D’un point de vue climatique la région méditerranéenne est propice aux évènements pluvio-orageux intenses, particulièrement en automne. Ces pluies s’abattent sur des bassins versants escarpés. La promptitude des crues ne laisse qu’un temps très court pour la prévision. L’amplitude de ces crues dépend de la grande variabilité des pluies et des caractéristiques des bassins versants. Les réseaux d'observations ne sont habituellement pas adaptés à ces petites échelles spatiales et l'intensité des événements affecte souvent la fiabilité des données quand elles existent d’où l’existence de bassin non jaugés. La régionalisation en hydrologie s’attache à la détermination de variables hydrologiques aux endroits où ces données manquent. L’objectif de cette thèse est de contribuer à poser les bases d’une méthodologie adaptée à la transposition des paramètres d'un modèle hydrologique distribué dédié aux crues rapides de bassins versants bien instrumentés à des bassins versants non jaugés, et ce sur une large zone d’étude. L’outil utilisé est le modèle hydrologique distribué MARINE [Roux et al., 2011] dont l’une des originalités est de disposer d’un modèle adjoint permettant de mener à bien des calibrations et des analyses de sensibilité spatio-temporelles qui servent à améliorer la compréhension des mécanismes de crue et à l’assimilation de données en temps réel pour la prévision. L’étude des sensibilités du modèle MARINE aborde la compréhension des processus physiques. Une large gamme de comportements hydrologiques est explorée. On met en avant quelques types de comportements des bassins versants pour la région d’étude [Garambois et al., 2012a]. Une sélection des évènements de calibration et une technique de calibration multi évènements aident à l’extraction d’un jeu de paramètres par bassin versant. Ces paramétrisations sont testées sur des évènements de validation. Une méthode de décomposition de la variance des résultats conduit aux sensibilités temporelles du modèle à ses paramètres. Cela permet de mieux appréhender la dynamique des processus physiques rapides en jeu lors de ces crues [Garambois et al., 2012c]. Les paramétrisations retenues sont transférées à l’aide de similarités hydrologiques sur des bassins versants non jaugés, à des fins de prévision opérationnelle / Climate and orography in the Mediterranean region tend to promote intense rainfalls, particularly in autumn. Storms often hit steep catchments. Flood quickness only let a very short time lapse for forecasts. Peak flow intensity depends on the great variability of rainfalls and catchment characteristics. As a matter of facts, observation networks are not adapted to these small space-time scales and event severity often affects data fiability when they exist thus the notion of ungauged catchment emerges. Regionalization in hydrology seeks to determine hydrological variables at locations where these data lack. This work contributes to pose the bases of a methodology adapted to transpose parameterizations of a flash flood dedicated distributed hydrologic model from gauged catchments to ungauged ones, and for a large study area. The MARINE distributed hydrologic model is used [Roux et al., 2011], its originality lies in the automatically differentiated adjoint model able to perform calibrations and spatial-temporal sensitivity analysis, in order to improve understanding in flash flood generating mechanisms and real time data assimilation for hydrometeorological forecasts. MARINE sensitivity analysis addresses the question of physical process understanding. A large panel of hydrologic behaviours is explored. General catchment behaviours are highlighted for the study area [Garambois et al., 2012a]. Selected flood events and a multiple events calibration technique help to extract catchment parameter sets. Those parameterizations are tested on validation events. A variance decomposition method leads to parameter temporal sensitivity analysis. It enables better understanding in catching dynamics of physical processes involved in flash floods formation [Garambois et al., 2012c]. Parameterizations are then transfered from gauged catchments with hydrologic similarity to ungauged ones with a view to develop real time flood forecasting

This paper analyzes the anatomical response of Pinus pinaster Ait. following wounding by flash floods. A total of 14 wood samples were taken from 14 different scarred trees located on the river banks of the Arroyo Cabrera torrent (Spanish Central System). In addition, 20 increment cores were collected from undisturbed and healthy P. pinaster trees to build a local reference chronology. For the injured trees, analysis focused on growth changes in early earlywood (EE) tracheids, namely on differences in (i) lumen size; (ii) cell-wall percentage and cell-wall thickness; (iii) radial length and tangential width of tracheids; as well as (iv) in the abundance of resin ducts in earlywood (EW) and latewood (LW) following wounding. Results indicate that tissues bordering flash-flood wounds are characterized by reduced growth rates and a decrease of EE tracheid lumen area by 51%. In addition, cell-wall percentage increases by 34% in the increment rings formed after the event and significant changes are observed in the radial length and tangential width of EE tracheids. Observations on resin ducts do not yield any significant results. Based on these anatomical parameters, detecting and dating past flash-flood events in growth rings is now possible for Mediterranean species, specifically P. pinaster.

