Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la notion de performance environnementale comme cadre analytique pour l’étude des impacts des activités agricoles sur l’environnement. Après avoir mis en évidence un manque de formalisation de cette notion dans la littérature, nous la définissons comme la distance entre l’état environnemental d’un écosystème à un moment donné et un état environnemental à atteindre pour cet écosystème, dit « de haute performance environnementale ». Dans cette étude, l’état environnemental est approché par trois critères liés à la ressource « eau » : les concentrations en nitrates et en matières en suspension, et les débits.Suite à la description de l’état initial, nous proposons une méthode d’optimisation de la performance environnementale des activités agricoles basée sur un couplage entre un modèle agro-hydrologique (SWAT) et un modèle d’optimisation multicritère (Weighted Goal Programming). La démarche d’optimisation considère la réaffectation spatialisée de systèmes de culture sur l’espace considéré comme facteur d’amélioration, les différents critères de l’optimisation étant examinés simultanément.La méthode est implémentée sur le bassin versant de la Boulouze (coteaux de Gascogne). Les résultats montrent une amélioration de la performance environnementale du système étudié. L’analyse de la nouvelle occupation des sols souligne qu’au-delà des évolutions quantitatives des surfaces allouées aux systèmes de culture, la spatialisation des changements d’un système vers un autre influe également sur la performance environnementale à l’échelle du bassin versant. Enfin, nous interrogeons l’applicabilité de cette méthode et mettons en évidence l’intérêt qu’elle présente comme outil à la fois de modélisation de scénarios et de communication. / We introduce in this thesis the notion of environmental performance as an analytical framework aimed at studying the impacts of agricultural activities on the environment. We outline first a need to formalize this notion and then define it as the distance between the “environmental” state of a system at a specific time and a state of “high environmental performance” to achieve. Focus is on water management at the watershed level with three criteria: nitrogen, sediments (water quality) and water flows (water quantity).Our aim is to optimize the environmental performance of agricultural activities at the watershed scale. First the initial status of the watershed is described, then a method is proposed. This method is based on a coupling between an agro-hydrological model, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), and the Weighted Goal Programming optimization method. Our purpose is the reallocation of farming systems within the watershed when considering the optimization criteria simultaneously.We implement this method on the Boulouze watershed (coteaux de Gascogne, in the southwestern part of France). Results outline an improvement of the environmental performance. The analysis of the new land-use plan emphasizes the fact that the changes of farming systems are not only due to evolutions of the surfaces where they are implemented, but that the environmental performance at watershed scale is also affected by their location.Finally we explore the applicability of the method used highlighting its attributes as a relevant tool for modeling scenarios and for communicating.

Ce mémoire a comme objectif de présenter une revue de la littérature et une analyse comparative des différents modèles existants pour le calcul de la capacité de support d’un plan d’eau aux apports en phosphore. Ce document a aussi pour but d’évaluer les différentes options pour l’utilisation de ce genre d’outil au Québec, ainsi que d’amorcer une réflexion sur les applications possibles de ce concept au niveau local, en lien avec l’aménagement du territoire des bassins versants. L’analyse comparative des modèles théoriques, combinée à la réflexion d’acteurs clés impliqués actuellement dans un processus qui consiste à tester leur utilisation dans les Laurentides au Québec, a permis de mettre en relief l’importance de calibrer les modèles régionalement. De plus, certains avantages semblent résider dans l’utilisation d’un modèle de nature empirique afin d’effectuer les prédictions sur les apports naturels et totaux en phosphore pour les lacs de cette région. Par contre, l’utilisation d’une approche de type « bilan de masse », s’avère tout de même indispensable afin de relativiser l’importance des différents apports anthropiques en phosphore du bassin versant. Dans l’avenir, l’utilisation de tels modèles permettra possiblement de justifier certaines mesures restrictives au développement des bassins versants, qui pourront s’insérer parmi les outils d’urbanisme actuels. Ce sont principalement les municipalités qui détiennent les pouvoirs nécessaires afin d’intégrer les prescriptions découlant de ce genre d’analyse à l’aménagement du territoire des bassins versants. Plusieurs outils