En hydrologie, un grand nombre d’études ont porté sur l’amélioration de l’estimation des quantiles de crues (débit maximum ou tout autre caractéristique de période de retour donnée). Cette estimation repose généralement sur des séries de crues maximales annuelles mesurées ou de valeurs dépassant un seuil. Cependant, les séries de données locales s’avèrent souvent trop courtes pour fournir des estimations fiables des quantiles de périodes de retour intermédiaires (typiquement 50 à 1000 ans). Sans informations supplémentaires pour affiner la forme de la distribution statistique, les résultats de l’analyse fréquentielle conduite s’avèrent généralement très incertains. Pour cette raison, les hydrologues ont tenté de faire usage de sources d’information alternatives. Plusieurs approches développées consistent en une "extension temporelle" du jeu de données, basée sur l’intégration des données historiques et préhistoriques (Hosking et al. 1985b, Hosking and Wallis 1986a;b, Stedinger and Tasker 1986, Cohn and Stadinger 1987, Gary and Stedinger 1987, Sutcliffe 1987, Minghui and Stedinger 1989, Sheffer et al. 2003, Reis et al. 2005, Werritty et al. 2006, Ribatet et al. 2007b; 2009, Neppel et al. 2010, Payrastre et al. 2011). D’autres approches couramment utilisées pour enrichir les jeux de données disponibles pour l’inférence statistique correspondent à une "extension spatiale", et consistent en la fusion de données considérées comme statistiquement homogènes pour construire un large échantillon régional de données (Hosking and Wallis 1997, Charles and Stedinger 1999, Ouarda et al. 2001, Kjeldsen et al. 2002, Merz and Bloschl 2003, Seidou et al. 2006, Ribatet et al. 2007a, Norbiato et al. 2007, Wallis et al. 2007, Kjeldsen and Jones 2009). La plupart de ces approches sont basées sur l’hypothèse du "simple scaling" qui suppose que les distributions statistiques des débits de crues ont une forme identique au sein d’une région homogène, et diffèrent simplement par un facteur d’échelle spécifique à chaque site : "l’index de crue" Dalrymple (1960). Pour permettre cette hypothèse, les régions considérées sont constituées de bassins versants qui se ressemblent climatologiquement et qui ont des mécanismes de production de crues semblables. Ils sont susceptibles d’être géographiquement contigus. Les résultats sont bien valables à condition que les hypothèses sur lesquelles l’analyse régionale des crues se fonde soient vérifiées. Malgré l’extension des jeux de données permise par ces approches, les quantiles estimés peuvent cependant rester incertains, notamment pour les bassins versants relativement petits et exposés à des crues de grande variabilité inter-annuelle. Face à ce constat, Gaume et al. (2010) a proposé une méthode permettant d’incorporer au sein d’une analyse régionale des crues, en complément des séries hydrométriques, des informations relatives aux crues extrêmes observées sur des bassins non-jaugés. Ces crues extrêmes, parce qu’elles sont généralement les plus fortes connues sur une période assez longue, constituent l’équivalent d’une longue série d’enregistrements supplémentaires, qui est susceptible d’améliorer grandement la précision d’estimation des quantiles de crue. L’approche proposée pour incorporer ces données est toujours basée sur le principe de l’index de crue Dalrymple (1960). Toutefois, si une approche classique consiste à estimer l’index de crue par la moyenne de l’échantillon observé sur chaque site (Hosking and Wallis 1997), le calcul de cette moyenne n’est pas possible sur des sites non-jaugés. L’approche proposée par Gaume et al. (2010) consiste par conséquent à calibrer une relation d’index de crue, qui est une fonction des caractéristiques du bassin versant, sa surface en l’occurrence, et qui permet donc d’évaluer l’index de crue sur n’importe quel site non-jaugé. Le recours à cette relation d’index de crue représente une contrainte supplémentaire d’homogénéité de la région considérée, sensée respecter la relation théorique. Le complément de paramétrisation que représente cette relation (un paramètre supplémentaire), combinée à l’hypothèse d’homogénéité de la relation au sein de la région considérée, est susceptible de limiter les performances de cette approche, malgré le fait que des données supplémentaires correspondant aux crues extrêmes peuvent être mobilisées. Cette thèse a été l’occasion de tester et d’évaluer les performances de cette approche (nommée "approche proposée" par la suite), par comparaison à une approche d’analyse régionale plus conventionnelle, et ceci dans plusieurs contextes de disponibilité des données et d’hétérogénéité des régions considérées. Les travaux menés ont également permis d’intégrer des développements supplémentaires à l’approche initiale développée par Gaume et al. (2010).

