La croissance des populations riveraines engendre un accroissement de la vulnérabilité de nos sociétés aux inondations donc une forte demande sociale pour prévenir et prévoir ces catastrophes naturelles. Pour atteindre cet objectif, la disposition d’outils de prévision des crues, opérationnels et fiables, est primordiale. Mais la prévision des crues demeure un exercice loin d’être évident. D’une part, parce que les exigences en matière de prévision (précision et délai d’anticipation) sont de plus en plus fortes et d’autre part, parce que les outils physiques de prévisions des crues sont limités par les connaissances relatives de l’hydro-système. Dans ce contexte, ce mémoire présente les travaux effectués pour réaliser des modèles de prévisions des crues pluie-débit, à base de réseaux de neurones artificiels (RNA), dans les bassins versants de l’Eure, de l’Iton et de l’Avre jusqu’à un horizon de prévision de 48h. D’abord, une analyse de la complexité géographique des bassins sera menée afin de déterminer les différents éléments influençant leurs régimes hydrologiques. Ensuite, une démarche méthodologique d’analyse statistique des données a permis une synthèse sur la nature hydrologique des bassins étudiés et d’apporter les éléments nécessaires à la définition des relations non-linéaires pluie-débit. Cet apport a permis la création d’un modèle pluie-débit non-linéaire de prévision des crues. Un modèle RNA capable d’effectuer des prévisions des crues jusqu’au 48h d’anticipation. Ce processus a été testé sur les trois bassins versants et les résultats des tests montrent une production de prévisions fiables ainsi qu’une capacité de généralisation à d’autres hydro-systèmes. / The growth of riparian populations generates an increase in vulnerability of our societies to flood. Therefore, a high social demand to prevent and predict these natural disasters must be tacking to protect the population against floods. To achieve this objective, the provision of flood forecasting tools, operational and reliable, is primordial. But the flood forecasting still an exercise far from being evident. Firstly, because the forecast requirements (precision and time anticipation) are becoming more and more higher. And secondly, because the physical flood forecasting tools is limited by the relative knowledge of floods hydro-systems. In this context, this thesis presents the work done to produce rainfall-runoff flood forecasting models based on artificial neural networks (ANN) in the Eure watershed (and two sub-basins) up to a 48 hours horizon forecasting. Firstly, an analysis of the geographical complexity of studied basins will be conducted in order to determine the different factors that influencing the hydrological Eure watershed regime. Then, a methodological process to data statistical analysis, has allowed a synthesis on the hydrological nature of the watersheds studied and brings the elements needed to the definition of the non-linear relations rainfall-runoff. This contribution has allowed the creation of a rainfall-runoff nonlinear model for flood forecasting. ANN model able to perform a reliable forecasting of flood up to a 48 hours horizon forecasting. This process has been tested on three watersheds and the test results show a reliable forecasts as well as an ability of generalization to other hydro-systems.

Thèse 3 cycle--Hydrogéologie--Nancy I, 1975. / Bibliogr. p. 99-102. Résumé en diverses langues.

Background : The sources and the epidemiology of Campylobacter jejuni (CJ) in environmental water are not well understood. We developed a spatial analysis methodology able to identify the main environmental factors predicting the presence and quantity of Campylobacter in river water. Methods : For two years, water samples were collected weekly and scanned for CJ and fecal coliforms at 32 sampling sites of Estrie hydrographic network, Québec. The quantity of CJ in water was estimated using the Most Probable Number method (MPN). The 32 sampling sites were linked to their catchment area; 10 of them were excluded from the analysis, because their hydrographic basin was not independent from the other sites. For each site, the following environmental variables were included: Water flow, slope, land-cover, land-use including type of farming, animal density, total precipitation in the 3 days prior to water sampling. A stepwise multivariate regression was realized across the different analysis windows to define the size of the area upstream from the sampling sites (from 1.5 to 24 km) which was the most closely associated with the mean quantity of CJ, and which environmental factors were associated with a higher mean quantity of CJ in water. Results : Preliminary results show that an area defined by a radius of 14 km upstream of the sample site was the most contributing zone for the bacteria (r2=0.38, p=0.002). Within this 14 km area, the only significant variable associated with a higher mean quantity of CJ was bovine density (p=0.002). When analyzing the data within a 120 m buffer zone across 14 km upstream of the sampling sites (r2=0.40, p=0.001), the only significant variable associated with a higher mean quantity of CJ was the percentage of agricultural surface (p=0.001). Conclusions : These results suggest a strong implication of bovine density in conjunction with crops and associated manure spreading on the quantity of CJ in environmental water.