En cas d’alerte aux inondations, l'information en temps réel et sa diffusion à un large public sont des éléments cruciaux pour limiter les comportements à risque, détecter les premiers dégâts ou préparer les acteurs locaux à gérer la crise. Face à ces enjeux, les technologies smartphones apparaissent, deplus en plus, comme des solutions logicielles et matérielles qui pourraient compléter de façon positiveles dispositifs d’alerte institutionnels, notamment grâce à la dynamique des contenus partagés et auxnombreuses interactions dont ils sont le support. Alors que plusieurs pays (États-Unis, Norvège, Pays-Bas, Suède, Philippines) utilisent déjà de tels outils, et même si le Ministère de l'Intérieur a lancé uneapplication urgentiste (SAIP) le 8 juin 2016, la population et les services de l’État semblent beaucoupplus réticents en France. La défense de la propriété individuelle, le manque de crédit attribué auxmessages postés et les verrous technologiques sont les principaux facteurs de blocage avancés. Aprèsavoir mené une enquête dans plusieurs communes rurales des départements du Var et du Vaucluse(qui confirme la méconnaissance des applications déjà existantes alors que les besoins sont bien réelsface aux crues rapides), une nouvelle application a été développée (Al’in). Le prototype créé vise àréduire les écarts entre une approche étatique descendante (top-down), qui positionne et impose l’Étatcomme le seul lanceur d’alerte, et une initiative citoyenne (approche « Bottom-Up »), qui érigel’individu au rang de « citoyen capteur », à la fois capable de remonter ou de diffuser une alerte àtravers l’usage de son smartphone. Répondre à ce défi ne s’avère toutefois pas si simple au regard descontraintes juridiques et techniques préexistantes en France. / The information given on flash floods in real time should undoubtedly answers to the citizens needs aswell as to the politic and the safety services. Face to such objective, Smartphone could positivelycomplete the official institutional systems, especially thanks to the dynamic and nature of postedmessages, and to the social interactions they support. This study questions the opportunity ofdeveloping a proactive and innovative alert system using the Smartphone technologies to face therisks due to flash flood hazards. A first study focuses on several alert systems existing actually inFrance but we quickly aim at identifying limits (legal rules, technologies and scientific problems) andchallenges usefulness and opportunities in the numeric sphere) of our objective in general manner.Finally, a local study in Var and Vaucluse permits us to see if population and local stakeholdersshould be interested (or not) by a smartphone application. The proposed solution tries to achieve amajor challenge: reducing the gap between a state approach (top-down), which positions and imposedthe state as the main official alert source, and the citizen action (bottom-up) which establishes theindividual as “Citizen sensor” (both in go up or disseminate information) through the use of issmartphone. Meeting this challenge is indispensable if we hope effectively minimizing material andhuman damages especially when high temporal acuity phenomena such as flash floods happen.

Le risque hydrologique associé aux crues rapides survenant en région méditerranéenne est variable dans l'espace et le temps. Des travaux ont montré une vulnérabilité forte des personnes mobiles face aux crues touchant les bassins versants de petite taille (< 20 km²). Le risque hydrologique qui en résulte s'ajoute au risque, mieux connu, associé au débordement des grands cours d'eau. Ce constat définit les enjeux de la modélisation hydrologique régionale mise en place dans ce travail, qui a pour objectif la compréhension des processus de crue de l'échelle du petit bassin versant (1 km²) à l'échelle des bassins régionaux (> 1000 km²). Le modèle utilisé dans cette thèse est construit avec la plate-forme de modélisation LIQUID, qui permet un couplage « à la carte » de modules représentant les processus que l'on souhaite intégrer au modèle. C'est un modèle utilisé sans calibration, dans une démarche de test d'hypothèses de fonctionnement hydrologique des bassins. La zone d'étude est la région Cévennes-Vivarais. Les premières simulations effectuées montrent une sensibilité forte des résultats du modèle aux propriétés des sols (conductivité hydraulique, épaisseurs), ainsi qu'au type de condition limite employée (percolation profonde ou non). Une distinction apparaît entre les comportements en crue des bassins situés sur roche sédimentaire et des bassins schisteux situés sur les reliefs cévenols. Une version du modèle intégrant la représentation des écoulements latéraux de surface et de subsurface est également développée, et déployée sur le bassin expérimental du Cartaou (0.5 km²). Les premiers résultats soulignent l'important rôle joué par ces écoulements à petite échelle. Une méthodologie d'analyse des récessions de débit est mise en place pour l'estimation des propriétés hydrauliques et des épaisseurs des horizons de roche altérée, non-décrits par les bases de données des sols de la région. Les résultats de l'analyse suggèrent une hiérarchie dans les valeurs des paramètres, contrôlée par le type de géologie. Les horizons de roche altérée sont ensuite intégrés dans la version finale du modèle, qui est déployée à l'échelle de la région entière. Les simulations effectuées sur l'année 2008 montrent l'intérêt de la prise en compte de ces épaisseurs de roche altérée, tant pour la simulation des débits en crue que lors des périodes inter-événementielles. Les