d’urbanisme, tels que les plans d’aménagement d’ensemble (PAE) ou bien les règlements de zonage et de lotissement, semblent donner assez de latitude afin de permettre aux municipalités d’intervenir en ce sens. Toutefois, les modèles de capacité de support ne pourront pas être utilisés afin de calculer un nombre précis d’habitations qu’il est possible de construire dans le bassin versant d’un lac. / This study presents a literature review of current carrying capacity models developed in Ontario and Quebec (Canada) for the estimation of phosphorus (P) loading in lakes. Another objective is to evaluate their applications to land and watershed management practices in Quebec. A comparison of theoretical and empirical models, combined with the observations of keys stakeholders, confirms the importance of calibrating models regionally. The analysis further reveals that empirical models estimate more accurately P concentrations in lakes. However, the use of traditional mass balance approaches is still a necessity for the estimation of different P sources in the watershed. These models can support decision makers and land managers in Quebec in the application of more restrictive measures in lakes where the carrying capacity is currently exceeded. In Quebec, the use of the models and their implementation in the legislation will be a municipal responsibility. Many urbanism tools already allow this kind of intervention (zoning, « outils à caractère discrétionnaire »). But, model use alone will not be sufficient to justify a total interdiction of land development in a watershed or to impose a strict limit to house and cottage development.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'aménagement des versants méditerranéens en terrasses et en fossés avait pour but d'augmenter la surface agricole et de permettre une meilleure gestion de l'eau. La dégradation des terrasses et des drains peut conduire à une augmentation des risques d'inondation, d'érosion et de maintien des cultures. Pour améliorer la connaissance de l'impact réel sur la réponse hydrologique des versants, cette thèse suit différentes approches de modélisation. D'abord la réponse hydrologique d'un bassin versant méditerranéen (0.91 km2) avec des terrasses et des fossés aménagés est simulée à l'aide d'un modèle distribué, événementiel, à base physique, adapté aux bassins versants agricoles. La performance est très satisfaisante pour certains événements simulés, même si le modèle ne tient pas compte des terrasses. Afin de modéliser l'impact des terrasses agricoles et de l'écoulement artificiel, nous avons conçu un nouveau modèle distribué et parcimonieux qui utilise une distribution linéaire du temps de réponse, combiné avec l'hydrogramme unitaire instantané géomorphologique. Les simulations sur des versants et bassins virtuels avec un réseau non-optimal de drainage (non-OCN) montrent que (i) pour de longues interfaces entre une parcelle et un cours d'eau la réponse hydrologique est plus rapide et le débit de pointe plus élevé; (ii) la vitesse du ruissellement de surface a un plus grand impact sur le débit de pointe que la vitesse d'écoulement dans les fossés; et (iii) la densité de drainage accrue combinée avec la création de terrasses résulte en un débit de pointe plus élevé en aval et moins élevé en amont. / Terrace cultivation and artificial drainage were implemented on Mediterranean hillslopes for multiple reasons: agricultural terraces increase arable land surface and artificial drainage allows for better water management. Degradation of terraces and channels inevitably leads to an increase in flood risk, erosion and, eventually, crop damage. Little is known about their effect on hillslope hydrologic response, and therefore this thesis presents an integrated method where we compare different modelling approaches. We first simulated the hydrologic response of a Mediterranean catchment (0.91 km2) with terrace cultivation and artificial drainage using a physically-based, fully distributed storm flow model for agricultural catchments. Simulation performance is impressive for some storms, even though the model does not account for terraces. In order to model the effects of terrace cultivation and artificial drainage on hillslope hydrologic response explicitly, we subsequently developed a new distributed model with only geometric and flow velocity parameters, using a linear response time distribution combined with the hillslope geomorphologic instantaneous unit hydrograph. Simulations on virtual hillslopes and catchments with a non-optimal channel network suggest that (i) drainage is faster and attains higher peak flows for longer interface lengths between agricultural fields and drainage channels; (ii) overland flow velocity has greater influence on peak flow than channel flow velocity; and (iii) the combined effect of increased drainage density and introduction of terrace cultivation is enhanced peak flow at the outlet, and a reduction of peak flow from upstream terraces.

