouvernementales que la société civile, il convient de nous doter d'outils appropriés pour mieux comprendre les processus de concertation à l'échelle locale ou régionale, ce qui nous permettrait d'identifier les forces, les lacunes et les écarts de toute initiative de concertation dans le but d'améliorer l'efficience de ces efforts collectifs au profit de tous et des générations futures. Cette étude se concentre sur une démarche d'évaluation de la concertation et ses outils élaborés autour des années 2000 par une équipe de chercheurs français. Cette méthode porte le nom de RELIEF, acronyme signifiant REseau support de la concertation, LIens entre catégories d'acteurs, Espaces d'action collective et EFfets sur l'objet de la concertation. Sa conception trouve ses origines dans un projet de recherche qui avait pour objectif de répertorier, puis d’analyser sur une base comparative diverses initiatives de gestion concertée en milieu rural, et dans les espaces littoraux. Durant trois années, une équipe de l’École nationale supérieure agronomique de Rennes (ENSAR) dirigée par Jean-Eudes Beuret, en collaboration avec d’autres chercheurs, ainsi que les acteurs du milieu, observa les dynamiques relationnelles au sein des concertations locales étudiées et tenta d’élucider les facteurs qui en influencent le cours et en favorisent le développement. Pour mieux comprendre le contexte général entourant leur recherche, un survol historique est fait de la question de la concertation environnementale, et plus précisément en matière de gestion intégrée de l'eau depuis les années 1970 en France. L'analyse présentée ici débute par une mise en contexte général des approches collaboratives en gestion intégrée de l'environnement et de l'évaluation des [i.e. de] leurs effets, car la question des facteurs déterminants dans la réussite des initiatives de concertation pose plus de questions qu'elle ne donne de réponses. Pourtant, nombreux sont ceux et celles qui considèrent que la concertation est nécessaire pour promouvoir l'établissement de nouvelles normes respectueuses des principes du développement durable, de manière démocratique et suscitant l'adhésion des individus et des collectivités. Bien sûr, de nombreuses recherches font état d'effets directs et indirects de la concertation, et le besoin de recherches complémentaires est souligné. Cependant, à l'exception de RELIEF, aucune autre méthode d'évaluation du processus de concertation élaborée sur la base d'expériences menées sur le terrain n'a été recensée. La concertation souffr en effet de ses nombreuses mésinterprétations et mise en pratiques désordonnées, c'est pourquoi il est primordial de se doter des connaissances appropriées et d'outils adaptés pour guider l'évolution des processus et dresser le portrait des parcours afin d'appuyer les divers groupes d'acteurs et augmenter leur capacitation en termes de dialogue délibératif. Dans cet ouvrage, on s'attarde également à préciser le concept de concertation ainsi que ses divers modes d'expression et d'évolution, car cette compréhension est essentielle à l'obtention d'une vision claire de l'outil et de son utilité. Enfin, une description approfondie des différentes phases d'application de la méthode est donnée: préparation de la recherche, collecte des données par des entretiens, composition du questionnaire, interprétation des résultats, discussions et présentation des résultats. Différents apports théoriques sont intégrés dans cette approche, comme la sociologie de l’innovation et la théorie de l’acteur réseau. L'étude se termine par une analyse de la pertinence d'utiliser l'approche RELIEF dans le cadre du mandat de concertation confié aux organismes de bassin versant (OBV) du Québec. Dans cette perspective, un regard est porté sur les adaptations nécessaires qui doivent être apportés [i.e. apportées] à ses outils, ainsi qu'aux contraintes et difficultés pressenties pour son utilisation concrète dans le cadre d'initiatives de gestion intégrée de l'eau à l'échelle des bassins versants, ou plus précisément, du territoire des sous-bassins. Les OBV du Québec sont connus comme étant les acteurs dont le principal rôle est de promouvoir et de faciliter la concertation et la capacitation des acteurs en matière de développement intégré respectueux de la ressource eau. Cette tâche constitue un exercice de cohésion, de transparence, qui supporte les territoires dans leurs efforts de développement durable démocratique concerté, et ouvre la porte à une action collective innovante.