simulations mettent également en évidence des différences de comportement entre les bassins du nord de la région (Ardèche, Tarn) et ceux du sud (Cèze, Gardon, Vidourle) que l'on peut relier à la géologie. / The hydrological risk associated with flash-floods in the mediteranean area is temporally and spatially variable. Recent works showed the vulnerability of mobile people during floods occurring on small catchments (area < 20 km²). The associated risk, added to the better-known risk related to the overflow of larger rivers, defines the objectives of the present thesis. This work aims at developing a regional distributed hydrological model to study the flood processes over a large range of spatial scales, from small catchments (1 km²) to large regional catchments (> 1000 km²). The model used in this thesis is built within the LIQUID hydrological modeling platform, which allows a modular coupling of the chosen hydrological processes. The model is used without calibration, with the purpose to test different hypotheses on the hydrological functioning of catchments. The studied area is the Cevennes-Vivarais region (south-east of France). The first simulations show a high sensitivity of the model results to soil properties (hydraulic conductivity, thickness), and to the bottom flux boundary condition (deep percolation). A different behavior is observed between catchments located on sedimentary rocks and catchments located in the mountain area, on metamorphic schists. A version of the model which accounts for lateral surface and sub-surface flows is developed, and tested on the Cartaou (0.5 km²) experimental catchment. Preliminary results highlight the importance of lateral flow processes in flood generation at small spatial scales. A streamflow recession analysis is performed to estimate hydraulic and thickness properties of weathered rock horizons, which are not described by regional soil databases. The results show a hierarchy in the estimated parameters, in relation with geology. The weathered rock horizons are implemented in the hydrological model, which is used at the regional scale. Simulations performed over the 2008 year bring out the better results obtained when using the weathered rock layer, for flood events simulations as well as for long-term simulations. The results also show differences between the hydrological behavior of north catchments (Ardèche, Tarn) and south catchments (Cèze, Gardon, Vidourle), which can be linked to the geology.

Les modèles pluie-débit sont des outils essentiels pour de nombreuses applications hydrologiques, notamment la prévision des crues. L’objet de cette thèse est d’examiner les performances d’un modèle événementiel distribué, dont l’intérêt est de résumer la représentation des processus à la phase de crue, et la condition initiale à un indice de saturation du bassin facilement observable ou accessible. Ce dernier dispense de modéliser la phase inter-crue, et simplifie la paramétrisation et le calage du modèle. Le modèle étudié combine une fonction de production type SCS et une fonction de transfert type lag and route, appliquées à une discrétisation du bassin en mailles carrées régulières.Le modèle est d’abord testé sur le bassin versant du Real Collobrier. Ce bassin méditerranéen est suivi depuis plus de 50 ans par l’IRSTEA, et dispose d’une exceptionnelle densité de mesures de pluies et de débits. Cet environnement favorable permet de limiter les incertitudes sur l’estimation des pluies et d’évaluer les performances intrinsèques du modèle. Dans ces conditions, les crues sont bien reconstituées à l’aide d’un jeu de paramètres unique pour l’ensemble des épisodes testés, à l’exception de la condition initiale du modèle. Celle-ci apparaît fortement corrélée avec l’humidité du sol en début d’épisode, et peut être prédéterminée de façon satisfaisante par le débit de base ou l’indice w2 fourni par le modèle SIM de Météo-France. Les performances du modèle sont ensuite étudiées en dégradant la densité des pluviomètres, et rendent compte du niveau de performances du modèle dans les cas que l’on rencontre le plus souvent. .La variabilité spatiale des paramètres du modèle est étudiée à l’échelle de différents sous-bassins du Real Collobrier. La comparaison a permis de mettre en évidence et de corriger un effet d’échelle concernant l’un des paramètres de la fonction de transfert. Les relations entre la condition initiale du modèle et les indicateurs d’humidités des sols en début d’épisode restent bonnes à l’échelle des sous-bassins, mais peuvent être significativement différentes selon les sous-bassins. Une seule relation ne permet pas de normaliser l’initialisation du modèle sur l’ensemble des sous-bassins, à une échelle spatiale de quelques km2 ou dizaines de km2. Dans le cas de l’indice d’humidité du sol w2, une explication possible est que cet indice ne prend pas en compte suffisamment finement les propriétés des sols. Enfin, la variabilité spatiale des paramètres du modèle est étudiée à l’échelle d’un échantillon d’une quinzaine de bassins méditerranéens de quelques centaines de km2, associés à des paysages et des fonctionnements hydrologiques divers. La comparaison montre qu’à cette échelle, le lien entre les indicateurs de saturation du bassin et la condition initiale peut rester stable par type de bassin, mais varie significativement d’un type de bassin à l’autre. Des pistes sont proposées pour expliquer cette variation.En conclusion, ce modèle événementiel distribué représente un excellent compromis entre performances et facilité de mise en œuvre. Les performances sont satisfaisantes pour