Notre travail a porté sur le développement d'un instrument pour l'aide à la négociation des acteurs impliqués dans la gestion de l'eau, ressource posant actuellement de façon accrue le problème de la durabilité. Pour cette ressource des directives générales ont été édictées au niveau national et européen. La mise en œuvre concrète de ces réglementations passe au niveau régional et au niveau local par la création de règles résultant de négociations entre les différents acteurs concernés. Toutefois, l'émergence de ces règles de gestion et d'allocation de la ressource se fait bien souvent sans vision des conséquences résultant de l'adoption de celles-ci tant au niveau global qu'au niveau individuel. Le but de notre travail est de fournir méthodes et instruments pour faciliter une négociation dont l'enjeu est de déterminer les règles d'accès à cette ressource pour les différents utilisateurs. Nous avons, d'une part, mis à l'épreuve la conception agent BDI (Beliefs, Desires and Intentions) à un problème relevant des sciences sociales et de grande taille. D'autre part, nous avons conçu une architecture multi-agent appropriée au problème posé intégrant la dimension négociation. Enfin, nous avons initié une méthodologie de conception interactive avec les acteurs de terrain. La construction de l'instrument de simulation s'est faite en deux phases : Une première maquette (Manga) concerne une situation simple de gestion (type nappe). Manga a permis d'explorer différents corps de règles d'attribution de l'eau et attitudes des agriculteurs face au risque climatique. Toutefois passer à des situations de gestion plus réalistes mais plus complexes, nous a conduit à enrichir fortement la représentation des acteurs et à concevoir une deuxième maquette (MangaLère). En nous appuyant sur le cas concret de la gestion de la Lère, nous avons testé l'adéquation du formalisme BDI à la représentation des acteurs concernés et commencé à développer une ontologie propre au problème posé.

Cette thèse a pour but de contribuer à l’étude des aquifères karstiques en (1) identifiant les facteurs influençants le stockage et l’écoulement de l’eau souterraine et en (2) localisant et estimant de manière quantitative les ressources en eau au sein d’une série carbonatée. Cette étude a été réalisée sur l’aquifère de Dardennes, près de Toulon, en France. L’eau de l’aquifère est utilisée pour l’alimentation en eau potable et alimente le fleuve Las, susceptible de provoquer de fortes crues. Le bassin versant de l’aquifère est estimé à 70 km². Des mesures de porosité et de géochimie isotopique sur les roches carbonatées sont mises en relation dans le but de localiser et d’expliquer les vides créés au sein de la série sédimentaire. Des coupes équilibrées et des analyses structurales ont été réalisées pour évaluer la géométrie de l’aquifère. L’acquisition de données en continu (CTD) et de données hydrochimiques permet d’étudier le dynamisme et le fonctionnement de l'aquifère. Une approche de modélisation pluie-débit avec la plateforme de modélisation KarstMod, basée sur les chroniques de précipitations et de débits sur trois années a été utilisée afin d’estimer la part de l’écoulement disponible pour l’eau potable et celle générant des crues éclair. Une déconvolution du débit des sources a été effectuée à l’échelle annuelle et à l’échelle des crues. Les résultats du modèle ont été comparés avec la gestion actuelle de l’aquifère, montrant une exploitation actuelle équilibrée, et ouvrant des perspectives pour la mise en place d’une gestion active, combinant une exploitation plus importante de l’eau, un écrêtage des crues et un respect de l’écologie du cours d’eau en aval. / The aim of this PhD is to contribute to the karst aquifers understanding by (1) identifying the factors influencing the groundwater storage and flow and by (2) locating and quantitatively estimating water resources within the carbonate sedimentary series. This study was conducted on the Dardennes aquifer near Toulon, France. The aquifer water is used for the supply of drinking water and feeds the Las River, which can cause important floods. The recharge area of the aquifer is estimated at 70 km². Measurements of porosity and isotopic geochemistry on carbonate rocks are related in order to locate and explain the voids created within the sedimentary series. Balanced cross-sections and structural analyses were performed to evaluate the geometry of the aquifer at depth. Continuous data acquisition (specific conductivity, temperature and water depth-pressure) and hydrochemical data (major ions, stables isotopes of water and carbon-13) allow to study the aquifer dynamism and functioning. A daily rainfall-discharge modeling approach was used with the KarstMod platform to estimate the flow part available for drinking water and the part that generates karst flash-floods. A hydrograph separation of springs discharge was carried out at annual and floods scales. Model results have been compared with the current groundwater management, showing a balanced current exploitation. In new perspective, it would be interesting to establish active management, combining a greater groundwater exploitation, floods mitigation and stream ecology respect.