L'étude des paramètres hydrodynamiques et de la charge piézométrique des aquifères ne suffit pas pour appréhender le fonctionnement hydrogéologique des grands bassins sédimentaires. Il est nécessaire de tenir compte de l'ensemble des couches et de leurs comportements hydrogéologiques sur le long terme. Ces systèmes sont en effet trop souvent analysés sur le court terme avec l'hypothèse que le régime hydrodynamique était stabilisé avant l'exploitation humaine. C'est donc sous une vision nouvelle que la compréhension de l'aquifère des Sables Infra-Molassiques, et plus globalement du système multicouche sud-aquitain, est abordée avec comme objectif son intégration dans un modèle hydrodynamique.<br />L'interprétation des données isotopiques et géochimiques a montré que seuls des transferts verticaux en complément ou non à un écoulement horizontal étaient à même d'expliquer les résultats des analyses et a permis d'exposer l'idée d'une phase de recharge importante à la fin du Pléistocène. La reconstitution du paléoclimat local a été entreprise afin de proposer un scénario des périodes potentielles de recharge du système aquifère sud-aquitain sur les 40000 dernières années. L'ensemble de ces résultats a révélé l'instabilité des conditions d'alimentation de ce multicouche et donc son état transitoire.<br />Une analyse majeure des caractéristiques géologiques, hydrogéologiques et géothermiques a été engagée et les données mises en cohérence afin de proposer un modèle couplé hydrodynamique et thermique 3D permettant d'étudier l'évolution récente mais également de longue durée. Comportant onze couches, l'extension du modèle est d'environ 32000 km². L'ajustement dans le modèle des données de température a été réalisé. Le calage en transitoire court d'exploitation avec les prélèvements et l'activité de deux stockages de gaz a été effectué. La simulation des variations eustatiques sur les derniers 100000 ans a montré la faible influence de celles-ci sur la nappe des Sables Infra-Molassiques. La simulation des variations de recharge liées aux fluctuations paléoclimatiques sur 40000 ans, objectif final de ce travail, a été exécutée et a permis d'établir trois principaux axes d'écoulement en cohérence avec les contraintes géochimiques. L'importance des transferts verticaux et horizontaux a pu être approchée à l'aide de bilans de flux. Enfin, la baisse piézométrique actuellement observée serait la conséquence des prélèvements de ces trente dernières années et, dans une moindre mesure, de la vidange naturelle du système amorcé il y a 150 ans, suite à une recharge importante au cours du Petit Âge Glaciaire.<br />Ce travail a mis en exergue l'existence d'échanges entre les différentes couches (aquifères et formations peu perméables), la recharge par drainance verticale importante dans certains secteurs ainsi que le régime transitoire sur plusieurs centaines voire milliers d'années avec un caractère continu. Au final, la compréhension de ce type de multicouche d'extension régionale nécessite de se détacher de la vision commune d'un fonctionnement qui n'aurait débuté qu'avec l'exploitation anthropique sur un système hydrodynamiquement stabilisé.