un bassin donné ou pour un type de bassin donné. L’analyse et l’interprétation de la variabilité spatiale des paramètres du modèle apparaît cependant complexe, et doit faire l’objet du test d’autres indicateurs de saturation des bassins, par exemple mesures in situ ou mesures satellitaires de l’humidité des sols. / Rainfall-runoff models are essential tools for many hydrological applications, including flood forecasting. The purpose of this thesis was to examine the performances of a distributed event model for reproducing the Mediterranean floods. This model reduces the parametrization of the processes to the flood period, and estimates the saturation of the catchment at the beginning of the event with an external predictor, which is easily observable or available. Such predictor avoids modelling the inter-flood phase and simplifies the parametrization and the calibration of the model. The selected model combines a distributed SCS production function and a Lag and Route transfer function, applied to a discretization of the basin in a grid of regular square meshes.The model was first tested on the Real Collobrier watershed. This Mediterranean basin has been monitored by IRSTEA for more than 50 years and has an exceptional density of rainfall and flow measurements. This favourable environment made it possible to reduce the uncertainties on the rainfall input and to evaluate the actual performances of the model. In such conditions, the floods were correctly simulated by using constant parameters for all the events, but the initial condition of the event-based model. This latter was highly correlated to predictors such as the base flow or the soil water content w2 simulated by the SIM model of Meteo-France. The model was then applied by reducing the density of the rain gauges, showing loss of accuracy of the model and biases in the model parameters for lower densities, which are representative of most of the catchments.The spatial variability of the model parameters was then studied in different Real Collobrier sub-basins. The comparison made it possible to highlight and correct the scale effect concerning one of the parameters of the transfer function. The catchment saturation predictors and the initial condition of the model were still highly correlated, but the relationships differed from some sub-catchments. Finally, the spatial variability of the model parameters was studied for other larger Mediterranean catchments, of which area ranged from some tenth to hundreds of square kilometres. Once more, the model could be efficiently initialized by the base flow and the water content w2, but significant differences were found from a catchment to another. Such differences could be explained by uncertainties affecting as well the rainfall estimation as the selected predictors. However, the relationships between the initial condition of the model and the water content w2 were close together for a given type of catchment.In conclusion, this distributed event model represents an excellent compromise between performance and ease of implementation. The performances are satisfactory for a given catchment or a given type of catchment. The transposition of the model to ungauged catchment is less satisfactory, and other catchment saturation indicators need to be tested, e.g. in situ measurements or satellite measurements of soil moisture.

Ce travail de thèse a pour ambition de comprendre les mécanismes et les processus qui régissent l’action en situation decrise, c’est-à-dire dans des conditions de gestion fortement marquées par l’urgence et la nécessité d’agir vite en situationd’incertitude. Le constat d’une vulnérabilité du réseau routier face aux crues rapides nous conduit à la question suivante :quelles sont les modalités de gestion de crise lors d’événements pluvieux violents ayant pour conséquences des fermetures, des coupures ou des submersions du réseau routier et quelles sont les conditions de l’efficacité de gestion ? Notre étude souhaite montrer comment les acteurs en charge de la gestion du réseau routier dans un département régulièrement impacté par les inondations « gèrent » ces périodes de turbulences, avec quelles ressources et avec quels outils (plans, logiciels, dispositifs techniques, fiches actions etc.). Ce que nous souhaitons montrer, ce n’est pas tant qu’il existe des décalages entre le travail prescrit et le travail réel des opérateurs en temps de crise, mais bien les modalités de ces déplacements. En ce sens, c’est la question de l’efficacité qui est au coeur de notre démarche. Au sens étymologique, l’efficacité est une « vertu », une « force » (du latin efficacitas), elle doit nous permettre dans ce travail de saisir les décalages entre se qui se rapporte d’un côté à la planification et à une gestion organisée des crises, et de l’autre ce qui se rattache à la métis, c’est-à-dire l’intelligence pratique des acteurs en charge de l’exécution des tâches planifiées. Plutôt que d’identifier des défaillances, nous souhaitons montrer ce qui semble efficace du point de vue des acteurs, ce qui est « porteur » pour l’action, ce qui fait sens (Jullien, 1996, 1992). Quels sont les mécanismes vertueux que les acteurs mettent en place afin d’assurer une certaine efficacité de gestion, et de « faire tenir » ce moment de crise caractérisé, d’après une partie de la littérature, par la perte de repères pour l’action ? Approcher les conditions de l’efficacité demande d’une part d’analyser les pratiques des acteurs (rapport à la confiance, à l’adaptation, à l’improvisation, à l’interprétation de l’environnement et des informations), d’autre