La gestion efficace de l'eau dans les régions arides et semi-arides est un problème majeur, principalement dans les zones irriguées. La conception d'outils fournissant des estimations régionales des composantes du bilan hydrique peut aider à la gestion durable de la ressource en eau dans ces régions. La télédétection multi-capteurs a démontré un très fort potentiel pour le suivi des ressources hydriques agricoles à différentes échelles. Cette thèse vise à développer des techniques et des méthodes efficaces pour estimer les variables hydrologiques (évapotranspiration et les volumes d'irrigation) afin d'évaluer, dans l'espace (résolutions "métrique" et "kilométrique"), les besoins en eau des cultures du couvert végétal de la plaine de Kairouan (Tunisie centrale) ainsi que les volumes d'irrigation extraits de son aquifère surexploité. L'approche adoptée combine l'expérimentation, la modélisation et l'utilisation de données de télédétection multi-capteurs / multi-résolutions. Les deux types d'outils utilisés sont le modèle de bilan hydrique SAMIR et le modèle de bilan d'énergie SPARSE. Les variables estimées par SAMIR et SPARSE sont évaluées à l'aide des mesures terrain (mesures d'un scintillomètre XLAS) et des enquêtes de terrain (volumes d'irrigation observés). Les volumes d'irrigation saisonniers estimés par SAMIR sont acceptables, même si les résultats à des échelles de temps plus fines (mensuelles) doivent être améliorés. Ainsi, les paramètres de SAMIR, en particulier les paramètres non calibrés, sont revisités afin d'améliorer les performances de simulation de l'ET et des volumes d'irrigation. Les estimations des flux de chaleur sensible et latente par SPARSE sont en étroit accord avec celles obtenues à partir du XLAS. Cependant, l'extrapolation de l'évapotranspiration instantanée au pas de temps journalier est moins évidente. / In arid and semi-arid regions, efficient agricultural water management is a major issue, mainly in irrigated areas. The design of tools that provide an estimate of water balance components at the regional scale may help sustainable management of limited water resources in the water scarce regions. Remotely sensed Earth observation has become a major research field for agricultural water resources management. The main objective of this thesis is to develop and test efficient techniques and methods to estimate hydrological variables (Evapotranspiration (ET) and irrigation volumes) in order to assess, at "metric" and "kilometric" resolution , the crop water requirements and the extracted irrigation volumes in the Kairouan plain (central Tunisia). The adopted approach combines field experimentation, modeling and the use of multi-sensor / multi-resolution remote sensing data. Two modeling tools are used: the soil water balance model SAMIR and the energy balance model, SPARSE. SAMIR and SPARSE estimates are assessed using field measurements (Scintillometer XLAS measurements) and field surveys (observed irrigation volumes). The seasonal irrigation volumes estimated by the SAMIR model are acceptable, even though results at finer timescales (monthly and below) needed to be improved. Hence, the SAMIR model parameters, especially the uncalibrated ones are revisited in order to improve the results. SPARSE estimates of sensible and latent heat ?uxes are in close agreement with those obtained from the XLAS. However, the extrapolation from instantaneous to daily ET is less obvious.

