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De nombreuses études portant sur les impacts du changement climatique sur la ressource en eau ont été réalisées à l'échelle des grands bassins versants continentaux, celle des petits bassins versants demeurant peu étudiée. La région Bourgogne se situe à la croisée de plusieurs bassins hydrographiques (Seine, Loire, Rhône), et offre une grande diversité de contextes hydrogéologiques. Les impacts du changement climatique sont susceptibles de varier localement et leur détermination requiert l'implémentation d'une chaîne de modélisation hydroclimatique à l'échelle locale. L'objectif de cette thèse a consisté en la mise en place d'un tel outil de modélisation à l'échelle des petits bassins versants de Bourgogne. Un échantillon de bassins versants et deux modèles hydrologiques de conceptualisation différente ont été choisis : un modèle pluie-débit global (GR4J) et un modèle semi-distribué à base physique (SWAT). Ces modèles ont permis d'approcher les différents aspects des impacts sur la ressource en eau (débit à l'exutoire, ressource spatialisée, qualité de l'eau). Les modèles ont été calibrés, et leur robustesse a été testée en contexte de changement climatique, validant ainsi leur utilisation sur une période future. Une désagrégation spatiale des données climatiques a été nécessaire afin d'alimenter les modèles hydrologiques sur la période de projection. L'analyse de données observées a permis de mettre en évidence une rupture dans les températures de surface en 1987/88 (en Bourgogne comme en France métropolitaine), et une modification des régimes hydrologiques de part et d'autre de cette rupture. Les projections réalisées sur la période 1980-2100 ont permis de montrer : i) peu d'évolution des débits moyens annuels mais une accentuation de la saisonnalité, via une augmentation des débits hivernaux et une diminution des débits estivaux, en lien avec le régime des précipitations et avec l'augmentation de l'évapotranspiration. ii) des indicateurs d'étiages montrant une aggravation de leur sévérité et une emprise temporelle plus grande durant l'année hydrologique, iii) une qualité de l'eau dégradée. Afin d'ouvrir de nouvelles perspectives grâce à cette chaîne de modélisation (en termes aide à la décision), l'aptitude de la chaîne de modélisation à évaluer les impacts de divers scénarios de changement de pratiques agricoles a été testée. / Numerous studies dealing with climate change impacts on water ressources have been done at global scale, but the moderated size watersheds scale is less studied. The Burgundy region is located over several hydrographical basins (Seine, Loire and Rhône river), and provides a great diversity of hydrogeological and climate contexts. For these reasons, impacts of climate change on water resources are expected to be very different in space, and require an entire hydroclimatic modelling chain at local scale to be assessed. The main objective of this thesis consisted of the implementation of a modelling tool at the moderated-size watersheds scale of Burgundy. In this way, several watersheds and two hydrological models have been chosen : a global and empirical rainfall-runoff model (GR4J) and a physical based and semi-spatialised model (SWAT). These two models allow us to assess every aspects of climate change impacts : quantitative (streamflow and spatialised ressource) and qualitative impacts.Models have been calibrated, including a cross calibration/validation test in climate contrasted periods, to confirm their robustness. A disaggregation of global climate data has been done in order to feed models during projection.Observations analysis highlighted a climate shift (in Burgundy as well as over the entire french territory), resulting in a modification of hydrological regime. Models projection over the XXIth century showed i) not much evolution of annual streamflow, but an accented seasonality, with an increase of winter streamflow, and a decrease of summer streamflow, linked with the rainfall regime and the evapotranspiration increase, ii) drought flow indices showing an increase of severity of the drought flow period, iii) a decrease in water quality. In order to explore the capacities of the modelling chain, several sensibility tests have been done, based on management practices scenarios.

Dada la continua necesidad de establecer técnicas que permitan asesorar un desarrollo sustentable de la gestión de recursos hídricos, la modelación hidrológica como alternativa descriptiva de las leyes y principios que gobiernan los fenómenos naturales se hace indispensable en los tiempos actuales. El estudio y cuantificación de la incertidumbre asociada a las simulaciones que los modelos hacen de la realidad, resultan indispensables para establecer los verdaderos alcances de un modelo hidrológico en particular. En este trabajo, se aborda el estudio de la incertidumbre asociada a los parámetros operacionales del modelo GR4J, al aplicar éste para cuencas no controladas en Chile. Se trabaja con 8 cuencas pluviales de la zona centro sur de Chile, sobre las cuales se realiza la calibración y validación del modelo, lo que provee de una base da datos con los parámetros que permiten el funcionamiento correcto del modelo GR4J en dichas cuencas. Posteriormente, a partir de parámetros geomorfológicos de estas cuencas, se procede a presentar índices geomorfológicos que permiten una estimación de los parámetros del modelo considerando sólo las características geomorfológicas de la cuenca, para de esta manera lograr una estimación de los parámetros de análisis sin necesidad de utilizar información fluviométrica observada. Para el análisis de incertidumbre en las cuencas no controladas, se utilizan las cuencas Cauquenes en el Arrayán y Lebu en Las Corrientes, que si bien es cierto son cuencas controladas, se utilizan los índices geomorfológicos generados para estimar los parámetros operacionales del modelo GR4J, y de esta manera realizar el análisis comparativo de la sensibilidad de los parámetros del modelo con respecto al caudal observado para las cuencas escogidas. Los caudales generados a partir de los índices geomorfológicos generan aproximaciones aceptables de la realidad, presentando una banda de incertidumbre general que abarca tanto los mayores caudales medios mensuales observados como los menores, estando gran porcentaje de esta incertidumbre asociada a la sensibilidad del parámetro que operacional que describe las transferencias hídricas subterráneas con la superficie. De lo anterior resulta la obtención de porcentajes de las bandas de incertidumbre, con respecto a los caudales generados a partir del valor esperado entregado por los índices geomorfológicos que no superan el 2% en relación al tiempo base del hidrograma unitario UH1, y de un 36% en relación a la capacidad máxima para el tránsito en canales.