part de connaître les plans d’action qui les prescrivent. / This PhD dissertation aims at a better understanding of the mechanisms and processes which dictate the actions taken ina situation of crisis, that is to say, in a context very much characterized by urgency, and the necessity to act quickly inan unpredictable situation. After assessing the vulnerability of the road network in the event of a rapid rise in the waterlevel, we were led to raise the following questions : what are the various modes of crisis management in the event of violentrainstorms leading up to closings, interruptions or submersion of the road network ? What are the required conditions foran efficient management ? Our study intends to show the modus operandi of the actors in charge of the road networkmanagement in a district subject to frequent flooding to « manage » those times of trouble and the means and tools given tothem (maps, softwares, technical devices etc). What we originally aimed at was not so much emphasizing the gap betweenthe stipulated work and the effective work of operators in a time of crisis but rather focusing on the modalities of these« moves ». In a sense, matters of efficiency are at the heart of our approach. In its etymological meaning, efficiency is avirtue, a strength (from latin efficacitas) and it should enable us in this work to grasp the discrepancies between whatis linked on one side to the planning and organized managing of crises and on the other to metis, that is, the practicalintelligence of the actors in charge of the execution of the devised tasks. Instead of identifying the deficiency, we intend tohighlight what seems efficient from the actors’ point of view, what is « bearing » to the action, what makes sense (Jullien,1996, 1992). What are the virtuous mechanisms that the actors can devise in order to secure some kind of managementefficiency and to "hold together" this moment of crisis characterized, according to some writings, by the loss of a sense ofdirection in action ? This approach of the conditions of efficiency entails on the one hand the analysis of the actors’ practices(trust, adaptation, improvisation, interpretation of the surroundings and of information), and on the other, the knowledgeand understanding of the plans of action that prescribe them.

L'objectif scientifique de la thèse est de progresser dans la modélisation hydrologique spatiale régionale dans le contexte de crues éclairs qui représentent l'une des catastrophes naturelles les plus destructrices dans la région Méditerranéenne. L'accent est mis sur les questions de mise à l'échelle des bassins versants et la dérivation des équations et des modèles applicables aux bassins de milieu simplifiées de grande taille pour mieux décrire l'hétérogénéité du paysage et de la complexité du processus. Telles sont les questions clés pour faciliter le modèle mis en place dans le contexte de l'ensemble du bassin versant et d'essayer son application dans les bassins non jaugés trop. Pour répondre à ces questions, une modélisation hydrologique spatiale simplifiée sur les sous-bassins versants est d'abord proposé où les paramètres sont essentiellement tirées de l'information disponible (surtout cartographique). La méthode de Kirchner (WRR, 2009) qui suppose que le débit à la sortie est la seule fonction de stockage du bassin versant, est spécifiquement étudiée dans le cadre des bassins versants Méditerranéens. L'étape suivante consiste à créer un nouveau modèle hydrologique SIMPLEFLOOD distribué sur la base de « top down » méthodologie de Kirchner dans la plateforme de modélisation JAMS. Les paramètres du modèle simple sont estimés à des endroits calibrés et une régionalisation se fait en fonction de la géologie. Le bassin versant est discrétisé en sous-bassins versants d'environ 10 km2. La dernière étape consiste à procéder à un couplage de données avec le modèle hydraulique MAGE 1D développé à IRSTEA HHLY tenir compte des effets de propagation de la rivière sur les hydrogrammes simulés. Le couplage est externe, ce qui signifie que les sorties du modèle hydrologique dans le système de modélisation de JAMS deviennent les entrées du modèle MAGE hydraulique. Les sorties sont les débits qui sont transférés dans le modèle de MAGE soit comme flux latéraux (provenant des terres adjacentes) et /ou entrées d'eau locales. L'application de la thèse est le bassin versant de l'Ardèche (2388 km ²), qui est l'un des sites pilotes français pour le programme international HyMeX (cycle hydrologique dans l'expérience de la Méditerranée, http://www.hymex.org/). La thèse proposée contribue également au projet FloodScale (multi-échelle d'observation hydrométéorologique et de modélisation pour la compréhension et simulation des crues éclairs (http://floodscale.irstea.fr/). L'application de la méthodologie Kirchner (2009) montre que les résultats de simulation des débits sont bonnes pour les bassins de granit, trouvés à être caractérisée principalement par des processus excès de ruissellement et d'écoulement sous la surface de saturation. L'hypothèse simple de système dynamique fonctionne particulièrement bien dans des conditions humides (pics et les récessions sont bien modélisés). D'autre part, la performance du modèle est moins bien représentée à l'été et les périodes de sécheresse où l'évapotranspiration est large et observations de bas-débits sont inexactes. Dans le bassin versant de l'Ardèche, les précipitations simulées correspondent bien à de stations de jaugeage observés et données de réanalyse SAFRAN pendant les périodes de non-végétation. Le modèle doit encore être