Dans certains petits bassins versants de montagne, des évènements de pluie extrême peuvent engendrer de forts exports sédimentaires. Ce volume important de sédiment peut avoir un impact sur la gestion des ouvrages hydrauliques à l’aval de ces bassins. Aujourd’hui, pour représenter les processus d’érosion à l’échelle du bassin versant, des modèles conceptuels distribués sont majoritairement utilisés (CASC2D, SHETRAN, DWSM). Ces modèles sont basés sur des formules d’érosion globales et sont validés pour des maillages grossiers (> 30 m). D’un autre côté, il existe des modèles capables de représenter finement des processus d’érosion gravitaire, par des écoulements multiphasiques, principalement utilisés sur des cas à petite échelle. Ce travail de thèse propose le développement d’un modèle à base physique capable de représenter à la fois les transferts hydrauliques et l’hydrologie des bassins versants, les processus d’érosion gravitaire et de reprise/dépôt des sédiments dans le réseau hydraulique. Cela permettra de quantifier l’export sédimentaire à l’exutoire d’un bassin pour des tempêtes extrêmes, d’identifier des zones de fortes productions sédimentaires et des dynamiques de stockage des sédiments dans le réseau hydraulique afin d’aider à la gestion des bassins versants. Il s’agit dans un premier temps d’évaluer la résolution des équations de Saint-Venant pour du ruissellement avec des faibles hauteurs d’eau sur des fortes pentes. Pour diagnostiquer les différents schémas numériques que l’on peut trouver dans la littérature, un cas test, disposant d’une solution analytique des équations de Saint-Venant, représentant, un canal rectiligne sur lequel tombe une pluie constante est utilisé. Ce cas test comporte une zone sèche à l’amont et permet d’évaluer les propriétés clés qu’un schéma doit comporter pour représenter le ruissellement sur un bassin versant, à savoir la positivité des hauteurs d’eau, la transition entre zones sèches et mouillées, l’équilibre du lac au repos et la non limitation de la pente. Le schéma de Chen et Noelle (2017) est finalement choisi. Ensuite, avec l’ajout d’une loi d’infiltration de type Green-Ampt (1911), le modèle sera évalué dans sa capacité à représenter les hydrogrammes en sortie, mais surtout les vitesses locales d’écoulement sur des bassins versants réels. Pour cela, on évalue la part d’erreur provenant de la résolution numérique et de la modélisation physique du frottement de l’eau sur le fond au travers de quatre cas expérimentaux de l’échelle du laboratoire à un bassin de 1 km².Un modèle d’érosion gravitaire, basé sur les critères de détachement et de dépôt de Takahashi (2009), est couplé au modèle d’hydraulique global par une équation d’évolution du fond. L’évolution du stock de sédiment dans le réseau hydraulique est modélisée à l’aide d’une équation d’advection représentant les sédiments en suspension dans l’écoulement. Les lois classiques de dépôts de d’érosion de Krone et Parthéniades sont utilisées pour la reprise dépôt des sédiments dans le réseau.Le modèle d’érosion est ensuite validé sur le bassin versant du Laval (86 ha), instrumenté et surveillé par l’ORE Draix-Bléone, sur plusieurs évènements très érosifs. Le modèle est enfin appliqué à deux bassins non instrumentés mais à enjeu pour EDF, pour une étude de dimensionnement d’ovoïdes dans la vallée de la Durance / In some small mountain catchments, extreme rainfall events can lead to strong sediment exports. This large volume of sediment can have an impact on the management of hydraulic structures downstream these basins. Today, to represent erosion processes on a watershed scale, distributed conceptual models are mainly used (CASC2D, SHETRAN, DWSM). These models are based on global erosion formulas and are validated for coarse mesh sizes (> 30 m). On the other hand, there are models capable of finely representing gravity erosion processes, by multiphase flows, mainly used on small-scale cases. This thesis work proposes the development of a physics-based model capable of representing both hydraulic transfers and watershed hydrology, gravity-driven erosion processes and sediment erosion/deposition in the hydraulic network. This will quantify sediment export at the outlet of a basin for extreme events, identify areas of high sediment production and sediment storage dynamics in the hydraulic network to facilitate watershed management. The first step is to evaluate the resolution of the Saint-Venant equations for run off with low water depths on steep slopes. To diagnose the different numerical schemes that can be found in the literature, a test case, with an analytical solution of the Saint-Venant equations, representing a straight channel