Les ressources en eau sont très variables dans l'espace et dans le temps. Leur estimation à l'échelle des bassins versants requiert des modèles hydrologiques dont l'utilisation est contrainte par la complexité des bassins et une difficulté de mesure (caractéristiques du bassin et forçages météorologiques). Sur la plupart des bassins une chronique de débit est disponible à l'exutoire du bassin, on parle alors de bassin versant jaugé. Ces mesures peuvent être utilisées pour analyser le fonctionnement des bassins et optimiser les paramètres des modèles hydrologiques. En revanche, pour les bassins versants non jaugés, le fonctionnement du bassin doit être envisagé de manière différente et l'utilisation du modèle doit se faire via une régionalisation de ses paramètres.Le principe des études de régionalisation est d'utiliser les bassins versants jaugés pour développer des méthodes applicables aux bassins versants non jaugés. Ces études couvrent un grand nombre de domaines d'application: régionalisation des signatures hydrologiques (débit moyen interannuel, régime, courbe des débits classés...), des étiages, des crues, de l'hydrogramme... Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'estimation de l'hydrogramme sur des bassins versants non-jaugés, via la régionalisation des paramètres des modèles hydrologiques.De nombreuses méthodes ont été développées pour résoudre ce problème et reposent en majorité sur la connaissance des jeux de paramètres sur des bassins jaugés, donneurs de paramètres, qu'il faut alors transférer vers des bassins versants non-jaugés, receveurs de paramètres. Ces méthodes font donc deux hypothèses fortes: (i) les paramètres ont été correctement identifiés par le calage sur les bassins versants jaugés et (ii) nous sommes capables d'identifier des bassins versants jaugés et non-jaugés similaires entre lesquels le transfert de paramètres est possible. Cependant, ces hypothèses ne sont pas toujours vérifiées et, dans ce cadre, le calage régional apparaît comme une option prometteuse pour la régionalisation des modèles hydrologiques. En effet, le calage régional recherche des valeurs de paramètres communes à plusieurs bassins et permet (i) de mieux contraindre ces paramètres lors du calage et (ii) de réaliser conjointement le calage et le transfert de ces paramètres à des bassins versants non-jaugés. L'enjeu de cette thèse est d'évaluer le potentiel du calage régional pour régionaliser les paramètres du modèle hydrologique GR6J. Sur un large échantillon de bassins, nous avons en particulier étudié si le calage régional peut être une solution compétitive au regard des méthodes existantes.Dans un premier temps, nous nous sommes attachés à étudier le modèle en contexte jaugé. Nous avons mené une étude de la sensibilité du modèle à ses paramètres pour définir leur rôle fonctionnel et avons testé huit stratégies de paramétrisation.Nous nous sommes attachés à identifier le jeu de paramètres hydrologiquement optimal, c'est-à-dire un jeu de paramètres indépendant de la stratégie de calage et donc transférable à des bassins versants non jaugés. Dans un second temps, nous avons proposé une méthode innovante appelée “ calage groupé ”, basée sur le calage régional, pour relier les paramètres de GR6J à des caractéristiques mesurables du paysage. Cette méthode présente l'avantage de prendre en compte les compensations au sein du jeu de paramètre et de permettre une interprétation des valeurs de paramètres au regard des processus hydrologiques. / Water resources are variable in time and space. Hydrological models are required to assess these resources and have to cope with catchments complexity and measurement limits. Most of the catchments are gauged which means that streamflow measurements are available at the catchment outlet. In particular, streamflow measurements can be used to analyse the catchment hydrological behavior and calibrate model parameters. However for ungauged catchments, the hydrological behavior must be define by other ways and model parametrisation must be assessed through regionalization instead of calibration.Regionalization studies rely on gauged catchments to developp methodologies applicable to ungauged catchments. They cover a large range of applications from hydrological signatures predictions (mean streamflow, regime, flow duration curves ...) to low-flow or flood predictions. The present work aims at estimating streamflow