Pouvoir évaluer l'impact du changement climatique sur la ressource en eau, et les systèmes de gestion qui lui sont associés, est une préoccupation majeure de nos sociétés. Une telle évaluation nécessite la mise en place d'une chaîne de simulation qui permet, sur la base d'expériences climatiques futures, i) d'estimer à l'échelle régionale l'évolution possible de la ressource et de sa variabilité, ii) de simuler le comportement des systèmes utilisés pour leur gestion pour iii) estimer les éventuelles modifications de performance. Cette thèse vise à tester la possibilité de mettre en place une chaîne de simulation de ce type pour un système de gestion réel et à identifier quelles sont les composantes à considérer dans ce cas. Pour ce faire, nous chercherons en particulier à apporter des éléments de réponse aux questions suivantes: - Quelles représentations peut-on faire d'un système de gestion opérationnel pour une application en climat modifié ? - Quels éléments d'évaluation peuvent permettre d'estimer l'impact du changement climatique sur ce système de gestion ? - Quelles sont les sources d'incertitudes influençant cette évaluation ? Quelles sont les contributions relatives à l'incertitude totale des différentes méthodes et modèles utilisés ? Nous considérerons plus précisément le système de gestion du barrage de Serre-Ponçon, alimenté par le haut bassin versant de la Durance. Ce barrage, géré par EDF, est l'un des plus grands barrages artificiels européens. Il est multi-usages (irrigation, soutien d'étiage, production d'hydroélectricité, tourisme). Dans un premier temps, nous présenterons le contexte du système de gestion actuel. Nous mettrons ensuite en place un modèle de gestion du barrage visant à reproduire - de façon réaliste du point de vue du gestionnaire actuel (EDF), mais simplifiée pour pouvoir être appliqué sous scénarios futurs - la gestion actuelle du barrage. Nous développerons pour cela i) des modèles permettant d'estimer les différentes demandes en eau et ii) un modèle d'optimisation de la gestion sous contraintes. Ce modèle permettra de simuler la gestion du système au pas de temps journalier sur plusieurs décennies du climat récent, ou de climats futurs modifiés. Nous proposerons ensuite un ensemble d'indicateurs qui permettent de fournir une estimation de la performance d'un tel système à partir des sorties du modèle de gestion obtenues par simulation pour différentes périodes de 30 ans. Nous explorerons la façon dont la performance estimée dépend du modèle choisi pour la représentation du système de gestion actuel, et plus précisément de la façon dont la stratégie utilisée pour l'optimisation de la gestion est élaborée. A ce titre, nous proposerons trois modèles de gestion basés sur trois types de stratégies, obtenues pour des degrés différents de prévisibilité des apports et sollicitations futurs à la retenue. Pour ces simulations, les modèles d'impacts nécessitent des scénarios de forçages météorologiques à l'échelle de bassin versant (e.g. modèle hydrologique, modèle d'usages de l'eau, modèle de gestion de la ressource). Ces scénarios peuvent être obtenus par des méthodes de descente d'échelle statistique (MDES), sur la base des simulations grande échelle des modèles climatiques globaux. Enfin, nous évaluerons les incertitudes liées aux deux types de modèles et estimerons leurs contributions relatives à l'incertitude globale. Nous utiliserons pour cela les scénarios issus de différentes chaines de simulation GCM/MDES produits sur la période 1860-2011 dans le cadre du projet RIWER2030. Nous montrerons que ces deux sources d'incertitudes sont du même ordre de grandeur sur l'estimation des modifications de performance.