Cette thèse vise la continuité des questions d’échelle à travers la gouvernance de l’eau qui ne peut s’établir à un seul niveau mais doit au contraire envisager tous les niveaux à la fois. Cela constitue une difficulté méthodologique majeure que la gestion internationale ne parvient encore à résoudre. La subsidiarité en était un moyen avec l’inconvénient de séparer brutalement les niveaux d’échelle. Mais le bassin versant considéré comme un espace de projet délimité, dont la gestion ne vise pas seulement son administration mais la coordination de politiques, induit une gestion au-delà des découpages administratifs, avec un processus décisionnel continu et négocié entre acteurs aux pouvoirs de différents niveaux, aux intérêts et aux logiques divers, souvent contradictoires. S’il est partagé par nature, en faire un bien commun impose de franchir l’obstacle de « l’égoïsme » qui peut être attaché à la souveraineté de chaque État sur son territoire. La réalisation d’ouvrages majeurs se détache du principe de « chacun chez soi ». C’est justement ce principe souverainiste qui engendre des hydro-conflits transfrontaliers. Ainsi, s’interroger sur la signification concrète du concept de gouvernance par l’exemple des eaux partagées du fleuve Niger dans ses portions Bénin, Niger et Nigéria, c’est poser le principal problème qui permet de hiérarchiser les différentes pièces du calcul. À travers une démarche inclusive, il sera question d’établir un diagnostic de gouvernance du bassin versant du Niger, d’identifier les impacts d’une telle approche sur le développement des ressources en eau et d'appréhender les pratiques sociales des usagers de l'eau notamment ceux impliqués dans le développement de l’agriculture irriguée et ceux qui subissent les impacts environnementaux qu’engendrent les infrastructures hydrauliques d’envergure à l’instar de Kainji et de Jebba. / This thesis is the continuity of scale through the water governance that cannot be established at one level but must instead consider all levels at once. This was a major methodological difficulty that international management is still able to solve. Subsidiarity was a way with the disadvantage to brutally separate scale levels. But the watershed is considered as a project space delimited, whose management is not only the administration but the coordination of policies, induced a management beyond administrative cuts, with an ongoing decision-making process and negotiated between actors in the powers of different levels, interests and various, often contradictory logic. It is shared by nature, make a common good requires the hurdle of "selfishness" that can be attached to the sovereignty of each State over its territory. The realization of major works stands the principle of "everyone home." It is precisely this sovereigntist principle that generates cross-border hydro-conflits. So, wonder about the real meaning of the concept of governance by the example of the shared waters of the Niger River in Benin, Niger and Nigeria portions, this is the main problem that allows to prioritize the different parts of the calculation. Through an inclusive approach, it will issue a diagnosis of governance of the catchment area of Niger, to identify the impacts of such an approach on the development of water resources and to understand the social practices of users of water including those involved in the development of irrigated agriculture and those undergoing environmental impact generate the large-scale like Kainji and Jebba hydraulic infrastructure.

Les Contrats de rivière et les Schémas d’Aménagement et de Gestion des Eaux font partie des nouveaux instruments d’action publique misant sur un gain d’efficacité environnementale par leur territorialisation. La recherche pose l’hypothèse que cette efficacité dépend de la manière dont les acteurs qui mettent en œuvre ces dispositifs se saisissent de leurs dimensions territoriales. Elle propose la notion de ressort territorial pour désigner l’ensemble des ressources territorialisées et territorialisantes issues des processus dialectiques et diachroniques entre les constructions territoriales autour de l’eau et les projets pour sa gestion. La recherche explore les stratégies territoriales déployées dans l’élaboration et la mise en œuvre de ces dispositifs et analyse leurs implications en termes de modification des représentations et des pratiques des usagers de l’eau et in fine de l’état environnemental des ressources et des milieux aquatiques. La démonstration s’appuie sur le cas empirique de la vallée de la Drôme dans les quatre dernières décennies. Le corpus est constitué de comptes-rendus de réunions, de documents de projets et d’articles de presse ainsi que d’entretiens et de cartes mentales réalisés auprès des usagers et des gestionnaires de l’eau.Les résultats de la recherche portent sur les mécanismes et les conditions par lesquels la gestion territoriale de l’eau peut être gage d’efficacité environnementale. Des facteurs déterminants sont mis en évidence : (i) la mise en synergie des projets de développement territorial avec ceux de la gestion environnementale ; (ii) la mobilisation des dimensions identitaires des dispositifs de gestion des eaux et (iii) les intentions et les capacités d’action de certains gestionnaires. A cet égard, les structures intercommunales, et en leur sein, les binômes élus/agents de développement, constituent des acteurs moteurs de l’activation des ressorts territoriaux de la gestion de l’eau. / River contracts and Plans for Water Development and Management are some of the new public action instruments aiming to improve environmental efficacy through regionalisation. Research suggests the hypothesis that this efficacy depends on how actors implementing these systems apprehend their regional dimensions. It proposes the idea of territorial feedback to indicate all the regional and regionalising resources resulting from dialectic and diachronic processes between regional constructions concerning water and projects for its management.The research explores the regional strategies used in drawing up and implementing these systems and analyses their implications in terms of modification of representations and practices and water uses, and hence the environmental condition of resources and aquatic environments. The demonstration uses the empirical case of the Drome valley over the past four decades. The body of the work consists of minutes of meetings, project documents and press articles as well as interviews and mind maps produced with water users and managers.The results of the research concern the mechanisms and conditions through which regional water management can be an indicator of environmental efficacy. Determining factors are provided: (i) assurance of synergy between regional development projects with those of environmental management; (ii) the use of identification dimensions of water management systems and (iii) the intentions and ability to act of certain managers. In this respect, intercommunity structures, and within these, the association of elected representative/development agents, act as the driving force in activating territorial feedback relative to water management.