on which a constant rain falls is used. This test case includes a dry zone upstream and allows the evaluation of the key properties that a scheme must include to represent runoff over a watershed, such as positive water depths, the transition between dry and wet zones, the balance of the lake at rest and the non-limitation of the slope. The Chen and Noelle (2017) scheme is finally chosen.Then, with the addition of a Green-Ampt infiltration law (1911), the model will be evaluated in its ability to represent output hydrographs, but especially local flow velocities over real watersheds. For this, we evaluate the part of error coming from the numerical resolution and the physical modeling of the friction of the water on the bottom through four experimental cases from the laboratory scale to a basin of 1 km².A gravity erosion model, based on Takahashi's (2009) detachment and deposition criteria, is coupled to the global hydraulic model by a bottom evolution equation. The evolution of the sediment stock in the hydraulic network is modeled using an advection equation representing suspended sediments in the flow. The classic laws of Krone and Parthenades erosion and deposition are used for the recovery sediment deposition in the network.The erosion model is then validated on the Laval watershed (86 ha), instrumented and monitored by the ORE Draix-Bléone, on several very erosive events. Finally, the model is applied to two basins that are not instrumented but are of interest to EDF, for an ovoid dimensioning study in the Durance valley. Translated with www.DeepL.com/Translator

Notre connaissance des mécanismes d’acquisition de la chimie des eaux continentales est limitée par la fréquence des prélèvements qui peuvent être réalisés sur le terrain. Échantillonner une rivière tous les 15 jours, c’est négliger une variabilité de sa composition qu’on commence à suspecter et qui renseigne sur des processus ou des variations de sources de courte période intégrés sur l’ensemble du bassin versant. L’automatisation des prélèvements et la mesure en temps réel est un défi important non seulement du point de vue de la compréhension des mécanismes contrôlant la chimie des eaux, de leur dynamique temporelle, des relations entre concentrations et débits, mais aussi du point de vue appliqué pour la détection des pollutions ponctuelles. Ce développement intéresse les professionnels de l’eau qui ne sont pas à ce jour contraint par la loi, mais qui pourraient le devenir. Dans le cadre du projet équipex CRITEX, un prototype de maison chimique appelé ”RiverLab”, véritable laboratoire d’analyses en temps réel sur le terrain a été développé et installé en novembre 2014 sur la bassin versant expérimental de l’Orgeval, un site étudié depuis 50 ans par les équipes de l’IRSTEA. Ce prototype est destiné à être déployé sur deux autres sites du réseau national des bassins versants (dispositif SOERE). Nous nous focalisons sur les deux principaux forçages naturels que subi un bassin versant à savoir les apports de précipitations et l’énergie solaire revisité sous l’angle de la haute fréquence / Our knowledge of the mechanisms of acquisition of inland water chemistry is limited by the frequency of sampling that can be carried out in the field. Sampling a river every 15 days means neglecting a variability in its composition that is beginning to be suspected and which informs processes or variations of short-term sources integrated over the entire catchment area. The automation of sampling and real-time measurement is an important challenge not only from the point of view of understanding the mechanisms controlling water chemistry, their temporal dynamics, the relations between concentrations and flows, but also from the point of view of applied for the detection of point pollution. This development is of interest to water professionals who are not yet legally constrained, but who could become so.As part of the CRITEX team project, a prototype of a chemical house called "RiverLab", a real laboratory for real-time field analysis, was developed and installed in November 2014 on the experimental watershed of Orgeval, a site studied for 50 years by the IRSTEA teams. This prototype is intended to be deployed on two other sites of the national watershed network (SOERE device). We focus on the two main natural forces that have undergone a watershed, namely precipitation inputs and solar energy revisited in terms of high frequency