Dans le cadre du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine), la haute vallée de l'Ouémé (centre ouest du Bénin), d'une superficie de 10.000 km2, est instrumentée (pluie, débit) depuis 1997. Le sous-bassin de la Donga (586 km2) est le cadre d'observations intensives précisant les processus hydrologiques essentiels et quantifiant les termes du bilan.<br />La recherche entreprise vise (i) à déterminer le fonctionnement hydrologique du bassin de la Donga par confrontation des données de précipitation, d'écoulement de surface, de nappe et d'évapotranspiration potentielle, (ii) à caractériser les écoulements par traçage naturel géochimique (paramètres physiques, éléments majeurs et traces) et isotopique (isotopes stables de l'eau : d18O et d2H) afin de hiérarchiser les processus majeurs mis en jeu. Le croisement des informations hydrodynamiques et hydrogéochimiques permet de reconstituer un schéma cohérent du fonctionnement hydrologique sur le bassin. Le caractère temporaire des eaux de surface, l'asynchronisme entre le tarissement des rivières et la vidange des nappes ainsi que la très faible minéralisation des écoulements traduisent une origine superficielle des débits et une déconnexion apparente de la nappe libre du réseau hydrographique.<br />En accord avec les processus mis en évidence, une décomposition de l'hydrogramme en deux composantes (ruissellement rapide sur surface saturée et flux de subsurface) a été retenue pour 2003 et 2004, deux années à pluviométrie et écoulement contrastés.

Le transfert des contaminants dans la zone non-saturée des sols est gouverné par de nombreux mécanismes. Parfois, les études de terrain sont difficiles à mettre en œuvre, et il se pose la question de la transposabilité des résultats de laboratoire vers une situation de terrain.<br /> Le site de la centrale nucléaire de Brennilis (Finistère) a été choisi pour étudier le transfert du strontium, du cobalt et de traceurs inertes dans le sol. Plusieurs échelles d'observation ont été testées (tube à essai, réacteur agité à flux ouvert, colonne de sol tamisé, lysimètre de sol remanié ou non, mesures de terrain) afin de déterminer, à chaque échelle, les principaux facteurs d'influence du transfert des contaminants, puis de vérifier l'adéquation des différentes échelles d'observation entre elles et leur représentativité par rapport au terrain.<br /> Concernant les propriétés hydrodynamiques du sol, la porosité, la teneur en eau sur le terrain, la vitesse porale aux teneurs en eau du terrain, la conductivité hydraulique à saturation et le coefficient de dispersion de ce sol remblayé sont spatialement moins hétérogènes que dans les sols agricoles ou non-anthropisés. Les résultats obtenus en lysimètre et sur le terrain suggèrent que l'hydrodynamique de ce sol non-structuré peut être étudiée sur un prélèvement remanié si le volume de sol est grand par rapport aux rares cailloux de grande taille.<br /> Concernant les interactions chimiques sol-contaminants, les isothermes du cobalt et du strontium sont non-linéaires au-delà de 10-4 mol.L-1. L'adsorption et la désorption du cobalt sont rapides et indépendantes du pH. Au contraire, en deça de 3,5.10-6 mol.L-1, les isothermes du cobalt et du strontium sont linéaires, la désorption du cobalt est nettement plus lente que l'adsorption et le coefficient de partage ainsi que les cinétiques sont nettement dépendants du pH. Pour les deux éléments, les résultats obtenus en tube à essai, en réacteur agité à flux ouvert et en colonne de sol tamisé sont concordants. Par contre, l'adsorption du strontium en tube à essai à l'équilibre n'explique pas totalement les résultats du traçage sur le terrain.