Pouvoir évaluer l'impact du changement climatique sur la ressource en eau, et les systèmes de gestion qui lui sont associés, est une préoccupation majeure de nos sociétés. Une telle évaluation nécessite la mise en place d'une chaîne de simulation qui permet, sur la base d'expériences climatiques futures, i) d'estimer à l'échelle régionale l'évolution possible de la ressource et de sa variabilité, ii) de simuler le comportement des systèmes utilisés pour leur gestion pour iii) estimer les éventuelles modifications de performance. Cette thèse vise à tester la possibilité de mettre en place une chaîne de simulation de ce type pour un système de gestion réel et à identifier quelles sont les composantes à considérer dans ce cas. Pour ce faire, nous chercherons en particulier à apporter des éléments de réponse aux questions suivantes: - Quelles représentations peut-on faire d'un système de gestion opérationnel pour une application en climat modifié ? - Quels éléments d'évaluation peuvent permettre d'estimer l'impact du changement climatique sur ce système de gestion ? - Quelles sont les sources d'incertitudes influençant cette évaluation ? Quelles sont les contributions relatives à l'incertitude totale des différentes méthodes et modèles utilisés ? Nous considérerons plus précisément le système de gestion du barrage de Serre-Ponçon, alimenté par le haut bassin versant de la Durance. Ce barrage, géré par EDF, est l'un des plus grands barrages artificiels européens. Il est multi-usages (irrigation, soutien d'étiage, production d'hydroélectricité, tourisme). Dans un premier temps, nous présenterons le contexte du système de gestion actuel. Nous mettrons ensuite en place un modèle de gestion du barrage visant à reproduire – de façon réaliste du point de vue du gestionnaire actuel (EDF), mais simplifiée pour pouvoir être appliqué sous scénarios futurs - la gestion actuelle du barrage. Nous développerons pour cela i) des modèles permettant d'estimer les différentes demandes en eau et ii) un modèle d'optimisation de la gestion sous contraintes. Ce modèle permettra de simuler la gestion du système au pas de temps journalier sur plusieurs décennies du climat récent, ou de climats futurs modifiés. Nous proposerons ensuite un ensemble d'indicateurs qui permettent de fournir une estimation de la performance d'un tel système à partir des sorties du modèle de gestion obtenues par simulation pour différentes périodes de 30 ans. Nous explorerons la façon dont la performance estimée dépend du modèle choisi pour la représentation du système de gestion actuel, et plus précisément de la façon dont la stratégie utilisée pour l'optimisation de la gestion est élaborée. A ce titre, nous proposerons trois modèles de gestion basés sur trois types de stratégies, obtenues pour des degrés différents de prévisibilité des apports et sollicitations futurs à la retenue. Pour ces simulations, les modèles d'impacts nécessitent des scénarios de forçages météorologiques à l'échelle de bassin versant (e.g. modèle hydrologique, modèle d'usages de l'eau, modèle de gestion de la ressource). Ces scénarios peuvent être obtenus par des méthodes de descente d'échelle statistique (MDES), sur la base des simulations grande échelle des modèles climatiques globaux. Enfin, nous évaluerons les incertitudes liées aux deux types de modèles et estimerons leurs contributions relatives à l'incertitude globale. Nous utiliserons pour cela les scénarios issus de différentes chaines de simulation GCM/MDES produits sur la période 1860-2011 dans le cadre du projet RIWER2030. Nous montrerons que ces deux sources d'incertitudes sont du même ordre de grandeur sur l'estimation des modifications de performance. / Assess the impact of climate change on water resources and management systems associated, is a major concern of our society. This requires the establishment of a simulation chain which allows, on the basis of future climate experiments i) to estimate the possible changes in regional resource and its variability, ii) to simulate the behavior of the systems used to manage them in order to iii) estimate the possible changes in performance. This thesis aims to test the feasibility of establishing a chain simulation of such a management system to identify what are the real components to consider in this case. To do this, we have to provide answers to the following questions: - How can we represent an operational management system in a climate change context? - What elements of evaluation can be used to estimate the impact of climate change on the management system? - What are the sources of uncertainty influencing this assessment? What are the relative contributions to the total uncertainty of these different methods and models used? We consider the system of management of the reservoir of Serre-Ponçon, built on the high basin of the Durance. This dam, operated by EDF, is one of the largest artificial dams Europe. It is multi-purpose (irrigation, low-flow support, hydropower, tourism). As a first step, we will present the context of the current management system. Then, we will establish a management model to reproduce - in a realistic way from the point of view of the current manager (EDF), but simplified to be applied in future scenarios - the current management of the Serre-Ponçon reserve. We will develop for this, i) different models to estimate different water demands and ii) an optimization model with constraints management. This model will simulate the management system in daily time step on several decades of recent climate or future climate change. We then propose a set of indicators to provide an estimate of the performance of such a system from the outputs