Les toitures végétalisées ont des répercussions très positives sur la performance énergétique des bâtiments. L’objectif est d’évaluer l’incidence des toitures végétalisées sur la performance énergétique des bâtiments à travers des moyens numériques et expérimentaux. La modélisation du comportement thermo-hydrique des toitures végétalisées permet de quantifier ces effets et contribue à promouvoir cette technique.Cette thématique requiert en premier lieu des compétences en énergétique du bâtiment et de modélisation thermique dynamique, si l’on souhaite établir un modèle représentatif du comportement thermo-hydrique d’un composant de toiture végétalisée. Afin de développer ces différents aspects, un travail préliminaire qui consiste en une étude bibliographique approfondie portant sur les modèles proposés dans la littérature a été entrepris. Sur la base de cette étude bibliographique, un modèle couplé de transfert de chaleur et d’humidité a été développé. Ce modèle est basé sur l’établissement des équations de bilan énergétique sur la surface du feuillage et la surface du sol. Afin d’affiner le modèle développé et d’obtenir de meilleurs résultats numériques, diverses caractérisations expérimentales des matériaux qui entrent dans la composition de la toiture végétalisée ont été effectuées. Une plateforme expérimentale (Climabat, échelle 1/10) a été conçue sur le site de l’Université de La Rochelle dans le but de mesurer l’incidence des toitures végétalisées sur les bâtiments et fournir des données permettant de calibrer et de vérifier le modèle développé. Des comparaisons ont été entreprises entre toiture végétalisée et toiture classique, une différence de température de surface extérieure de 30°C a été notée pendant la période d’été. Les résultats des simulations montrent aussi que la végétalisation des toitures de bâtiment améliore non seulement les conditions de son confort thermique mais aussi sa performance énergétique. Des campagnes de mesures ont été également effectuées sur des bâtiments réels équipés avec des toitures végétalisées. La validation expérimentale du modèle développé a été ensuite entreprise à deux échelles, l’une à échelle réduite (maquette échelle 1:10) sur des bancs d’essais sur le site de l’Université de La Rochelle et une à échelle réelle, sur des pavillons BBC existants où différentes typologies de toitures végétalisées ont été instrumentées. Une fois le modèle développé et sa pertinence vérifiée par comparaison à des mesures expérimentales, il a été couplé à un code de simulation thermique dynamique des bâtiments (TRNSYS). Cela a permis de prédire la performance énergétique et le calcul des besoins de chauffage et de climatisation des bâtiments équipés d'une toiture végétalisée. Les résultats de simulations ont montré que la présence d'une toiture végétalisée permet une réduction des besoins des bâtiments et protège la membrane d’étanchéité de la toiture des températures extrêmes et des grandes fluctuations de température. De plus, il a été constaté que l'effet des toitures végétalisées sur la réduction de la température de l'air intérieur est plus important en été. Aussi, il a été constaté que les besoins de climatisation et de chauffage dépendent fortement du niveau d'isolation de la toiture. Enfin, les simulations réalisées pour différents climats ont montré que la toiture végétalisée est bénéfique pour le climat des pays européens. / Green roofs have a positive effect on the energy performance of buildings, providing a cooling effect in summer, along with a more efficient harnessing of the solar radiation, due to the reflective properties of the foliage. To assess these effects, a thermodynamic model was developed as well as the thermo-physical properties of the green roof components were characterized.The proposed model is based on energy balance equations expressed for foliage and soil media. The influence of the mass transfer on the thermal properties, and evapotranspiration were taken into account. Then, the water balance equation was added into the developed model and numerical simulations were performed. In order to evaluate the temperatures evolution at foliage and soil ground levels.Three of the main physical properties of green roofs were experimentally investigated to determine some of the green roofs’ modeling key parameters. First, the thermo-physical properties of green roofs were characterized by correlating the thermal conductivity of the substrate with the water content for different substrates and maximum water capacities. Next, the moisture storage was characterized using the dynamic vapor sorption technique. Third, themicro-structural properties of green roof substrate were characterized using mercury intrusion porosimetry. In addition to these characterizations, the evapotranspiration term, which is very important in the water balance, was measured.The model was experimentally validated according to a green roof platform (scale 1:10) constructed on the site of the University of La Rochelle. Measurements have also been conducted in a full scale building equipped with green roofs. Once the proposed model validated, it has been coupled to a building thermal code (TRNSYS) to evaluate the impact of green roofs on the energy performance of buildings.The results show that the effect of mass transfer in the subtract was very effective in reducing the model errors. Comparisons were undertaken with a roof slab concrete model; a significant difference in temperature (up to 30 °C) between the outer surfaces of the two roofs was noticed in summer. The heat flux through the roof was also evaluated. The roof passive cooling effect was three times more efficient with the green roof. In the winter, the green roof reduced roof heat losses during cold days; however, it increased these losses during sunny days. With a green roof, the summer indoor air temperature was decreased by 2 °C, and the annual energy demand was reduced by 6% for an oceanic climate such as that of La Rochelle. Finally, the simulations performed for different climates suggest that green roofs are thermally beneficial for hot, temperate, and cold European climates.