S’il est bien connu que la végétation peut affecter l’érosion, le dépôt de sédiments et l’évolution à long terme du relief, la nature de cette interaction et la manière dont elle devrait être modélisée ne sont pas manifestes et peuvent dépendre du site d’étude. Comprendre les modes d’action de la végétation est indispensable pour interpréter les formes actuelles du paysage et reconstituer l’histoire de l’érosion d’une part, et pour prédire les dynamiques érosives et morphologiques de ces systèmes dans un contexte de changement climatique global d’autre part. L’objectif de la thèse est d’identifier la nature et l’amplitude de l’impact de la végétation sur l’érosion dans le cadre des terrains marneux de l’Observatoire de Draix-Bléone. Nous avons travaillé sur deux bassins de l’Observatoire de taille et de lithologie similaires mais possédant une couverture végétale contrastée : le Laval, principalement dénudé, et le Brusquet, entièrement reboisé à la fin du XIXème siècle dans le cadre de travaux de restauration entrepris sur les Alpes-de-Haute-Provence. Dans un premier temps, nous avons mené une analyse morphométrique afin d’investiguer les liens entre des indicateurs caractérisant la morphologie des bassins et la végétation. L’analyse met en évidence un lien prépondérant entre pente et végétation. Dans un second temps, afin de rendre compte de ce couplage fort entre la végétation, la topographie et l’érosion, nous avons construit un modèle d’évolution géomorphologique avec la librairie Landlab et introduit l’effet de la végétation dans ce modèle. Nous avons employé une procédure de calibration de type leave-one-out" et de validation croisée afin de calibrer et de tester simultanément l’efficacité des prédictions du modèle. Le modèle est forcé avec les séries chronologiques de crues observées sur les deux bassins versants. Les résultats des simulations indiquent que les processus de transport sur versants dépendent fortement de la couverture végétale, alors que les processus de transport dans le réseau de drainage ne semblent pas être affectés par la présence de végétation. En outre, le modèle permet d’apporter un éclairage nouveau et de conclure que, sur ce site d’étude, la végétation agit principalement sur l’érosion en réduisant l’érodabilité du sol, donc en augmentant sa cohésion, plutôt qu’en réduisant le ruissellement de surface. Enfin, le modèle ainsi que la méthodologie proposés dans ce travail de thèse, constituent un outil intéressant pour la quantification et l’évaluation des opérations de revégétalisation et de reboisement antérieures ainsi que orienter de futurs travaux de restauration. / While it is well-recognized that vegetation can affect erosion, sediment yield, and over longer time scales landform evolution, the nature of this interaction and how it should be modeled is not obvious and may depend on the study site. Understanding the modes of action of vegetation is crucial to interpret the current forms of the landscape and to reconstruct the history of erosion on one hand, and to predict the erosive and morphological dynamics of these systems in a global climate change context on the other hand. The aim of the thesis is to identify the nature and the magnitude of the vegetation impact on erosion in a context of marly catchments of the Draix-Bléone Observatory. We worked on two catchments of the Observatory with similar size and lithology but with a contrasting vegetation cover : Laval basin, mainly bare, and Brusquet basin, entirely reforested at the end of the 19th century as part of restoration work undertaken on the Alpes-de-Haute-Provence. Firstly, we carried out a morphometric analysis in order to investigate the links between indicators characterizing the basin morphology and vegetation. The analysis underlines a strong link between vegetation and slope. Secondly, so as to account for this strong coupling between vegetation, topography and erosion, we built a landscape evolution model with Landlab library and we introduced the effect of vegetation into this model. We used a leave-one-out" calibration and cross-validation procedure in order to calibrate and test simultaneously the predictive efficiency of the model. The model was forced with runoff timeseries observed on the two watersheds. Results from the simulations show that hillslope transport processes highly depend on vegetation cover, while transport processes in the fluvial network do not appear to be affected by the presence of vegetation. In addition, the model sheds a new light by demonstrating that, at this study site, vegetation acts on erosion mostly by reducing soil erodibility, thus increasing its cohesion, rather than by reducing surface runoff. Finally, the model and the methodology we propose in this thesis work, are a useful tool first, to quantify and evaluate the efficiency of previous revegetation/reforestation operations, and secondly, to provide guidances for future restoration work.

