L'ensemble des travaux présentés ici est centré sur la modélisation des hydrosystèmes continentaux comme support de la gestion durable de la ressource en eau. Ils portent sur la compréhension du cycle de l'eau, du fonctionnement des interfaces nappe-rivière, et de l'impact de l'anthropisation sur la qualité des eaux (pratiques agricoles, rejets urbains). Une réflexion transverse sur une meilleure imbrication entre stratégies d'échantillonnage et stratégies de modélisation, et un souci permanent de quantifier les incertitudes liées aux modèles déterministes au moyen de diverses techniques, sont aussi au cœur des travaux présentés. Le premier chapitre s'intéresse aux bases de la modélisation quantitative des hydrosystèmes continentaux. L'utilisation de cartes piézométriques permet de mettre en œuvre des techniques de calibration automatique, via des approches inverses, de modèles simulant les écoulements souterrains. Ce potentiel a été exploité par la conceptualisation d'une méthodologie hybride d'ajustement de mmd (modèle mécaniste distribué) d'hydrosystème. La simulation du bassin de la Loire réalisée avec EauDyssée, couplée à l'utilisation du modèle linéaire de co-régionalisation pour analyser les différentes composantes du cycle de l'eau, mènent à la conclusion que le système aquifère est en légère sur-exploitation. Un retour sur le concept d'hydrosystème continental permet de le structurer explicitement autour de ses interfaces emboîtées. Ce cadre théorique permet alors d'aborder la problématique des échanges nappe-rivière en fonction des échelles d'étude, et d'identifier l'échelle intermédiaire du corridor fluvial comme étant la clé de voûte des emboîtements d'échelles. De plus, ce découpage affiné de l'hydrosystème facilite la réflexion nécessaire à la mise en place de systèmes d'observation multi-échelle du comportement hydrologique des interfaces nappe-rivière. Si les échelles locales et intermédiaires autorisent le déploiement de tels systèmes, une analyse bibliographique approfondie montre qu'il n'en va pas de même de l'échelle régionale, pour laquelle des méthodologies couplant observations et modélisations doivent être développées. Il est alors montré que l'utilisation du modèle résistif couplé à une simulation dynamique des niveaux d'eau en rivière permet de bien simuler les comportements piézométriques à court et moyen termes. Le dernier chapitre démarre par la mise en œuvre du modèle hydrocologique, ProSe, sur le linéaire de la Seine depuis l'amont de Paris jusqu'à l'estuaire. L'étude de l'interaction entre les processus biogéochimiques et les processus hydro-sédimentaires révèle l'importance de ces derniers. L'impact des stocks de vase sur l'oxygénation des eaux de surface est aussi significatif pour les rivières aval. Le rôle joué par les interfaces devient primordial dans les têtes de bassin, où elles contrôlent la qualité de l'eau. Pour le bassin amont du Grand Morin, la modélisation du devenir des nitrates d'origine agricole, a permis de montrer que l'azote était éliminé, dans sa grande majorité, au niveau des interfaces nappe-rivière. Finalement, afin de mieux comprendre le devenir des nitrates dans les grandes rivières, la comparaison de deux cadres cognitifs (interprétation des observations et représentations des processus) a été menée à l'aide du modèle linéaire de co-régionalisation. Appliquée à la Seine, cette approche a permis d'analyser les écarts, entre modèles et mesures, associés soit à des erreurs de forçage du modèle déterministe (conditions aux limites), soit à des erreurs de formalisme des processus physiques ou/et de paramétrisation du modèle.

Cette thèse a pour objet l'étude des couplages électrocinétiques en milieux non-saturés : d'une part les phénomènes d'électrofiltration liés à l'écoulement de l'eau, et d'autre part les couplages sismo-électriques, c'est à dire le champ électrique associé à la propagation d'une onde sismique sur le terrain. Ces couplages existent en raison du mouvement de particules chargées présentes dans l'eau. Le premier axe développé est une approche expérimentale. Des différences de potentiels d'électrofiltration ont été mesurées lors d'expériences de drainage réalisées dans une colonne de sable. Ces mesures combinées aux mesures des conditions hydrodynamiques ont mené aux premiers enregistrements continus de coefficients d'électrofiltration C en fonction de la saturation Sw. Les valeurs de coefficients normalisées ne varient pas de fa¸con monotone avec la saturation Sw. En effet, C augmente lorsque Sw diminue jusqu'à atteindre un maximum pour Sw égale à 65-85%, puis diminue avec la saturation. En outre, les valeurs expérimentales semblent pouvoir dépasser d'un facteur 100 la valeur mesurée à saturation. Ce comportement a été observé de façon similaire lors de trois expériences de drainage. La modélisation de ces signaux constitue le deuxième axe de travail. Une nouvelle expression, intégrant une contribution dynamique liée aux variations temporelles de pression, est proposée. Les résultats illustrent la nécessité d'intégrer cette contribution dynamique pour modéliser les signaux d'une des expériences, particulièrement lorsque C augmente pour Sw =[0. 65-0. 85 ; 1]. La dernière expérience tend à montrer que les conditions d'écoulement, et plus précisément le flux hydrique, pourraient jouer un rôle important dans le comportement de C. Le dernier axe développé est une approche de terrain. Les amplitudes de signaux sismo-électriques ont été étudiées en non-saturé, par la mesure d'un champ électrique Ex et d'un déplacement sismique ux, et comparées au calcul de fonctions de transfert Ex/üx. Une image de saturation du sol a été déduite de l'interprétation conjointe de données radar et de résistivité électrique. Les amplitudes sismo-électriques liées aux arrivées des ondes P et des ondes de surface, traitées indépendamment, ont pu être comparées à la teneur en eau, puis à des mesures de résistances électriques. Les résultats suggèrent que ces amplitudes sont plus faibles en milieu non-saturé. De plus, le traitement des ondes de volume et des ondes de surface a montré que ces dernières doivent être considérées indépendamment.