Ce travail de thèse, qui s'inscrit dans le cadre du programme AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine), vise à modéliser le fonctionnement hydrologique de la Haute Vallée de l'Ouémé (14400 km$²$) au Bénin. Il a pour but de réaliser une première estimation des bilans hydrologiques et de contribuer au développement d'outils capables de simuler les impacts climatiques et anthropiques sur la ressource en eau. Dans un premier temps, nous avons cherché à caractériser le fonctionnement hydrologique de la région, et à quantifier les principaux termes du bilan hydrologique à méso-échelle. Pour conceptualiser ces bassins versants, une démarche comparative a été adoptée, et deux modélisations parcimonieuses ont été mises en oeuvre: GR4J, structure empirique et générique, et TOPAMMA, formalisme dérivé de TOPMODEL et développé au cours de ce travail. Un cadre d'évaluation complet a été défini, permettant de juger les modèles en terme: (i) de performances, (ii) d'incertitudes associées à leurs prédictions ; (iii) de réalisme. Ainsi, bien que leurs performances pour simuler la relation pluie-débit soient comparables, ces modèles se distinguent lorsque les incertitudes sur les simulations et les autres composantes du cycle hydrologique sont considérées. La variabilité hydro-climatique observée dans la région au cours de 50 dernières années a également permis d'évaluer le pouvoir d'extrapolation des modèles et leur application dans des conditions non stationnaires. Nous nous sommes en particulier intéressés aux aspects méthodologiques de la détection de changements de la relation pluie-débit à partir des modèles hydrologiques. Enfin, une première estimation de la sensibilité de la réponse hydrologique au régime de mousson a été réalisée, à travers différents scénarios de forçage pluviométrique.

L’urbanisation a de multiples impacts sur les processus hydrologiques. A l’échelle du bassin versant, ces impacts sont difficiles à quantifier et les résultats de la littérature sur ce sujet sont assez disparates. L’objectif de cette thèse est d’analyser conjointement l’évolution de l’urbanisation et l’évolution des écoulements des bassins versants. La détection et la quantification des changements d’écoulement potentiellement liés à l’urbanisation des bassins nécessitent de distinguer les changements de débits liés à l’urbanisation de ceux liés à d’autres facteurs de variabilité hydrologique, tels que le climat. Ceci soulève plusieurs questions liées notamment à la relation entre la variabilité du climat et celle de la réponse hydrologique des bassins, et aussi à la détermination d’une mesure de l’urbanisation utile pour l’hydrologie. Pour répondre à ces questions, plusieurs approches ont été testées : 1) Nous avons analysé la fiabilité d’un modèle hydrologique pour simuler l’impact de l’urbanisation. Pour cela, nous avons utilisé la technique des bassins versants appariés : un bassin versant urbanisé proche d’un autre bassin versant non-urbanisé servant de témoin permet d’évaluer l’impact de l’urbanisation sur la réponse hydrologique des bassins. 2) Nous nous sommes également intéressés à la caractérisation de l’urbanisation par des mesures de structure du paysage urbain, en complément de mesures plus classiques (imperméabilité et fraction de surface urbaine). 3) Nous avons ensuite étudié les variables qui expliquent le mieux chaque variable hydrologique de bassin (module et débits caractéristiques de crue et d’étiage. 4) Nous avons enfin utilisé un modèle hydrologique permettant de synthétiser le comportement du bassin versant au cours e son urbanisation.Les résultats ont montré que l’approche par modélisation hydrologique permettait de quantifier d’une façon satisfaisante l’impact du changement d’occupation du sol. Cette approche par modélisation donne des résultats proches de celle par bassins appariés. La thèse met également en évidence que l'impact de l'urbanisation sur la réponse hydrologique du bassin versant reste difficile à généraliser. En effet, une majorité de bassins versants urbains ne présente pas de tendance significative sur les caractéristiques hydrologiques analysées (débits caractéristiques de crue et d’étiage). Enfin, les caractéristiques de fragmentation du paysage urbain fournissent des éléments complémentaires aux mesures plus classiques de l’urbanisation. / Urbanization and population concentration are suspected of having multiple impacts on the catchment’s hydrologic response. It is difficult to synthetize the results from the numerous case studies related to the impact of urbanization on catchment’s hydrologic response. The main objective of this study is to compare the flow changes detected by urbanization. The change flow quantification is impacted simultaneously by climate variability and urbanization, which makes it difficult to distinguish the causal effects of change. To cope with this climate confusing effect and determination a useful measure of urbanization for catchment hydrological response several approach have been tested: 1) We are looking for changes in the hydrological signal time-series in urbanizing catchments and then identifying repeatedly model parameters on successive time periods. The conceptual modelling (top-down) approach was used to calibrate model on the urbanized catchments and simulated the non-urban condition. 2) In addition to traditional urban measures (total impervious area) the urban area were characterized by landscape metrics, which enable analyzing the patterns of historical urban growth. 3) We combine a hydrological model, catchments characteristics and landscape metrics to quantify the explaining variables for the hydrologic response change. 4) We were used the hydrological model to evaluate the catchment behavior over time. Results confirmed that the hydrological model is useful to quantify the impact of land use change. The results show the good agreement between conceptual modelling approaches and the paired catchments approaches change detections.The impact of urbanization on the catchment hydrological response remains difficult to generalize. The most of catchment show the no significant trend on hydrological response over the study. However, results confirmed that the urban fragmentation and landscape metrics provide additional elements compared to the total impervious study.