amélioré pour inclure une représentation plus précise de l'évapotranspiration réelle, mais fournit un résumé satisfaisant du fonctionnement du bassin versant pendant les périodes humides et d'hiver. Le couplage du modèle hydrologique obtenue avec le modèle hydraulique MAGE 1D fournit des résultats satisfaisants mais les résultats sont si réciproques comme dans le cas du modèle hydrologique ou une équation d'onde cinématique simple pour le routage des flux existe. On peut dire que dans les situations ou débordement de la rivière est significative, le couplage serai crucial. / The scientific objective of the thesis is to progress in regional spatial hydrological modeling in the context of flash floods that represent one of the most destructive natural hazards in the Mediterranean region. Emphasis is put on catchment scaling issues and derivation of simplified equations and models applicable to basins of medium to large size to best describe landscape heterogeneity and process complexity. These are the key issues in facilitating the model set up in the context of the whole catchment and trying its application in ungauged catchments too. To address these issues, a simplified spatial hydrological modeling over sub-catchments is first proposed where parameters are essentially derived from available information (cartographic utmost). For this purpose, the Kirchner (WRR, 2009) method that assumes that discharge at the outlet is only a function of catchment storage is specifically studied in the context of Mediterranean catchments. The next step is to create a new distributed hydrological model based on the data driven methodology of Kirchner within the JAMS modeling framework. The parameters of the simple model are estimated at the gauged locations and a regionalization is done according to geology. The catchment is discretized into sub-catchments of about 10 km2. The final step is to proceed with data coupling with the MAGE 1D hydraulic model developed at HHLY to consider river propagation effects on the simulated hydrographs. The coupling is external, meaning that outputs from the hydrological model in JAMS modeling system become inputs to the hydraulic model MAGE. Outputs are discharge rates in the reach network that are transferred into the MAGE model as either lateral flows (coming from adjacent land) and/or local inflows. The case study of the thesis is the Ardèche catchment (2388 km²), which is one of the French pilot sites for the HyMeX international program (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment, http://www.hymex.org/). The proposed thesis also contributes to the FloodScale project (Multi-scale hydrometeorological observation and modeling for flash floods understanding and simulation, http://floodscale.irstea.fr/ ). The application of the Kirchner (2009) methodology shows that resulting discharge simulation results are good for granite catchments, found to be predominantly characterized by saturation excess runoff and sub-surface flow processes. The simple dynamical system hypothesis works especially well in wet conditions (peaks and recessions are well modeled). On the other hand, poor model performance is associated with summer and dry periods when evapotranspiration is high and operational low-flow discharge observations are inaccurate. In the Ardèche catchment, inferred precipitation rates agree well in timing and amount with observed gauging stations and SAFRAN data reanalysis during the non-vegetation periods. The model should further be improved to include a more accurate representation of actual evapotranspiration, but provides a satisfying summary of the catchment functioning during wet and winter periods. The coupling of the resulting hydrological model with the MAGE 1D hydraulic model provides satisfying results. However, the results show that the timing and magnitude of simulated discharge with coupled model is as good as by the hydrological model with a simple kinematic wave equation for flow routing. We argue that in situations when there is a significant overflow in the floodplain the interest of the coupling with the hydraulic model becomes crucial.

Les régions méditerranéennes sont particulièrement soumises au risque de crues rapides. Ces crues sont provoquées par des pluies intenses pouvant être stationnaires et qui affectent des bassins versants à la topographie marquée et aux temps de réponses courts. Ces crues peuvent être très violentes, dévastatrices voire meurtrières. Il est donc important de disposer de systèmes de prévision adaptés pour l'anticipation des pluies et des débits des cours d'eau méditerranéens. Le système couplé ISBA-TOP a été particulièrement conçu pour simuler la réponse hydrologique de bassins versants à dynamique rapide. Il s'agit d'un couplage entre le modèle de surface ISBA et une version du modèle hydrologique TOPMODEL adaptée aux crues rapides. Une première étape du travail de thèse a été d'évaluer l'apport d'une meilleure représentation des processus hydrologiques dans le sol pour la simulation des débits avec ISBA-TOP. Une version d'ISBA-TOP basée sur la version diffusive d'ISBA (ISBA-DF qui découpe verticalement les colonnes de sol en de multiples couches) a donc été comparée à la version originale d'ISBA-TOP qui utilisait l'approche ISBA-3L où 3 couches de sol sont représentées. Sur un échantillon d'une vingtaine de cas d'étude, on montre une légère amélioration des simulations de débits avec la nouvelle version d'ISBA-TOP. Cette nouvelle version permet de s'affranchir du calage de deux paramètres gérant la répartition verticale de l'eau dans les colonnes de