Estudos atuais sobre uso de efluente na agricultura buscam sustentabilidade dos sistemas agrícolas irrigados. O presente trabalho teve como objetivo caracterizar a hidroquímica de um Latossolo cultivado e irrigado com efluente de esgotos domésticos, no município de Lins (SP). Foram cultivados 2 ciclos de milho e 2 ciclos de girassol. O monitoramento consistiu nas análises químicas de Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, NO3-, NH¬4+ e carbono orgânico dissolvido, na solução do solo (16 amostragens) e no solo (3 amostragens), além da caracterização da hidrodinâmica no solo, entre 0 e 200 cm de profundidade. Apesar de ter observado intensa nitrificação do NH4+ nos primeiros centímetros do solo irrigado com efluente, os valores de nitrato não foram superiores do que no caso de uma adubação nitrogenada mineral. A irrigação tanto com efluente como com água sódica potável promoveu rápida percolação da água até 0,75-1,00 m, acompanhada de um aumento das concentrações iônicas e de uma sodificação nesta profundidade. Consequentemente, ocorreu decréscimo da condutividade hidráulica K(θ) e aumento da retenção de água h(θ), resultando num decréscimo dos fluxos de água do solo. Demonstrou-se a importância do estabelecimento das curvas K(θ) e h(θ) do solo irrigado para obter balanço hídrico e químicos corretos, principalmente no caso do Na+, Mg2+ e matéria orgânica. / Les études actuelles portant sur l’utilisation agricole des effluents s’intéressent à la durabilité de sistèmes agricoles irrigués. L’objectif de ce travail fut de caractériser l’hydrochimie d’un Latossolo cultivé e irrigué avec de l’effluent issu des eaux usées de la municipalité de Lins (SP). Deux cycles de maïs et deux cycles de tournesol furent cultivés, durant lesquels furent analysées les teneurs de Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, NO3-, NH¬4+ et de carbone organique dissous, dans la solution du sol (16 échantillonages) et dans le sol (3 échantillonages), de 0 à 200 cm; une détermination parallèle de hydrodynamique du sol fut également realisée. Malgré l’intense nitrification du NH4+ dans les premiers centimètres du sol, les valeurs de nitrate n’ont pas dépassé les valeurs obtenues dans le cas d’une fertilization azotée. L’irrigation utilisant aussi bien de l’effluent que de l’eau sodique potable a suscité une percolation rapide de l’eau jusqu’à 0,75-1,00 m, accompagnée de l’augmentation des concentrations ioniques et d’une sodification à cette profondeur. Par conséquent, une diminution de la conductivité hydraulique K(θ) et une augmentation de la rétention de l’eau h(θ) furent observées, résultant en une diminution des flux d’eau dans le sol. L’importance de la determination des courbes K(θ) e h(θ) dans le sol irrigué fut démontrée afin d’obtenir des bilans hydriques et chimiques corrects, principalement dans le cas du Na+, du Mg+ et de la matière organique.

La fertilisation et les amendements sont des pratiques courantes en agronomie dont l’intérêt a été prospecté dans le domaine forestier. Des dispositifs expérimentaux de fertilisation ont été mis en place et étudiés par le passé. Le but de ces dispositifs était de déterminer si l’apport d’éléments nutritifs dans des milieux forestiers initialement pauvres ou acides pouvait augmenter la croissance voire restaurer l’état des cimes des arbres en situation de dépérissement. Par ailleurs, des études physiologiques ont montré l’implication de l’eau dans l’absorption des éléments nutritifs du sol et leur transport par la sève brute mais aussi via des effets combinés dans divers processus tels que la croissance cellulaire ou la régulation stomatique. Récemment, des épisodes de sécheresse extrême, responsables de vagues de dépérissement sur de nombreuses essences forestières, ont suscité l’inquiétude des gestionnaires. De plus, les modèles climatiques prédisent une augmentation de fréquence et d’intensité de l’aléa sécheresse dans un futur proche et la gestion forestière doit être adaptée pour y faire face. Dans ce contexte et grâce aux connaissances déjà acquises sur les interactions entre nutrition minérale et hydrique, nous cherchons à savoir si l’apport d’éléments nutritionnels pourrait atténuer les effets négatifs des déficits hydriques en agissant à la fois sur les capacités à supporter les sécheresses et à retrouver des niveaux de croissance optimale après l’aléa, c’est-à-dire améliorer la résilience des arbres. A l’inverse, la vulnérabilité des arbres aux déficits hydriques se trouverait-elle augmentée ? Pour répondre à cette problématique, nous avons exploité des dispositifs expérimentaux de fertilisation situés dans trois forêts en France sur deux essences forestières, le chêne sessile et le sapin de Douglas. Sur chacun de ces sites, des arbres sélectionnés ont été carottés à cœur afin de tracer les variations annuelles de croissance radiale à partir de mesures des largeurs de cernes. Ces courbes de croissance ont servi de base au calcul des indices de résistance, récupération et résilience de la croissance à des déficits hydriques du sol, calculés quant à eux à l'aide du modèle de bilan hydrique BILJOU©. Sur le site de Bercé, l’efficience d’utilisation de l’eau a de plus été appréhendée à partir du δ13C contenu dans le bois final des cernes. La croissance radiale des chênes de Bercé et de Tronçais a significativement été augmentée par la