SMHI:s hydrologiska prognos- och varningstjänst använder sig av meteorologiska ensembleprognoser som indata i hydrologiska modeller. De hydrologiskaensembleprognoserna tar därmed hänsyn till framtida osäkerhet i temperatur och nederbördoch används som underlag vid utfärdandet av risker och varningar för höga flöden. För närvarande beaktas dock inte osäkerheten i modellens starttillstånd, vilket består av de tillståndsvariabler i modellen som beskriver bland annat markvattenhalt och snötäcke. I dennastudie undersöktes hur starttillståndet i den hydrologiska modellen HYPE inverkar på prognoser i syfte att kvantifiera osäkerheten och på sikt möjliggöra säkrare prognoser.Studien hade tre mål: 1) Ta fram ett förslag på hur starttillståndet kan varieras för att ge en god uppskattning av prognososäkerheten relaterat till det hydrologiska starttillståndet. 2) Undersöka sambandet mellan starttillståndens spridning och det hydrologiska prognosfelet. 3) Analysera hur årstider, avrinningsområdens area, sjöprocent, skogsprocent och höjd över havet inverkar på prognososäkerheten. En central hypotes var att mindre skillnad mellan starttillståndets vattenföring och den observerade vattenföringen vid prognosstart resulterar i mer träffsäkra prognoser. Studien begränsades av att starttillstånden endast genererades med hjälp av störningar i drivdata.Indata till HYPE-modellen var femton temperatur- och nederbördsserier som manipulerats i syfte att skapa en ensemble av olika starttillstånd. Denna ensemble användes sedan för att göra vattenföringsprognoser med observerad temperatur och nederbörd som drivdata. Studien omfattade 76 avrinningsområden från hela Sverige med data för perioden 1999-2008. Prognoser utfördes varje dygn och ensemblespridningen utvärderades 2, 4 och 10 dygn in i prognosen. Samma utvärderingar utfördes även på autoregressiva prognoser, vilket innebär att modellerad rättas utefter observerad vattenföring.Resultaten indikerade ett samband mellan ensemblespridning och prognosfel, vilket innebär att spridning kan användas som ett mått på starttillståndets osäkerhet. Prognosfelet korrelerade positivt med skogsprocent och negativt med avrinningsområdenas area, sjöprocent och höjd över havet. Samma samband uppvisades mellan dessa områdesvariableroch spridning. Spridningen var störst på vintern och våren då normalisering skett med medelvattenföring över tio år, och under vår och sommar då normalisering skett med medelvattenföring per månad. Hypotesen att mindre skillnad mellan starttillståndets vattenföring och den observerade vattenföringen vid prognosstart resulterar i mer träffsäkraprognoser bekräftades av resultaten. Implementering av en ensemble av olika starttillstånd i operationella prognoser vid SMHIs hydrologiska prognos- och varningstjänst föreslås i syfte att kvantifiera osäkerheten och därigenom utöka bedömningsunderlaget vid utfärdande av risker och varningar. / The Hydrological Forecast and Warning Service of The Swedish Meteorological and Hydrological Institute (SMHI) use meteorological ensemble forecasts as input in hydrological models. The hydrological ensemble forecasts take the uncertainty of future temperature and precipitation into account and serve as the basis of issued risks and warnings of high flows. Currently not considered is the uncertainty of the initial state, which consists of state variables in the model describing for instance soil water content and snow pack. This study assessed the impact of the initial state on forecasts in the hydrological model HYPE aiming to quantify the uncertainty and eventually enable more accurate forecasts.There were three aims of this study : 1) Evaluate a suggestion about how the initial state can be varied to give a good estimation of forecast uncertainty related to the hydrological initial state. 2) Examine the relationship between the spread of initial states and the hydrological forecast error. 