hydrographs in ungauged catchments by regionalizing hydrological model parameters.Several methods have been developped to solve this problem and they mostly rely on the knowledge of parameter sets on gauged catchments to find the best way to transfer the parameters sets between catchments. Gauged catchments are then considered as donor catchments while ungauged catchments are receiver: the challenge of transfert-based methods being to assign the correct donnor to each receiver. However, these methods make two strong hypothesis: (i) parameters sets calibrated on gauged catchments are reliable and (ii) similar gauged and ungauged catchments can be accurately matched during the transfer. However, those hypothesis do not always seem to hold true. In this context, regional calibration appears as a promising way for hydrological model regionalization since regional calibration look for common parameter sets on several catchments. This way, parameters are known with less uncertainties on gauged catchment and parameters regionalization is joined with calibration. The challenge of this PhD thesis is to develop and apply a regionalization scheme, based on regional calibration, to the GR6J hydrological model. On a large dataset, we have studied if regional calibration is a competitive solution to regionalize hydrological models compared to existing methodologies (i.e. transfer-based methods).As a prelude to the regionalization study, we paid attention to analyse the model on gauged catchments. In particular, we analysed the model sensitivity to its parameters to define the functionnal role of each parameter. Eight model parametrisation schemes were tested to identify the hydrologically optimal parameter set, i.e. a parameter set that is only catchment-dependant and do not depend on calibration strategy. Secondly we present an inovative method called “group calibration”, based on regional calibration, to link model parameters and hydrological descriptors. This method is fit for taking into account compensations between model parameters, allows the hydrological interpretation of the obtained relationships and is competitive to existing methods. Last, we conceptualize the regionalization methods to better undestand how to best value regional informations and increase model performance in extrapolation. We show that all methods set a ceilling and that space for improvement do not lie in the correct matching of donnor and reciever catchments but in the identification of more easily transferable informations.

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En bordure de la vallée du Rhône,le massif urgonien des Gras ,est profondément entaillé par les gorges de l'Ardèche au niveau desquelles émergent de nombreux systèmes karstiques. Les caractéristiques lithologiques de l'aquifère urgonien et des formations adjacentes, la fracturation induite par la présence d'un accident majeur la faille de Saint-Remèze, définissent la répartition et la nature des émergences du massif. L'étude du comportement hydrogéologique des mégaaccidents N 50 et N 140, les opérations de traçages systématiques, aboutissent à une délimitation des bassins versants de l'Ardèche, du Rhône et de la Cèze. L'évaluation des volumes d'eau infiltrée, à partir des données hydroclimatiques , met en évidence l'importance des réserves renouvelables. Des jaugeages différentiels sur l'Ardèche confortent ces résultats en quantifiant les apports immergés durant une période d'étiage. Les modalités de circulation des eaux sont appréhendées grâce aux études hydrochimiques, hydrodynamiques et à des expériences de traçage. Le karst actif se révèle peu évolué et varie de zones de calcaires fissurés à des réseaux à collecteur développé, mais à faibles réserves. La vulnérabilité de cet aquifère qui tend à augmenter avec la pression touristique sur le plateau, est principalement marquée au niveau des pertes de ruisseaux. La collecte des données géomorphologiques prouve l'existence de plusieurs épisodes de karstification. Une phase de karstification profonde, localisée dans l'axe des gorges et en bordure de la vallée du Rhône , est mise en relation avec le creusement des gorges. Ces deux évènements sont liés à la régression fini~miocène. Une puissante zone noyée oocupe ces réseaux anciens dont le toit est recoupé par l'Ardèche et le karst actuel. De fortes potentialités aquifères inexploitées s' ajoutent aux réserves de surface.