fertilisation et les variations interannuelles de croissance ont été modélisées par le climat et le déficit hydrique du sol. La croissance du sapin de Douglas quant à elle n’a que très peu été augmentée par l’apport en nutriments en forêt des Potées. Par ailleurs, cette analyse montre que la stimulation de croissance par la fertilisation est transitoire : moins de 10 ans après l’apport d’éléments nutritifs à Bercé et 20 ans à Tronçais, plus aucun effet sur la croissance ne subsiste. Malgré cet effet positif transitoire sur les croissances radiales du chêne, aucune différence entre les traitements sur les capacités des arbres à résister et récupérer après des épisodes de sécheresse. Les résistance et récupération de la croissance sont dépendantes de l’intensité et de la durée du déficit hydrique, donc de la sévérité de l’aléa et non de l’apport de nutriments. Ces résultats corroborent les analyses du δ13C dans les cernes des chênes qui, là encore, ne sont significativement corrélées qu’avec le climat et sont indépendantes du traitement. L’absence de modification de la résilience entre les traitements, quel que soit le site et l’essence étudiés, est discutée. Plus largement, ces travaux interrogent le concept de résilience et son utilisation en dendroécologie / Fertilization and liming are usual practices in agronomy but uncommon in forestry. Experimental liming or fertilization in forest were tested in the 1970’s. The initial aim of these experimentations was to determine if the addition of nutrients on poor or acidic forest soil could increase tree growth or even restore crown condition in case of decline. Physiological studies have established the implication of water availability in soil nutrients uptake and their transport in the sap and also via combined effects in various processes such as cell growth or stomatal control. Recently, extreme drought events responsible of many forest species diebacks have aroused the concern of forest managers. In addition, climate models predict an increase in the frequency and intensity of drought hazards in the future and forest management must be adapted to face them. In this context, and thanks to the current knowledge on the interactions between mineral and water alimentation, we investigate whether nutrient supply could mitigate the negative effects of water deficits by increasing the capacity 1/ to withstand droughts and 2/ to recover optimum growth after the drought induced crisis, i.e. to improve the resilience of trees. Conversely, would the vulnerability of trees to water deficits be increased? To answer this question, we investigated fertilization experiments located in three forests in France and applied on two species, sessile oak and Douglas fir. On each of these sites, selected trees were cored to the pith to determine the annual variations of radial growth from measurements of the tree-rings widths. These growth variations were used as a basis to the calculation of resistance, recovery and resilience indices to drought events, which were quantified using a soil water deficit index computed by the water balance model BILJOU©. On the site of Bercé, the water-use efficiency was estimated from the δ13C of the latewood. Retrospective analyses shown that the radial growth of oak trees in Bercé and Tronçais was significantly increased after the fertilization. Radial growth was then modelled from climate and soil water deficit. Douglas fir radial growth was slightly impacted by the nutrient supply in the Potées site. This analysis highlights the time-limited effect of this nutrient supply on the growth stimulation: no effect subsists more than 10 years after nutrient supply in Bercé and more than 20 years in Tronçais. Despite this transient effect on oak growth, no differences between treatments on the capacity of trees to resist and to recover after drought events was observed. The main factors influencing resistance and recovery of growth were the soil water deficit intensity and duration. These results corroborate δ13C analyzes in oak rings, which, again, were only significantly correlated with climate and were independent of treatment. The lack of modification of the resilience between the treatments, whatever the site and the species studied, is discussed. More broadly, the concept of resilience and its use in dendroecology are questioned

Durant l’épisode de canicule-sécheresse de 2003, les peuplements de douglas et de hêtres en Bourgogne ont été lourdement affectés, présentant des symptômes de dépérissement et de surmortalité. Cet épisode semble être la première occurrence d’aléas climatiques attendus dans un futur proche et remet en question leur pérennité en Bourgogne puisque leur vulnérabilité au climat est attribuable à l'amplitude et au cumul des contraintes hydriques exercées durant leur cycle de végétation. Dans le contexte du changement climatique et en réponses aux demandes des gestionnaires forestiers qui s’appuient partiellement sur une cartographie de l’évolution des contraintes climatiques jusqu’à la fin de ce siècle, ce travail explore la capacité d’une chaîne de modélisation hydroclimatique haute résolution couplant le modèle de climat régional WRF alimenté par les réanalyses ERA-Interim au modèle de bilan hydrique Biljou© ˆ simuler des indices de déficit hydrique pour ces deux essences. La première partie de ce travail propose