3) Analyze the impact of seasons, catchment area, lake percentage, forest percentage and elevation on forecast uncertainty. A central hypothesis was that a smaller difference between the discharge of the initial state and the observed discharge results in more accurate forecasts. A restriction of the study was that the initial states only could be generated by disturbances of forcing data in before the forecast.Input data to the HYPE model were fifteen temperature and precipitation series, manipulated to generate an ensemble of different initial states. This ensemble was then used to make discharge forecasts with observed temperature and precipitation as forcing data. The study was performed on 76 catchments all over Sweden with data from the time period 1999-2008. Forecasts were made every day and the ensemble spread was evaluated 2, 4 and 10 days into the forecast. Autoregressive forecasts where the modelled discharge is corrected after the observed discharge were executed and evaluated as well. The results indicated a relationship between ensemble spread and forecast error, which implies that the spread can be used as a measure of the uncertainty of the initial state. The forecast error and ensemble spread correlated positively to forest percentage and negatively to catchment area, lake percentage and elevation. The same trend was detected between spread and catchment characteristics. The spread was biggest in winter and spring when normalization was made with mean discharge for the ten-year period and in spring and summer when normalization was done with mean discharge per month. The hypothesis that a smaller difference between the discharge of the initial state and the observed discharge results in more accurate forecasts was confirmed by the results. An implementation of an ensemble of different initial states in operational forecasts at SMHI’s Hydrological Forecast and Warning Service is suggested in order to further quantify the uncertainty of hydrological forecasts, and thereby improve the basis of judgment when issuing risks and warnings.

With continued warming regional surface air temperatures around the Artic in recent decades, there is growing importance in understanding how ice sheet dynamics interact with a shifting global climate system. This research investigates the spatial variability of sub-glacial hydrology under land terminating ice sheets in Western GrIS, when applying varying overburden ice pressures within Shreve’s (1972) hydraulic potential equation. The application of ArcGIS is used with adjusted k-values in the equation to route hydrological network systems under the ice sheet and help identify the processes taking place within the sub-glacial system. With focus on processes such as water piracy, we are able illustrate the effects that water at the base can have on ice sheet behaviors. i.e. velocity and mas balance. The findings conclude that the ice sheet is operating under conditions at its base with a k-value somewhere within the range of 0.9 to 1.1. This assumption is based on comparisons between modelled pro-glacial output with observed data taken from studies by Mikkelsen et al. (2014) and Smith et al. (2015), using input melt data at the surface (Lindback et. al., 2015). At this level of hydraulic potential, water piracy is effectively changing the course pathways of the hydrological network and therefore manipulating the size and shape of the sub-glacial catchments. As a result, discharge may leave the glacier from a different location than what would be assumed. Identifying the location and volume of water under particular ice sheets, compared to neighboring ice sheets, can be used to explain spatial and temporal differences in ice sheet characteristics. Such research is important in understanding both environmental and socio-economic implications at local to global scale. Although the application of GIS methodology is extremely useful is producing such results, it must be recognised that a high level of uncertainty and error exists in the data results. / Temperatur kan ha en särskilt stark inverkan på hur istäcken (glaciärer) beter sig. Även om det är väl känt att temperaturerna ökar både globalt och runt Arktis så har vi bara börjat förstå vikten av effekten av detta på glaciärer. Med ökande temperaturer har vi börjat se att en ökad avsmältning och en ökad mängd smältvatten i glaciala system kan ändra sättet en ismassa beter sig. Ett exempel på en sådan förändring är en ökad hastighet som ismassan rör sig i eftersom vatten fungerar som ett glidmedel