La prévision des crues est un exercice hydrologique complexe : les incertitudes y sont nombreuses, aussi bien dans le processus de modélisation hydrologique, dans la détermination de l'état initial du bassin versant avant le lancement de la prévision, que dans l'évolution des conditions météorologiques futures. Dans le cas des bassins versants non jaugés, où les observations de débits sont lacunaires voire absentes, ces incertitudes sont encore plus importantes, et le besoin de les réduire devient incontournable. Cette thèse s'intéresse à des méthodes simples et robustes qui peuvent apporter de l'information pertinente pour quantifier les incertitudes de prévision dans les bassins versants non jaugés. Le but est d'étudier la meilleure stratégie pour chercher l'information dans les bassins jaugés "donneurs", et pour la transférer vers le site non jaugé. Nous étudions les besoins pour mettre en place un modèle de simulation pluie-débit et pour effectuer une mise à jour du modèle de prévision en temps réel. Ces deux composantes de la prévision sont ainsi découplées dans notre approche. Cette thèse s'appuie sur une large base de données constituée d'environ 1000 bassins versants français, dont un jeu clé de 211 bassins versants qui permet la validation des approches développées. Elle s'appuie également sur une archive d'environ 4,5 années de prévisions d'ensemble de pluies, utilisées en forçage à la modélisation hydrologique journalière. La démarche adoptée consiste à intégrer les scenarios de transfert de l'information régionale disponible et les scenarios de la prévision météorologique d'ensemble dans un système de prévision orienté vers les bassins versants non jaugés. L'approche de prévision d'ensemble est ainsi généralisée à ce cas particulier de la prévision hydrologique. A travers plusieurs scénarios de débits futurs, nous cherchons à quantifier les incertitudes de prévisions dans les sites cibles non jaugés. Pour évaluer les différents scénarios des prévisions hydrologiques émis, un cadre de diagnostic d'évaluation des principales qualités d'un système de prévision d'ensemble, comprenant plusieurs critères numériques et graphiques, a été mis en place. Dans cette thèse, une attention particulière est prêtée aux attributs "fiabilité" et "précision" des prévisions. Nous proposons ainsi un nouveau critère graphique, nommé diagramme de précision d'ensemble. Ce critère permet notamment de mettre en valeur la qualité des prévisions qui ne sont pas forcément fiables, mais qui sont précises. Les résultats obtenus ont mis en évidence que la fiabilité des prévisions peut être améliorée sur un bassin versant non jaugé par l'utilisation de plusieurs jeux de paramètres issus des bassins versants voisins. Si la variabilité apportée par le voisinage géographique influe sur la dispersion des membres, et augmente ainsi la fiabilité des prévisions, la prise en compte des caractéristiques physiques, principalement de la surface des bassins versants, est apparue comme une alternative intéressante, influençant positivement aussi l'attribut précision des prévisions sur le site cible. De plus, il a été montré que la précision des prévisions d'ensemble sur le site non jaugé est améliorée par l'intermédiaire du transfert des bassins versants jaugés vers le site cible des corrections faites lors de la mise à jour sur les bassins voisins (mise à jour caractérisée ici par l'assimilation de la dernière observation de débit dans le modèle hydrologique, avant l'instant de prévision). Les différentes mesures de performance ont montré que la meilleure option pour améliorer la précision des prévisions serait de considérer les corrections effectuées sur le bassin le plus proche à chaque pas de temps de prévision. Le krigeage a également donné des résultats satisfaisants, marqués en plus par l'influence positive sur l'attribut fiabilité des prévisions. / Flood forecasting is a complex hydrological task: there are numerous uncertainties in the hydrological modelling process, in the determination of the initial catchment conditions before launching the forecast, and in the evolution of future weather conditions. In ungauged catchments, where streamflow observations are incomplete or absent, these uncertainties are even greater, and the need to reduce them becomes essential.This thesis focuses on simple and robust methods that can provide relevant information to quantify the uncertainty in ungauged catchments. The aim is to study the best strategy to search for information in gauged "donors" basins and to transfer it to the ungauged site. We investigate what information is needed to set up a rainfall-runoff model and to perform forecast updating in real time. These two components of a flood forecasting system are thus decoupled in our approach.This thesis is based on a large database of about 1000 French catchments, which includes a key set of 211 catchments that are used to validate the developed approaches. It also relies on an archive of about 4.5 years of ensemble forecasts of rainfall, which