une analyse de la capacité du modèle WRF à simuler chacune des variables atmosphériques de surface qui sont utilisées en entrée du modèle du bilan hydrique. L’analyse de la capacité du modèle à simuler ces variables repose (i) sur une approche comparative directe entre les données simulées par WRF et les observations enregistrées par le réseau de stations Météo-France et les réanalyses SAFRAN à l’échelle de la région, de la station, et du peuplement forestier, (ii) sur une approche indirecte utilisant l’évapotranspiration potentielle (ETP) et la relation entre les indices de croissance radiale et les indices de déficit hydrique calculés par le modèle d’impact pour les deux essences. Les résultats montrent une amélioration significative des données ERA-Interim par le modèle WRF pour chacune des variables ainsi qu’une capacité certaine à les spatialiser à haute résolution. Toutefois, la bonne reproduction de l’ETP par WRF, combinée à la faible corrélation entre la moyenne annuelle des indices de déficit hydrique estimés avec les données WRF et la moyenne annuelle des indices de croissance radiale montrent que les difficultés de WRF à simuler le déficit hydrique sont principalement imputables à ses biais de précipitations. La seconde partie propose l’application d’une post-correction statistique aux données de précipitations WRF. Bien que cette méthode améliore significativement la distribution spatiale des précipitations, leurs variabilités saisonnière et interannuelle et surtout les cumuls précipités, les données post-corrigées ne permettent pas de reproduire un indice de déficit hydrique suffisamment proche de celui estimé à partir des observations ou des analyses SAFRAN. Deux nouvelles simulations résolvant explicitement les processus convectifs et utilisant un guidage spectral ont permis de montrer à partir de deux années types que cette déficience est imputable à l’incapacité de la méthode de correction à résoudre les différences de timing de la variabilité climatique transitoire simulée par WRF. Deux types d’erreurs de modélisation climatique, survenant indépendamment, sont donc d'une importance primordiale pour les études d'impact: (i) la chronologie des événements pluvieux ; (ii) la distribution statistique des précipitations quotidiennes. La combinaison de ces deux éléments contrôle le nombre de jours franchissant le seuil de 40% de réserve relative en eau du sol et indirectement l’intensité des indices de déficit hydrique. / During the 2003 drought and heat wave event, douglas-fir and common beech stands in Burgundy have been heavily affected, and presented symptoms of dieback and mortality. This event seems to be the first occurrence of expected climatic changes in the near future and questions their sustainability in Burgundy since their climate vulnerability is mainly due to the amplitude and accumulated water constraints exercised during their growing cycle. In the context of climate change and in order to provide information to forest managers who partly rely on a mapping of the climatic constraints until the end of this century, this work explores the ability of a high resolution hydroclimatic modelling chain, coupling the regional climate model WRF to the daily lumped water balance model Biljou© in order to simulate soil water deficit indices for these two species. The first part of this paper analyzes the capacity of WRF model to simulate each surface atmospheric variable used as input for the water balance computation. The analysis of model's ability to simulate these variables is based on (i) a direct and comparative approach between WRF simulated data and observations recorded by the Météo-France stations network and SAFRAN reanalyses across the whole region, over stations and forest stands, (ii) on an indirect approach using the potential evapotranspiration and soil water deficit index calculated by Biljou©. Results show a significant improvement upon the ERA-Interim data for each variable and a strong ability to produce reliable data at high resolution. However, the WRF capability to estimate a realist potential evapotranspiration, combined to the the low correlation between the average annual soil water deficit and radial growth indexes, show that the WRF deficiencies in simulating water deficit are mainly attributable to its precipitation biases. The second part proposes to apply a statistical post-correction to the WRF precipitation data. Although this method significantly improves the spatial distribution of precipitation, their seasonal and interannual variability and precipitation amounts, post-corrected data do not produce a water deficit index sufficiently close to those ones estimated from observations or SAFRAN reanalysis. Two new simulations explicitly solving convective processes and using a spectral nudging have shown that this deficiency is mainly attributable to the inability of the correction method to solve timing differences of the transient climate variability simulated by WRF. This work showed that two types of climate modeling errors occurring independently, are major issues for impact studies: (i) the timing of precipitations events ; (ii) the statistical distribution of daily precipitation. Combined together, they control the number of days crossing the 40% threshold of relative extractable water and indirectly the soil water deficit index intensity.