mellan glaciären och den underliggande marken. Var vattnet finns under isen påverkar var istäcket rör sig. Man tror att en ökning i hastighet vid vissa delar av istäcket kan ledda till att det tunnas ut. Med tiden lämnar en allt större mängd vatten systemet vilket bidrar till mindre, retirerande glaciärer och en höjning av den globala havsytenivån då vattnet via vattendrag till slut rinner ut i havet. I den här studien användes ett kartläggningsprogram, Geografiskt Informationssystem (GIS), för att förutsäga var flodsystem under isen befinner sig. Detta kartläggningsprogram används eftersom dessa regioner inte är tillgängliga för observationer i fält. Tjockleken på istäcket som ligger ovanpå flodsystemet utövar ett tryck på vattnet och gör att det kan flöda emot gravitationen och i riktningar och med hastigheter som inte är typiska för flodsystem i varmare klimat. Denna process kallas vattenavlänkning. I denna studie används en ekvation i GIS för att variera trycket från det ovanliggande istäcket. Genom att ändra detta ändras hur stor vattenavlänkningen blir och därför även vilken väg vattnet tar under isen. Denna teknik tillåter oss att se vilken väg vattnet tar från att det kommer in i systemet vid toppen av istäcket till var det lämnar systemet genom vattendrag nedströms. Genom att veta var vattnet befinner sig kan man utröna varför isen rör sig annorlunda gentemot omkringliggande istäcken, och därför också dess påverkan på omgivande miljö såväl som sociala konsekvenser. Även om detta är en väldigt användbar metod för att kartlägga kanalsystem så finns det osäkerheter, till exempel i hur resultatet stämmer överens med verkliga scenarion. Så även om detta är användbart för att förstå teorin bakom processerna så är resultatet kanske inte helt tillförlitligt.

La dernière décennie a vu l'émergence de la prévision probabiliste de débits en tant qu'approche plus adaptée pour l'anticipation des risques et la mise en vigilance pour lasécurité des personnes et des biens. Cependant, au delà du gain en sécurité, la valeur ajoutée de l'information probabiliste se traduit également en gains économiques ou en une gestion optimale de la ressource en eau disponible pour les activités économiques qui en dépendent. Dans la chaîne de prévision de débits, l'incertitude des modèles météorologiques de prévision de pluies joue un rôle important. Pour pouvoir aller au-delà des limites de prévisibilité classiques, les services météorologiques font appel aux systèmes de prévision d'ensemble,générés sur la base de variations imposées dans les conditions initiales des modèlesnumériques et de variations stochastiques de leur paramétrisation. Des scénarioséquiprobables de l'évolution de l'atmosphère pour des horizons de prévision pouvant aller jusqu'à 10-15 jours sont ainsi proposés. L'intégration des prévisions météorologiques d'ensemble dans la chaîne de prévision hydrologique se présente comme une approche séduisante pour produire des prévisions probabilistes de débits et quantifier l'incertitude prédictive totale en hydrologie. / The last decade has seen the emergence of streamflow probabilistic forecasting as the most suitable approach to anticipate risks and provide warnings for public safety and property protection. However, beyond the gains in security, the added‐value of probabilistic information also translates into economic benefits or an optimal management of water resources for economic activities that depend on it.In streamflow forecasting, the uncertainty associated with rainfall predictions from numerical weather prediction models plays an important role. To go beyond the limits of classical predictability, meteorological services developed ensemble prediction systems, which are generated on the basis of perturbations of the initial conditions of the models and stochastic variations in their parameterization. Equally probable scenarios of the evolution of the atmosphere are proposed for forecasting horizons up to 10‐15 days.The integration of weather ensemble predictions in the hydrological forecasting chain is an interesting approach to produce probabilistic streamflow forecasts and quantify the total predictive uncertainty in hydrology. Last and final summary in the thesis.