are used for hydrological modelling on a daily time step. The methodology adopted here integrates the scenarios of regional transfer of information and the scenarios of weather forecasting together in a forecasting system for ungauged basins. The approach of ensemble forecasting is thus generalised to this particular case of hydrological forecasting. Using several scenarios of future flows, we seek to quantify the predictive uncertainty in ungauged sites.To evaluate the flow forecast scenarios of the hydrological ensemble prediction system, a diagnostic framework with several numerical and graphical criteria is developed. Special attention is paid to the attributes of "reliability" and "accuracy" of the forecasts. We propose a new graphic criterion, named "diagram of ensemble accuracy". This criterion allows to highlight the quality of forecasts that are not necessarily reliable, but are accurate.The results show that forecast reliability in ungauged sites can be improved by using several sets of parameters from neighbour catchments. If on the one hand the variability brought by the information from the geographical proximity influences the spread of the ensemble forecasts, and thus improves forecast reliability, on the other hand taking into account the physical characteristics of the catchments, especially the surface, emerged as an interesting alternative, as it positively influences also the accuracy of the forecasts at the ungauged site.It is also shown that the accuracy of ensemble forecasts at ungauged sites can be improved with the transfer of updating information from gauged neighbour catchments (forecasting updating is here characterized by the assimilation of the last discharge observation in the hydrological model before the time of forecast). The updating information transferred to the ungauged site is the correction applied to the routing reservoir of the hydrological model. Different measures of forecast performance showed that the best option to improve forecast accuracy is to consider the corrections made at the closest gauged site. Kriging also gave satisfactory results, with additionally a positive impact also on the reliability of the ensemble flow forecasts.

La contribution, dans le cycle supergène, du carbone organique fossile (COF), issu de l’érosion des roches sédimentaires, est aujourd’hui une inconnue majeure du cycle du carbone. Le présent travail, initié dans le cadre du GIS Draix "étude de l'érosion en montagne », s'est intéressé au devenir de la matière organique contenue dans les "terres noires" (marnes jurassiques) des bassins versants de Draix (Alpes de haute Provence, France). Ceci a nécessité : - la mise en évidence de la contribution de COF au sein des compartiments supergènes (sols, particules fluviatiles, altérites) à travers une approche pluri-analytique (investigations géochimiques, optiques, isotopiques). - l’estimation de la part de COF disparue lors de son transfert d’un compartiment à un autre obtenue grâce au développement d’une nouvelle méthode analytique (palynofacies quantitatif) et en couplant approches terrain et expérimentale. - l’estimation et la modélisation des flux de COF libérés par les altérations mécaniques et chimiques des terres noires à l’échelle des bassins étudiés. Les résultats obtenus permettent : - 1) de confirmer la résistance du COF, dont les pertes n’excèdent pas 30 % et ne concernent que la part libérée par l’altération chimique; - 2) de rappeler la pluralité du COF, dont les familles réagissent différemment face aux différents types d’altérations ; - 3) de hiérarchiser les facteurs contrôlant les flux de COF (couvert végétal, pentes, précipitations) ; - 4) de mettre en évidence l’importance du COF libéré, exprimé en t/ha/an, par les « terres noires » aux échelles locales et régionales. / Initiated within the framework of GIS Draix « mountains erosion study), this work relates to the debate on the fossil organic carbon (FOC) input in modern environments and its possible implications for the carbon cycle. It focuses on the fate of FOC released by of jurassic marls weathering occuring in Draix watersheds (Alpes de haute Provence, France). Such work needed to : - confirm FOC occurrence both in weathered rocks, soils and riverine particles (multi-analytical approach); - quantify FOC losses during pools transitions by using a new analytical method (quantitative palynofacies) and combining field and experimental investigations; - estimate and model FOC fluxes released both by chemical and mechanical weathering in the studied watersheds. Obtained results permit us to : - point out FOC resistance to weathering processes. FOC losses only occur during chemical one and do not exceed 30 %. - highlight fossil organic matter plurality composed with labile and refractory components ; - hierarchize fluxes controlling factors such as vegetal cover, slope,and precipitations ; - emphasize FOC fluxes importance, expressed in t/ha/y, released by jurassic marls weathering at local and regional scales.