L'utilisation des terres (UT) vers des pratiques agricoles non durables amplifie la dégradation et l'érosion des sols, et la perte de leur diversité microbienne. Cependant, les impacts du changement d'UT sur la structure de la communauté microbienne dans les cours d'eau adjacent restent mal compris, en particulier dans les écosystèmes tropicaux. Grâce à des expériences contrôlées et à des études in situ, j'ai évalué comment différentes pratiques agricoles et d'UT, via des processus hydrologiques, affectent la quantité et la qualité de la matière organique dissoute dans le cours d'eau et la structure de la communauté microbienne associée. Les résultats de ce travail montrent l'importance de considérer à la fois l’UT passée et présente avec les processus hydrologiques lors de l'évaluation de la diversité microbienne et des capacités métaboliques des cours d’eau. Alors que les expériences dans des conditions contrôlées (micro- et mésocosmes) ont permis de distinguer l'importance relative des ruissèlements d’eau de surface sur la structure bactérienne du milieu aquatique, l'approche in situ a permis de donner une vision intégrée de ces processus à l'échelle du bassin. Cela a mis en évidence la nécessité d'utiliser des pratiques de gestion durable d'UT si nous souhaitons atténuer les impacts sur les systèmes aquatiques en aval / Land use (LU) change towards non-sustainable agricultural practices enhances soil degradation, erosion, and the loss of soil microbial diversity. However, the impacts of LU change on in-stream microbial community structure remain poorly understood, particularly in tropical ecosystems. Through controlled experiments and in situ investigations, I assessed how different LU and agricultural practices, via hydrological processes, affect the quantity and quality of stream dissolved organic matter and associated microbial community structure. The results of this work show the importance of considering both past and present LU along with hydrological processes when assessing stream microbial diversity and metabolic capacities. While the experiments in controlled conditions (micro- and mesocosms) allowed disentangling the relative importance of direct overland flow and soil community on stream bacterial structure, the in situ approach gave an integrated view of these processes at the basin scale. This emphasizes the need to use sustainable LU management practices if we wish to mitigate off-site impacts on downstream aquatic systems

Les concentrations élevées en pesticides dans les eaux de surface drainant des bassins versants agricoles sont devenues une préoccupation majeure en Europe depuis une cinquantaine d'années. Les pesticides sont transférés dans l'environnement par différentes voies (le ruissellement de surface et de sub-surface, le flux de nappe), soit en solution soit adsorbés aux particules de sol en suspension dans l'eau. Les eaux de ruissellement et de percolation entraînent avec elles des charges de contaminants dont les concentrations en solution peuvent s'avérer toxiques pour la faune et la flore aquatique et rendre l'eau impropre à la consommation humaine si le réseau de drainage est une source de captage pour l'alimentation en eau potable. Les crues constituent donc des événements hydrologiques de première importance dans la contamination des eaux continentales par les pesticides. Les objectifs de cette thèse ont été de (1) caractériser, à l'aide d'un modèle agro-hydrologique, la dynamique des transferts de pesticides à l'échelle du bassin versant dans une région agricole, notamment en période de crue ; (2) identifier les facteurs de contrôle du transfert de pesticides et (3) améliorer, le cas échéant, les équations formalisées dans le modèle. Deux approches ont été menées de front afin de répondre aux questions posées : l'analyse de données mesurées et modélisées sur le bassin versant agricole de la Save (sud-ouest de la France). Une étude de faisabilité réalisée en préliminaire a montré que le modèle Soil and Water Assessment Tool (SWAT - Arnold et al., 1998) était adapté à la modélisation du transfert de pesticides, dans les phases dissoute et particulaire, à l'échelle du bassin versant. L'hydrologie et les concentrations à l'exutoire des phases dissoute et particulaire (respectivement les nitrates et les matières en suspension) ont été calibrées. Les voies privilégiées de transfert des pesticides en fonction des conditions hydrologiques ont été identifiées. La modélisation a ensuite été mise en œuvre avec des itinéraires techniques plus détaillés en entrée du modèle et des mesures sub-journalières de pesticides en crue. Les différentes voies de transfert des pesticides dans les deux phases, ainsi que leurs facteurs de contrôle environnementaux, ont été étudiés. Deux facteurs de contrôle, respectivement dépendant des pratiques agricoles (la date d'application des pesticides, qui est un facteur anthropique) et intrinsèque aux molécules