L'étude des impacts du changement climatique demande souvent de mettre en place de longues chaînes de modélisation. Du modèle qui servira à estimer les concentrations futures en gaz à effet de serre jusqu'au modèle d'impact. Tout au long de cette chaîne de modélisation, les sources d'incertitudes s'accumulent et compliquent l'exploitation des résultats pour l'élaboration de stratégies d'adaptation. Il est proposé ici d'évaluer les impacts du changement climatique sur le cycle hydrologique en France ainsi que les incertitudes qui y sont associées. La contribution de chacune des sources d'incertitudes n'est pas abordée, principalement celle associée aux scénarios d'émission de gaz à effet de serre, aux modèles climatiques et à la variabilité interne. Nous proposons dans ce travail une approche pour évaluer la transférabilité dans un climat futur de la méthode statistique de régionalisation des simulations climatiques. La vérification de l'hypothèse de transférabilité effectuée est l'une des principales sources d'incertitudes des méthodes statistiques de régionalisation. L'évaluation proposée ici s'appuie sur l'utilisation de modèles régionaux, dans un cadre dit de modèle parfait, et permet de montrer que l'utilisation de certain prédicteurs s'avèrent utile à assurer la transférabilité de la méthode de régionalisation dans un climat futur. Cette approche proposée pour une méthode de désagrégation statistique est également applicable à des méthodes de correction des biais des modèles régionaux. Les récentes réanalyses atmosphériques sur l'ensemble du XXème siècle, régionalisées avec la méthode développée dans ce travail, et associées aux observations de température et précipitations permettent de caractériser le cycle hydrologique en France. Elles permettent notamment de montrer que la variabilité multi-décennale des débits observés pendant le XXème siècle est généralisée à l'ensemble du pays et est liée à la variabilité des conditions atmosphériques. Cette variabilité multi-décennale des débits est généralement plus faible dans les simulations hydrologiques réalisées avec les simulations historiques des modèles climatiques. Les projections climatiques ont été régionalisées avec la méthode développée dans ce travail. La température sur l'ensemble du pays, en moyenne sur les modèles climatiques, augmente jusqu'à 3,5°C en hiver et 6,5°C en été d'ici la fin du siècle. Les précipitations vont diminuer sur l'ensemble du pays en été, de presque moitié sur le sud du pays pour le scénario le plus sévère. En hiver, elles augmentent sur la moitié nord du pays et diminuent légèrement sur la partie sud. Dès les prochaines décennies, la diminution des précipitations est importante en été, l'évolution est moins marquée pour les autres saisons. Enfin, les résultats des projections hydrologiques réalisées avec un modèle hydrologique et un ensemble de modèles climatiques sont présentés pour les prochaines décennies et également pour la fin du XXIème siècle. Sur la Seine, les résultats sont différents en hiver de ceux présentés dans de précédentes études. Ici, les précipitations et les débits augmentent en hiver et diminuent en été sur ce bassin versant. Ailleurs en France, les résultats convergent avec les études précédentes, à savoir une augmentation de l'évapotranspiration, une diminution généralisée des débits et un assèchement des sols. L'incertitude due aux modèles climatiques et à la variabilité interne sur les changements relatifs de débits augmente systématiquement pendant le XXIème siècle, jusqu'à atteindre plus de 20% en hiver pour le scénario le plus sévère. Dans les prochaines décennies, l'incertitude due uniquement à la variabilité interne sur les changements de débits est aussi forte que l'incertitude due aux modèles climatiques et à la variabilité interne. Dès les prochaines décennies, les changements de débits annuels sont plus forts sur la Loire, la Garonne et le Rhône que les changements maximaux observés pendant le XXème siècle. / The assessment of the impact of climate change often requires to set up long chains of modeling, from the model to estimate the future concentration of greenhouse gases to the impact model. Throughout the modeling chain, sources of uncertainty accumulate making the exploitation of results for the development of adaptation strategies difficult. It is proposed here to assess impacts of climate change on the hydrological cycle over France and associated uncertainties. The contribution of each sources of uncertainty is not addressed, mainly that associated with greenhouse gases emission scenario, climate models and internal variability. In the context of impacts of climate change on the hydrological cycle over France, it is possible to ask what is the contribution of each sources of uncertainty to the total uncertainty associated with mean changes. Is it possible to reduce, and if so how, the contribution of one source or another ? We propose in this work an approach to assess the transferability in the future climate of a statistical method to downscale climate