sol qu'il était nécessaire de réaliser pour chacun des bassins étudiés. La simulation de petits bassins versants non jaugés, pour lesquels on ne dispose pas d'observations pour réaliser le calage des paramètres, peut donc être envisagée. Il n'en reste pas moins que la modélisation hydrologique avec ISBA-TOP (comme avec tout autre modèle) reste entachée d'incertitude. La seconde partie de cette thèse vise à identifier ces incertitudes et à les quantifier. Dans le cas des crues rapides, les données de précipitation utilisées en entrée du modèle hydrologique constituent la source majeure d'incertitude mais elle n'est pas la seule. La connaissance des conditions initiales d'humidité des sols est également incertaine et le modèle hydrologique, lui-même, est entaché d'incertitude de par la `` paramétrisation '' des processus physiques et de par sa structure. Afin d'explorer ces deux sources d'incertitude et de les hiérarchiser, une étude de sensibilité du modèle ISBA-TOP à ses paramètres et à ses conditions initiales d'humidité des sols a été menée. Cette étude de sensibilité a d'abord été conduite pour un cas idéalisé, d'interprétation plus facile, avant de confirmer et d'approfondir les résultats sur des cas réels. Les simulations de débit avec ISBA-TOP se sont avérées particulièrement sensibles à trois des paramètres hydrodynamiques : le contenu en eau à saturation, la conductivité hydraulique à saturation et le taux de décroissance de la transmissivité avec la profondeur. Cette sensibilité, toutefois, est très dépendante des conditions initiales d'humidité des sols. Sur la base des résultats de l'étude de sensibilité, une méthode de perturbation des paramètres du modèle hydrologique a été conçue afin de tenir compte des erreurs de modélisation. Elle est complétée par une méthode de perturbations des conditions initiales en humidité des sols afin de constituer un système de simulation hydrologique d'ensemble. Evalué sur six cas réels, il a été montré que cet ensemble a un apport pour la simulation des débits par rapport à la version déterministe du modèle. / Intense precipitation events in the Mediterranean often lead to devastating flash floods. The affected watersheds are characterized by steep slopes and a short response time. Flash floods can be violent and destructive. Dedicated meteorological and hydrological systems are thus necessary to anticipate those flash floods. The ISBA -TOP coupled system was developed to simulate the hydrological reaction of fast responding rivers. It is a coupling between the ISBA surface scheme and a version of the TOPMODEL hydrological model dedicated to mediterranean flash floods simulation. A first part of the thesis aims at assessing the benefit of a better representation of hydrological processes within the soil for discharge simulation with ISBA-TOP. Moreover, it would allow the use of ISBA-TOP for any watershed even ungauged. A version of ISBA-TOP based on ISBA-DF (the diffusive version of ISBA that discretizes soil columns in multiple layers) has been compared to the original ISBA-TOP that relies on ISBA-3L (with only 3 soil layers). On 18 study cases, better discharge simulations are obtained basically using the new ISBA-TOP version. So this improved representation of hydrological processes in the soil allows to improve discharge simulations and to be confident into the results obtained for small ungauged catchments. The second part of this PhD work concerns the uncertainty that affects ISBA-TOP simulations. For flash floods, rainfall data used to drive an hydrological model are the major source of uncertainty. But initial soil moisture knowledge is also uncertain and the hydrological model himself is affected by uncertainty. The sensitivity of ISBA-TOP model to its parameters and initial soil moisture is investigated to document those two sources of uncertainty. First an academic case is used to verify some preliminary hypotheses and then real cases are studied to properly consider the different data heterogeneities. Discharge simulations with ISBA-TOP are sensitive to three hydro dynamical parameters : the saturated soil water content, the saturated hydraulic conductivity and the rate of decrease of the transmissivity with depth. This sensitivity is found very dependant on initial soil moisture conditions. Perturbation methods varying the 3 parameters that have the highest impact on discharge simulations as well as initial soil moisture allow to design an ensemble prediction system. This ensemble has been assessed for 6 real cases. Using this ensemble-based approach for discharge simulation lead to better results than using the deterministic version. The skill of the ensemble with 30 to 50 members is close to the skill of this ensemble with 100 members whereas it outerperfoms an ensemble with 10 members. The last part of the thesis is the conception of a complete hydrometeorological ensemble prediction system (HEPS). The hydrological ensemble defined in the second part of the thesis is used to take the uncertainty that affects the hydrological modelling and initials soil moisture into account. The uncertainty that affects precipitation fields is sampled using the AROME ensemble prediction system (AROME-EPS). The skill of this complete chain is better than an HEPS based on AROME-EPS and the deterministic version of ISBA-TOP. But both HEPS exhibit a low bias for discharge simulation on the study cases sample. This bias can come from a low bias that is found for the AROME-EPS rainfall forecasts. A simple bias correction applied on rainfall forecasts improves the bias on discharge forecasts.