de pesticides (le coefficient Kd de partition entre phases dissoute et particulaire, qui est un facteur physico-chimique) ont été abordés plus en détail. Le rôle de la typologie du bassin versant sur les transferts est discuté. Des cartes de risque de contamination des eaux de surface par les pesticides sont présentées pour le bassin de la Save. Dans la perspective d'améliorer le formalisme des modèles de transfert des pesticides, une équation qui relie le coefficient Kd au coefficient de distribution octanol/eau Kow et à la concentration en matières en suspension a été proposée. / Rising pesticide levels in streams draining intensively managed agricultural land has become a widespread problem throughout Europe in recent decades. Pesticides are transferred into the environment through various pathways (surface and sub-surface runoff, groundwater return flow), either in solution or sorbed onto particles. Runoff and percolating water carry contaminants loads which concentrations in solution may be harmful to terrestrial and aquatic ecosystems rendering water unfit to human consumption if the draining network is a source for drinking water. Floods are hydrological events of major importance in continental waters contamination by pesticides. The objectives of this PhD thesis were (1) to characterise pesticides transfer dynamics at catchment scale in an agricultural area during floods; (2) to identify the factors controlling pesticides transfer and (3) to improve modelling by changing formalism with more suitable equations. Two approaches were set up: analysing both measured and simulated data sets, stemming from the River Save catchment (south-western France). A preliminary feasibility study showed that the Soil and Water Assessment Tool (SWAT - Arnold et al., 1998) was adapted for pesticides transfer modelling in both dissolved and sorbed phases, at catchment scale. Water discharge, dissolved and sorbed phases (respectively nitrate and suspended sediments) were calibrated. Pesticides transfer preferred pathways depending on hydrological conditions were identified. Modelling was then carried on more detailed management practices as input and on sub-daily pesticides concentration measurements during flood events. The various transfer pathways in both phases together with the environmental controlling factors were assessed. At last, two controlling factors, respectively depending on management practices (application date, an anthropogenic factor) and on an intrinsic pesticide molecule property (the partition coefficient Kd which is a physico-chemical factor) were studied. The role of catchment typology was discussed. Surface water contamination risk maps were drawn on Save catchment. In order to improve the formalism of pesticide transfer models, an equation was proposed that relates Kd to the octanol/water partition coefficient Kow and to suspended matter concentration.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'OPUR: "Observatoire des Polluants Urbains en Ile de France". Il s'appuie sur la mise en place d'un dispositif expérimental sur une série de six bassins versants de taille croissante et de d'occupation du sol comparable, allant du bassin du Marais (41 hectares) jusqu'au site de Clichy (2500 hectares) en suivant l'axe du collecteur de Clichy, à Paris. Ce dispositif a permis : - d'étudier la variabilité des flux et de la nature des polluants transférés par temps sec et par temps de pluie, dans les réseaux d'assainissement unitaires, en fonction des caractéristiques et de l'échelle spatiale des bassins versants. Le travail porte notamment sur : - Concentrations moyennes et flux des MES, MVS, DCO, DBO5, COT, NTK et des métaux lourds Cd, Cu, Pb et Zn. - Nature des polluants: répartition dissous-particulaire, teneurs en polluants et vitesses de chute des particules. - de comprendre le fonctionnement hydrologique et hydraulique du réseau d'assainissement des bassins versants OPUR et d'étudier les mécanismes de transfert dans les réseaux unitaires. - d'évaluer la contribution des trois sources "Eaux usées, Eaux de ruissellement et Stocks de dépôt dans le réseau" aux flux polluants de temps de pluie. Cette évaluation a été faite en utilisant une approche de bilan de masse entre l'entrée et la sortie de chaque bassin versant. Les résultats obtenus indiquent d'une part, une relative homogénéité des flux polluants, de leur nature et des processus dominants sur les six bassins versants étudiés. Ils montrent d'autre part une importante contribution de l'érosion des stocks constitués dans le réseau d'assainissement aux flux des matières en suspension, des matières organiques, du cuivre total, quelque soit la taille du bassin versant. Cette contribution varie, en moyenne, selon le site de mesure, entre 49 et 70% pour les MES, et entre 43 et 71% pour le cuivre total. Pour le cadmium, le plomb et le zinc, les eaux de ruissellement s'avèrent être la source principale.