Les protocoles hydrométriques en rivière ne répondent pas aux besoins des hydrologues et des hydrauliciens. L'appareillage traditionnel de jaugeage (moulinet, ADCP) est limité par son aspect intrusif, particulièrement en crue et en étiage. Cette thèse étudie la technique Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) qui consiste à identifier, par analyse d'images, un champ de vitesses en surface. L'ajout d'un modèle hydraulique permet le calcul du débit.<br /><br />Une station LSPIV de mesure en continu et temps réel a été mise en place sur la rivière Iowa à Iowa City (USA). Les premières années de fonctionnement ont montré des estimations LSPIV de débit en bonne concordance avec la courbe de tarage du site et avec des mesures classiques réalisées au moulinet. L'établissement d'une importante base de données a permis une étude de sensibilité de la technique. Les sources d'erreur affectant la mesure ont été identifiées et quantifiées. L'étude de sensibilité a été affinée grâce à un simulateur numérique de la mesure LSPIV en rivière, outils capitalisant notre connaissance de la mesure et permettant d'évaluer l'importance relative de différentes sources d'erreur pour une situation donnée. <br /><br />Une unité LSPIV motorisée (camionnette équipée d'un bras télescopique et d'une caméra) a été développée pour permettre l'application de la méthode en sites difficiles d'accès. Cette unité s'est montrée efficace, donnant des résultats d'excellentes qualités sur les différents sites testés. Des mesures LSPIV de champ de vitesse de surface ont été utilisées par ailleurs pour la validation de la modélisation hydraulique d'une zone d'écoulement complexe (la lône de Port-Galand sur l'Ain) et pour une étude de reconstitution de formes de fond de chenal en laboratoire.

Depuis une trentaine d'années, les eaux de ruissellement sont considérées comme une source importante de pollution des milieux naturels en raison de leur concentration élevée en micropolluants. Les dépôts atmosphériques, l'érosion des surfaces imperméables (toitures, chaussées, trottoirs et parkings) et le lessivage des dépôts générés principalement par le transport, les chauffages et les industries sont les principales sources identifiées. L'objectif du travail présenté dans ce mémoire est de caractériser et déterminer des sources de métaux traces, hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et pesticides transportés par les rejets de temps de pluie issus de deux bassins versants séparatifs situés à l'Est de Nantes (bassins du Pin Sec et des Gohards). Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet fédératif de recherche de l'Institut de Recherches en Sciences et Techniques de la Ville (IRSTV). L'étude détaillée des concentrations et des flux de substances polluantes dans les retombées atmosphériques et les eaux de ruissellement de toitures et de chaussées a été effectuée pour estimer l'apport des ces différents compartiments à la pollution transportée par les eaux pluviales s'écoulant aux exutoires des réseaux séparatifs. A partir de ce suivi, cette étude établit et dans certains cas confirme l'origine et les vecteurs principaux de transfert de polluants aux eaux pluviales générées en zones périurbaines peu denses et avec une densité de trafic faible à modérée. Les retombées atmosphériques s'avèrent une source de chrome et de cadmium, les toitures et leurs accessoires sont source de zinc et de plomb, les chaussées apportent cuivre, nickel et zinc. En termes de pollution organique, le trafic automobile semble être la principale source de HAP, tandis que les pratiques de désherbage de la municipalité et des particuliers continuent à être la cause principale de présence de pesticides dans les eaux pluviales.

L'Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire a sélectionné le massif de Tournemire (Aveyron) pour installer sa station expérimentale dans le cadre de ses recherches sur les capacités de confinement des milieux argileux pour le stockage de déchets radioactifs. Compte tenu des très faibles teneur en eau et perméabilité des couches argileuses des argilites, la migration dans ce milieu devrait être très faible. L'écoulement et le transport ont été étudiés en utilisant des traceurs naturels de la solution interstitielle.<br />Après le développement d'un nouveau protocole pour l'extraction du chlorure de l'eau porale et des tests sur la méthode de distillation sous vide de la roche pour la mesure du deutérium de l'eau porale, l'acquisition de données pour ces deux traceurs (étudiés pour leur comportement géochimique conservatif) a été effectuée sur la séquence géologique du massif et à proximité des fractures. Les profils de données obtenus suggèrent que le processus majeur de transferts dans le massif soit la diffusion moléculaire mais ils montrent un enrichissement en deutérium et oxygène-18 de la solution interstitielle, jusqu'à un mètre à proximité des fractures, comparé à l'eau porale dans la matrice au-delà de cette zone. Ces observations suggèrent qu'un second processus de transport puisse générer des transferts spécifiques à proximité des fractures.<br />L'hypothèse du processus de diffusion moléculaire à l'échelle du massif a été testée par un modèle de transport, sur une période de plusieurs dizaines de millions d'années, en prenant en compte les caractéristiques géodynamiques de la région (telles que la tectonique et la fracturation induite), et en proposant des scénarios de variations des concentrations de traceurs aux limites du système pour représenter les changements climatiques majeurs. Les transferts de traceurs dans le massif, principalement diffusifs, sont ou ont pu être affectés par un second processus engendrant l'hétérogénéité des concentrations à proximité des fractures. Ce processus implique soit une intrusion de solutions salées, soit des transferts internes au massif dus à des surpressions.