In our region, heavy rains may occur virtually everywhere. Nowadays there are instruments to predict these events in sufficient advance, but without precise localisation, which is a problem. Present instruments for searching endangered watersheds are focused on operative evaluation of meteorological situation and actual precipitation forecast processing (nowcasting). The thesis brings quite different approach. Potentially endangered areas are detected with evaluation of long-term statistical variables (N-year discharges and rain characteristics) and properties of specific watershed. The whole issue is handled out of situation of actual danger, this attitude is so called off-line solution. The thesis describes a model based on selected artificial intelligence methods. The model forms the core of final map application. The use of model and final application is supposed to be used in area of preventive flood protection, and related investment decision-making. The model focuses on heavy rains and flash floods.

This thesis presents a novel analytical solution strategy for the zero-inertia (ZI) equations of free surface flow. These equations are utilized herein for routing flood flow in open channels and for simulating excess rainfall runoff on overland planes. The novel solution approach is shown to be both accurate and robust, especially under the complicated and intricate conditions of infiltrating flow on initially dry river beds or soils, e.g., as present in arid and semiarid areas. This is underlain by comparing modeling results of the novel analytical procedure with those of validated numerical solutions. Furthermore, it is shown that the analytical ZI model can deliver a process-oriented portrayal of runoff concentration in the flood-generating parts of the catchment. Subsequently, the novel analytical ZI model is applied for a real-world water management problem in the Sultanate of Oman, Arabian Peninsula. Within an integrated flash flood routing model—which is also presented in this thesis—the novel analytical routing approach helps in accurately matching the dynamics of advancing and infiltrating ephemeral river flow, established as a consequence of release from a groundwater recharge dam. The integrated modeling system houses the aforementioned analytical downstream model and tailor-made, state-of-the-art modeling components to portray the upstream flow processes, dam operation (including evaporation), and spillway release flow. The proposed modeling system can aid in rendering a realistic image of transient transmission losses and dependent flow dynamics. This is of extremely high importance for water resources assessment, as well as for optimizing recharge dam operation strategies in order to maximize downstream transmission losses and, thus, groundwater recharge. / Diese Dissertation präsentiert einen neuartigen analytischen Lösungsansatz für das beschleunigungsfreie Wellenmodell (bzw. „Zero-Inertia-Modell“, „ZI-Modell“, oder „diffusives Wellenmodell“). Im Rahmen der Arbeit wird das hergeleitete hydrodynamische Modell sowohl zur Simulation von Freispiegelabflüssen in nichtprismatischen und durchlässigen Gerinnen, als auch für die Beschreibung von auf der Landoberfläche abfließendem Infiltrationsüberschuss eingesetzt. Es wird gezeigt, dass der neuartige analytische Ansatz — im Hinblick auf Massenerhaltung und die exakte Abbildung der Abflussdynamik — akkurate Ergebnisse liefert und gleichzeitig unter komplexen und verwickelten Prozessbedingungen anwendbar ist. So belegt eine vergleichende Analyse mit validierten numerischen Lösungsansätzen die Robustheit des analytischen ZI-Modells. Insbesondere die im Sinne der numerischen Mathematik stabile und genaue Modellierung der gekoppelten Abfluss- und Infiltrationsvorgänge in anfänglich trockenen Gerinnen ist dabei ein Novum. Weiterhin wird die Eignung und Anwendbarkeit des neuartigen Modellansatzes zur Beschreibung der Abflusskonzentrationsprozesse gezeigt. Der neuartige Lösungsansatz wird im Folgenden für ein reales Wassermanagementproblem im Sultanat Oman, Arabische Halbinsel eingesetzt. Als Bestandteil eines integrierten Modellsystems, welches ebenfalls im Rahmen der Dissertation vorgestellt wird, dient das analytische ZI-Modell zur Simulation von infiltrierendem Wadiabfluss, welcher unterstrom von Grundwasseranreicherungsdämmen starke Verluste von Masse und Impuls erfährt. Zusammen mit maßgeschneiderten und dem Stand der Technik entsprechenden Komponenten für die Betriebssimulation des Anreicherungsdammes (inklusive Verdunstung von der freien Seefläche) sowie für die Abbildung der oberstromigen hydrodynamischen Prozesse (ebenfalls inklusive Infiltration) wird der neuartige analytische Ansatz in einem Modellsystem zusammengefasst. Das Modellsystem ist in der Lage ein realistisches Bild der raumzeitlichen Dynamik des Abflusses sowie der Grundwasserneubildung aus infiltrierendem Wadiabfluss zu liefern. Damit stellt das Modellsystem ein wertvolles Werkzeug sowohl zur Wasserdargebotsermittlung, als auch für die Optimierung des Betriebes von Grundwasseranreicherungsdämmen dar.