La pollution des eaux de surface par les pesticides est un problème sérieux notamment en France où la production d'eau potable est dépendante à 38 % de cette ressource. Cette pollution étant en grande partie liée à l'activité agricole, la mise en place de pratiques permettant de limiter les transferts de pesticides vers les eaux de surface représente une solution intéressante. Afin de connaître les processus en jeu et d'apprécier l'efficacité de tels projets, il est important de développer des méthodes spécifiques d'évaluation agri-environnementale. Si les méthodes d'évaluation parcellaires sont opérationnelles, celles à l'échelle du bassin versant ne sont pas encore bien adaptées aux besoins des acteurs de terrain. Ce travail a pour objectif de développer un indicateur de risque d'exposition des eaux de surface aux pertes de pesticides par ruissellement à l'échelle du bassin versant. Pour ce faire, nous avons développé deux indicateurs : un indicateur parcellaire évaluant l'impact des pratiques agricoles sur les pertes de pesticides par ruissellement en sortie de parcelle et un indicateur de connectivité estimant la contribution de chaque parcelle au ruissellement global du bassin versant. Le couplage de ces deux indicateurs permet d'obtenir un outil d'évaluation du risque des pratiques phytosanitaires spécifique d'un bassin versant et de comparer des scenarii climatiques et/ou agronomiques. Les méthodes de développement des deux indicateurs se distinguent des méthodes classiques par leur fondement sur un couplage indicateur / modèle. L'hypothèse méthodologique principale sur laquelle repose ce travail est qu'à partir des processus décrits par les modèles, il est possible d'explorer de manière systématique une gamme de situations très large et de créer une base de connaissances qui permet de développer nos indicateurs. Nous avons appliqué cette méthode à la fois à l'échelle parcellaire et au niveau du bassin versant.

Le bassin versant du lac de Mâle d'une superficie de 800 km² est situé en Mauritanie. Il est localisé dans la zone nord sahélienne et est sujet à une forte variabilité des précipitations annuelles de 150 à 350 mm.<br />L'idée générale de la thèse est de développer une nouvelle fonction de production reposant sur la topographie et sans aucune calibration. Nous supposons qu'il est possible de créer une fonction de production en prenant en compte la loi d'infiltratin déduite de mesures et par l'organisation de la microtopographie. Cette dernière présente un grand nombre de dépressions liées par micro-talwegs superficiels qui suivent la pente générale du bassin versant pour ensuite converger dans le réseau hydrographique.<br />L'objectif final est de simuler le volume d'eau ruisselé sur le bassin versant en fonction de chaque épisode pluvieux dans le but de gérer les réserves en eau stokées au niveau du barrage.