Le modèle conceptuel pluie-débit journalier MEDOR a été développé pour le milieu méditerranéen. L'analyse de sensibilité des processus hydrologiques aux caractéristiques du milieu et du climat lui confère une conception spécifique. Ce modèle à quatre paramètres a été élaboré à partir des données de six bassins méditerranéens, français et libanais. Son calage au moyen du critère de Nash pose des problèmes d'equifinalité. Le balayage exhaustif de l'espace critère montre l'existence de relations entre paramètres de production d'une part et ceux de transfert d'autre part. Un critère à échéance variable détermine la relation d'equifinalité de production, à partir des seuls cumuls annuels de pluie et de débit et de la structure stochastique journalière de la pluie.<br />Couplé à un modèle stochastique adimensionnel de pluie, MEDOR génère une surface représentative des coefficients d'écoulement des bassins dans l'espace des paramètres. Cinq zones ont été définies sur le pourtour méditerranéen avec leurs surfaces de référence. MEDOR possède des propriétés d'agglomération spatiale et temporelle. Les paramètres du modèle pour un bassin formé de l'union de plusieurs sous bassins sont déterminés par des lois d'agglomération utilisant les paramètres de chacun d'eux. Un des paramètres de la fonction de production est lié à la profondeur utile du sol, ce qui permet de transformer le modèle global en un modèle semi-distribué. L'extension à un nombre plus important de bassins permettrai de préciser la signification des paramètres, et donc d'envisager une application à des bassins non jaugés.

Il existe actuellement un grand nombre de modèles hydrologiques conceptuels ou empiriques globaux permettant de simuler la transformation de la pluie en débit à l'échelle du bassin versant. Notre étude comparative a permis de tester 38 structures de modèles sur un large échantillon de 429 bassins versants situés en France, aux Etats-Unis, en Australie, en Côte d'Ivoire et au Brésil. Les structures ont toutes été évaluées dans le même cadre de test, avec les mêmes données d'entrée. Leurs paramètres ont été calés par une méthode d'optimisation locale qui a prouvé de bonnes capacités à identifier un optimum satisfaisant. Les performances en terme de qualité des simulations des débits observés ont été évaluées grâce à un ensemble de critères quantitatifs, dont certains correspondent à des formulations nouvelles. Les tests réalisés indiquent qu'un faible nombre de paramètres libres (3 à 5) est suffisant pour obtenir des résultats aussi satisfaisants que des structures avec un plus grand nombre de degrés de liberté, l'augmentation de leur nombre limitant la robustesse du modèle. Par ailleurs, la structure du modèle joue un rôle prépondérant sur la qualité des simulations. Certains outils mathématiques contenus dans différentes structures apparaissent complémentaires et leur association au sein d'un même modèle permet d'améliorer les simulations de débit. La structure du modèle simple GR3J a ainsi pu être modifiée pour obtenir une structure à quatre paramètres plus satisfaisante, avec notamment une meilleure simulation des étiages.