of the management model obtained by simulation for different periods of 30 years. We will explore how the estimated performance depends on the model chosen to represent the current management system, and more specifically how the strategy used to optimize the management is developed. To this end, we will propose three management models based on three types of strategies, obtained for different degrees of predictability of future inflows and constraints. For these simulations, the impact models require meteorological forcing scenarios at watershed scale (eg hydrological model, model of water use model of resource management). These scenarios can be obtained by statistical downscaling methods (SDM), on the basis of large-scale simulations of global climate models. Finally, we will evaluate the uncertainties associated with the two types of models and will estimate their relative contributions to the overall uncertainty. We have used this scenario from different GCM/SDM simulations over the period 1860-2100 obtained within the RIWER2030 project. We show that these two sources of uncertainty are of the same order of magnitude estimate of changes in performance.

L’allocation de la ressource de manière optimale, dans un système dynamique étendu, consiste à la répartir et à l’acheminer aux bons endroits, aux bons moments et en bonne quantité. Les flux transportés sont caractérisés par des non-linéarités et sont soumis à des retards lors de leur transfert, mais aussi, à des déformations importantes lorsque la ressource est un fluide. Dans ce travail, nous proposons de prendre en compte, dans la modélisation de ces systèmes, l’ensemble de ces contraintes pour une gestion optimale de transport de fluide. Le système est modélisé par un réseau de transport étendu afin de représenter l’évolution de la ressource au cours du temps et d’intégrer les retards inhérents aux transferts des flux. Afin d’introduire dans le graphe la dynamique des écoulements des fluides à surface libre, nous définissons des sommets de répartition permettant la modélisation des phénomènes de propagation des flux. Les objectifs de gestion sont représentés par des coûts sur les arcs. L’allocation optimale de la ressource est obtenue par la recherche du flot de coût minimal sur le réseau de transport. A cette fin, un algorithme d’optimisation prenant en compte les contraintes additionnelles issues des sommets de répartition est proposé. Les méthodes et algorithmes développés sont appliqués au cas des systèmes hydrographiques et à la problématique de l'allocation de la ressource en eau associée. Cette dernière est devenue cruciale en raison des effets négatifs de l'anthropisation des espaces naturels, du changement climatique et de l’augmentation des besoins. Il s’agit de partager la ressource en eau entre différents usagers, conformément à un ensemble d’objectifs et de priorités. L'allocation de la ressource en eau est réalisée en trois étapes principales : le diagnostic de l'état de la ressource disponible sur le système hydrographique à l'instant initial, incluant la prévision de son évolution sur l'horizon de gestion ; la détermination des actions à réaliser sur le système hydraulique pour allouer la ressource en respectant les contraintes et les objectifs ; la surveillance des données mesurées fournissant des indicateurs reconstitués de l’état du système. Les performances de la démarche proposée sont évaluées sur divers systèmes hydrographiques soumis à de multiples régimes hydrologiques. / Optimal allocation of the resource, in a large scale system, consists in distributing it and delivering it to the right places, at the right time and in the right quantity. The transported flows are characterized by nonlinearities and are subject to delays during their transfer, but also to significant deformations when the resource is a fluid. In this work, we propose to take into account, all these constraints in the modeling of these systems, for an optimal management of fluid transport. The system is modeled by an expanded flow network in order to represent the evolution of the resource over time and to integrate the delays that are inherent in flow transfers. In order to introduce the flow dynamics of open-channel flows into the graph, we define distribution nodes allowing to model the flow propagation phenomena. The water allocation objectives are represented by costs on the network’s arcs. The optimal allocation of the resource is obtained by the search for the minimal cost flow on the network. To this end, an optimization algorithm taking into account the additional constraints resulting from the distribution nodes is proposed. The methods and algorithms developed, are applied to the case of hydrographic systems and to the water resources management problem. The latter has become crucial due to the negative effects of anthropisation of natural areas, climate change and increasing needs. Water allocation consists in sharing the water resource between different users, according to a combination of objectives and priorities. The allocation of the water resource is carried out in three main steps: the diagnosis of the state of the available resource on the hydrographic system at the initial time step, including the forecast of its evolution over the management horizon; the determination of operations to be carried out on the hydraulic system to allocate the resource according to the constraints and objectives; the monitoring of the measured data in order to provide reconstructed indicators of the system’s state. The performances of the proposed approach are evaluated on various hydrographic systems, subjected to multiple hydrological regimes.