La pollution des eaux par les nutriments, pesticides et sédiments est un problème majeur dans les bassins versants agricoles. En Bretagne, l'intensification de l'agriculture, avec à la fois l'augmentation de la consommation d'intrants et la disparition des haies et des zones humides entre les parcelles et les cours d'eau, est considérée comme la principale cause de la dégradation de la qualité des eaux. Les travaux menés depuis les années 1970 sur le bocage montrent que localement, le rôle hydrologique et hydrochimique des haies est important.<br />Le premier objectif de cette thèse est d'aborder l'impact du bocage sur les flux d'eau et de nutriments à l'échelle du bassin versant, compatible avec la gestion de la ressource en eau. Le second objectif est d'articuler les connaissances sur les fonctions tampons des haies avec les connaissances sur l'organisation et l'évolution des paysages sous l'effet de dynamiques agricoles. Trois axes ont été développés : un axe conceptuel pour définir le rôle tampon des paysages, un axe empirique de comparaison du rôle tampon à l'exutoire de cinq bassins versants et un axe de modélisation. Ce<br />dernier comprend d'une part l'intégration des résultats locaux sur le fonctionnement hydrique des haies (évapotranspiration) dans un modèle hydrologique spatialisé et d'autre part une démarche de modélisation de paysages à partir de règles de fonctionnement (allocation des usages) et d'évolution des exploitations agricoles (agrandissement, changement de système de production), couplée à deux modèles de description de l'organisation fonctionnelle des réseaux de haies, l'un pour les transferts de surface, l'autre pour les transferts de subsurface.<br />Une analyse bibliographique critique du concept de rôle tampon et de sa mesure à des échelles spatiales larges a été réalisée. Elle a débouché sur une typologie des effets tampons des structures paysagères, basée sur la prise en compte du temps, et sur la définition d'un effet tampon des paysages intégrant l'effet des structures paysagères et du milieu physique. L'étude empirique montre un gradient de rôle tampon qui va dans le sens du gradient de densité de bocage entre les bassins. Elle fait ressortir la co-variation des types de géomorphologie, des types de système de production, des types de parcellaire, et des types de bocages, dans les paysages. La modélisation hydrologique montre spécifiquement le rôle hydrologique des haies à l'échelle annuelle, plus marqué les années sèches.<br />Dans la modélisation de paysages, le rôle de l'exploitation agricole dans l'organisation spatiale des usages et de leur évolution est pris en compte explicitement. Elle montre qu'une même évolution des exploitations se traduit par une évolution variable de l'effet tampon à l'échelle des bassins versants.<br />Le rôle tampon sur les transferts de subsurface apparaît plus stable et plus résilient que le rôle tampon sur les transferts de surface, très dépendant de la continuité du réseau de haies..

Dans les bassins versants reposant sur un socle géologique peu perméable et peu profond, les nappes superficielles de versant jouent un rôle prépondérant non seulement dans la genèse des débits mais également dans le transfert des solutés. Ces nappes, caractérisées par de fortes variations saisonnières des niveaux piézométriques, se développent dans un matériau aquifère constitué principalement de roche altérée et de matériaux non consolidés dont les propriétés hydrodynamiques restent peu étudiées. La connaissance du fonctionnement hydrologique et hydrochimique de ces systèmes, des processus qui déterminent les voies de transfert des solutés et leur temps de résidence dans le milieu, est essentielle en particulier dans un contexte où la recherche est de plus en plus sollicitée pour évaluer les effets de changements de pratiques agricoles sur les pollutions diffuses. Le travail présenté ici vise à comprendre les processus de transfert de solutés et de dénitrification dans les aquifères superficiels à partir de l'étude d'un aquifère d'un bassin versant élémentaire expérimental de l'ouest de la France, appartenant à l'ORE AgrHys. L'analyse repose sur les données acquises sur un dispositif instrumental original permettant un suivi spatial et temporel du niveau de la nappe et de sa composition chimique sur un versant. Les propriétés hydrodynamiques du matériau aquifère ont été étudiées au laboratoire et in situ, ce qui a permis de calibrer un modèle hydrologique à base physique et en 2D (développé avec le code Hydrus 2D) simulant de manière satisfaisante la dynamique saisonnière des niveaux piézométriques dans le versant. Les relations mises en évidence entre le cycle hydrologique et les variations intra-annuelles de la composition chimique, nous permettent de proposer un modèle conceptuel synthétisant les mécanismes mis en jeu dans le transfert d'un soluté conservatif dans la nappe. Une étude de la variabilité spatiale et temporelle de la composition isotopique de l'azote et de l'oxygène du nitrate n'a pas révélé la présence d'une dénitrification apparente dans l'aquifère. Enfin, un modèle de transport des solutés basé sur le modèle hydrologique calibré précédemment a permis de tester les hypothèses émises à partir des données expérimentales. La principale conclusion de ce travail est que les nappes superficielles de versant présentent une variabilité spatiale et temporelle importante, qui résulte de processus de mélange à partir de compartiments dont la contribution varie saisonnièrement. En période hivernale, la recharge rapide des nappes par des écoulements préférentiels joue un rôle important dans les variations de composition chimique de la partie supérieure de la nappe, ce que la plupart des modèles actuels ne permettent pas de prendre en compte.