Dans un contexte de changement global, prédire l’évolution de la productivité de la végétation dans le sud-ouest (SO) Sibérien reste un défi du fait d’incertitudes fortes sur les processus régulant la disponibilité en eau et en nutriments. Nous avons mis en évidence des relations entre cycles biogéochimiques, climat et propriétés du sol sur six sites contrastés.La croissance radiale des tiges de peuplier est principalement sensible au bilan hydrique du sol en forêt de steppe, au sud du SO Sibérien, alors qu’elle est stimulée par de hautes températures estivales en sub-taïga, dans le nord de la région.Des mesures de terrain et des simulations du bilan hydrique du sol ont montré que la fonte des neiges est importante pour la recharge des réserves hydriques du sol au sud. Au nord, ces réserves sont souvent rechargées en automne. La fonte des neiges est alors associée à du drainage. De plus, au nord, une épaisse couverture de neige protège le sol du gel en hiver. La distribution des racines fines est plus profonde en forêt de steppe qu’en sub-taïga, impactée par le déficit hydrique et le gel.L’homogénéité du statut en phosphore (P) des sols dans le SO Sibérien montre qu’il n’est pas encore très impacté par la pédogénèse. Les stocks en P élevés, notammen tles formes disponibles pour les plantes, suggèrent que le P n’est pas et ne sera pas limitant dans le futur.La décomposition des litières aériennes et la libération de l’azote (N) sont plus rapides en sub-taïga qu’en forêt de steppe. Un fort drainage pourrait expliquer un transfert profond du N dans les sols en sub-taïga. Cependant ces sols semblent efficaces pour retenir le N, limitant les pertes pour le système sol–plante. / Predicting the evolution of vegetation productivity in SW Siberia in the contextof global change remains a challenge because of major uncertainties concerningthe biogeochemical cycling and the plant-availability of water and nutrients. Weprovided insights on their relation to climate and soil properties, investigating sixcontrasting sites.Aspen stem radial growth is mainly sensitive to soil water budget in the foreststeppezone established in the south of SW Siberia while it is enhanced by highsummer temperatures in the sub-taiga, in the north of the region.Field measurements and water budget simulations revealed that snow-melt isimportant re-filling soil water reserves in the south. In the north, these reservesare mostly re-filled in autumn and snow-melt is associated with drainage. A thicksnow-pack also prevents soil from freezing in winter in the sub-taiga. Water deficitand soil freezing largely impact the distribution of fine roots within the soil profilewhich is deeper in forest-steppe than in sub-taiga.The homogeneous soil phosphorus (P) status in the region investigated revealedthis nutrient has not been yet very impacted by contrasting soil processes. High Pstocks, and in particular plant-available forms, suggest P is unlikely to be limitingunder current and future conditions.By contrast, we found differences in nitrogen (N) status. Above-ground litterdecay and the release of N occurs faster in sub-taiga than in forest-steppe. Higherdrainage may explain deeper N transfer in sub-taiga soils. However, sub-taiga soilsalso seem to be efficient in retaining N, limiting losses from the soil–plant system.