Compte tenu de l’évolution démographique et climatique planétaire, la gestion de la ressource en eau constitue un défi majeur auquel la communauté internationale devra faire face au cours du XXIème siècle. A cet effet, l'identification de la continuité hydrique entre les eaux de surface et les eaux souterraines permet l'introduction de la notion de gestion intégrée de la ressource. L'application de ce principe de gestion au bassin de la Seine, à travers l'estimation des échanges nappe-rivière, est rendue possible par la mise en pratique du concept d'interface nappe-rivière emboitées au sein de travaux de modélisation. Pour cela une procédure de modélisation multi-échelles peut être mise en place. Elle vise à intégrer des informations locales au sein de modélisation à une échelle supérieure. Dans ce mémoire, une procédure de modélisation multi-échelles est mise en œuvre. Ce protocole de modélisation est initié par une estimation des flux d'eau régionaux au sein de l'hydrosystème Seine. La cohérence globale de ces flux est garantie par le développement d'une méthodologie de calibration de modèles couplés en deux étapes. Ensuite les informations locales, que sont les hétérogénéités de la plaine alluviale de la Bassée et de la représentation des interfaces nappe-rivière du réseau secondaire, sont intégrées au modèle régional par une procédure de modélisation emboitée et de changement d'échelle des paramètres hydrauliques. La mise en place de cette procédure a finalement permis l'estimation fine des échanges nappe-rivière sur la quasi-totalité (83%) du réseau hydrographique naturel du bassin de la Seine et ainsi de répondre aux recommandations de gestion intégrée de la ressource faites par la directive cadre sur l'eau. / Given the current climate and anthropogenic evolutions, water management becomes one of the greatest challenges of the 21st Century. For that purpose, by identifying hydraulic continuity between surface and subsurface water, the concept of integrated water management can be introduced. In this work this management concept is applied on the Seine basin by quantizing hydrological processes occuring at the nested stream-aquifer interface. The implementatin of the nested interface concept can bedone through multi-scale modeling. This modelling procedure, aimed at embody the local characteristics of the interfaces (such as structural or hydrodynamic heterogeneities) in large scale models. A multi-scale modelling procedures is applied to the regional Seine basin model (70000 km²) in order, to study the hydrodynamic behaviour of the Bassée alluvial plain, and to quantify the stream-aquifer exchanged fluxes at the basin scale. The modelling protocol is initiated with regionals fluxes estimation over Seine hydrosystem. Regional fluxes consistency are assured by a two-step calibration procedure of fully coupled models. Then, the local characteristics of the Bassée alluvial plain, are implemented in the regional model by nested modelling methodology associated with upscaling procedure of hydraulics properties. Finally, the multi-scale modelling procedure lead to quantify distributed stream-aquifer exchanged water fluxes over 83% of the natural river network of the Seine basin, and thus, achieve to answer the integrated water resources management recommandations of the water framework directive.