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.

Cette thèse s'inscrit dans le développement de la plateforme EauDyssée de modélisation intégrée des hydrosystèmes régionaux, au sein du bassin pilote de la Seine. L'objectif principal est de contribuer à une meilleure simulation des tirants d'eau à l'échelle régionale afin d'améliorer la simulation des interactions nappe-rivière et de mieux quantifier les niveaux piézométriques dans les aquifères. La première partie de la thèse vise à évaluer la sensibilité d'un modèle hydraulique à la précision de la description géomorphologique des lits pour identifier le meilleur compromis entre parcimonie et réalisme et identifier les facteurs morphologiques les plus importants pour obtenir une simulation satisfaisante des tirants d'eau à l'échelle régionale. Cette étude est menée sur le Serein (affluent de l'Yonne), entre les stations limnimétriques de Dissangis et Beaumont, dans un bief bien renseigné (20 sections transversales sur 89 kms). Débits et tirants d'eau sont simulés par le modèle hydraulique HEC-RAS (équations de Saint-Venant 1D), en fonction des apports latéraux simulés par le modèle régional EauDyssée. Les résultats de cette étude montrent qu'un modèle 1D type Saint-Venant n'est pas adapté à la simulation des écoulements à l'échelle régionale. Nous avons donc développé une méthode de changement d'échelle originale, dans laquelle la modélisation fine des processus hydrauliques à haute résolution permet d'améliorer la représentation des profils d'eau en rivière et les interactions nappe-rivière simulées à l'échelle régionale par le modèle intégré EauDyssée. Cette méthodologie de changement d'échelle a été validée dans un sous bassin versant de l'Oise d'une superficie de 4500 km2, pour la période 1990-1995. Nous avons utilisé HEC-RAS pour la modélisation hydraulique d'un tronçon de l'Oise de 188 km, où 420 sections transversales sont disponibles. Le modèle permet d'interpoler des courbes de tarage simulées tous les 200m en moyenne. Ces courbes de tarage sont ensuite projetées sur les mailles rivière du modèle régional EauDyssée (résolution de 1 km), où elles permettent de simuler la fluctuation du niveau d'eau en fonction du débit à l'échelle régionale par EauDyssée. La cote de la surface libre de la rivière définissant sa charge hydraulique, ces fluctuations influencent alors les échanges entre les mailles rivière et les nappes, qui dépendent des gradients de charge verticaux entre rivière et nappe (loi de Darcy). Ce travail montre l'intérêt de l'approche pour mieux évaluer les interactions nappes-rivières à l'échelle régionale avec un faible coût de calcul. Il offre des perspectives intéressantes pour simuler des processus jusque là négligés par le modèle EauDyssée : élimination de nitrate dans les zones humides qui sont souvent situées à la zone de contact entre les nappes souterraines et la rivière, ou l'impact du changement climatique sur le fonctionnement des hydrosystèmes et plus particulièrement sur l'élimination ou le relarguage de polluants par des processus biogéochimiques, ainsi que de mieux estimer les risques d'inondation à l'échelle régionale.

L'étude hydrogéologique du bassin versant de la Bourbre a été complétée par les nécessités de création de la ville nouvelle de l'Isle d'Abeau. La gestion et la protection des ressources en eau ont été particulieremnt étudiées.