simulations. The transferability assumption is one the main sources of uncertainty in statistical downscaling method. The assessment suggested here relies on the use of regional climate models, in a perfect model framework, and shows that some predictors are useful to ensure the transferability of the downscaling method in the future climate. This framework, proposed for a statistical downscaling method, is also applicable to bias correction methods in regional climate models. Recent atmospheric reanalyses of the 20th century are downscaled with the method developed in this work, associated with observations of temperature and precipitation. The hydrological cycle over France is characterized with these reconstructions. We show that the multi-decadal variability of observed streamflows during the 20th century is generalized to the whole country and is partly due to atmospheric variability. This multi-decadal variability of streamflows is generally weaker in hydrological simulations done with historical simulations from climate models. The climate projections have been downscaled with the method developed in this work. The temperature on the country, on average over climate models, could increased by 3,5°C in winter and 6,5°C in summer in the course of this century. Precipitations will decrease all over the country in summer, nearly by half on southern part of France for the most severe scenario. In winter, precipitations will increase in the northern part of the country and will decrease slightly in the southern part. In the next few decades, the decrease in precipitation is important in summer, and changes are less pronounced for other seasons. Results of hydrological projections done with one hydrological model and an ensemble of climate models are presented for the coming decades and for the end of the century. On the Seine river, results slightly differ in winter from those presented in previous studies. Here, precipitations and streamflow increase in winter and decrease in summer on that river basin. Elsewhere in France, results are consistent with previous studies, namely an increase in evapotranspiration, a decrease in streamflow and much drier soil. The uncertainty due to both climate models and internal variability on relative changes in streamflows always increase during the 21st century, to over 20% in winter for the most severe scenario. In the coming decades, the uncertainty due to internal variability only on streamflow changes is as strong as the uncertainty due to both climate models and internal variability. In the coming decades, annual streamflow changes of the Loire, Garonne and Rhône rivers are stronger than the maximum changes observed during the 20th century.

The fresh water resources of the world are stressed due to the increasing population. Theclimate change has also affected the water resource availability due to the occurrence offrequent and uneven extreme events such as drought and flash floods. In the context ofPeloponnese, Greece water resource management is an important issue for tourism developmentas well as the water supply for the people in the peninsula. To assess the potential climatechange and to quantify the water resource availability linear regression trend analysis andhydrological modeling has been done in this study. The hydro-climatic data (Temperature,precipitation, evapotranspiration and precipitation surplus) show a decreasing trend when a longstudy period (1951-2008) is considered; however, all the trends are not statistically significantexcept precipitation, actual evapotranspiration and precipitation surplus. Similarly, the case isquite opposite when IPCC standard period (1961-1990) is considered. In this period,precipitation and precipitation surplus is increasing but not statistically significant, whereastemperature and potential evapotranspiration has decreasing and statistically significant trendand actual evapotranspiration is decreasing but not statistically significant. Hence, it cannot beconcluded that the climate has changed in the peninsula with reference to linear regressionanalysis. On the other hand, it should be noted that the water resource availability will decreasein the peninsula if the current trend in the hydro-climatic data continues. Furthermore, a spatialanalysis shows that water availability is less in the eastern part and the coastal area of thepeninsula due to low precipitation and high evapotranspiration. Hence, these areas need to befocused on for the better water resource management and planning. However, the uncertaintiesrelated to data and model should be accounted for in the water resource management andplanning.

L'objectif général de cette thèse est axé sur l’amélioration de modèles agro-hydrologique spatialement distribués pour l’analyse d'agro-hydrosystèmes, sous contrainte de changements climatiques et anthropiques. Cette thèse est structurée autour de trois questions de recherche liées à : i) la représentation de la dynamique spatio-temporelle des systèmes de cultures pour leur utilisation en entrée de modèles agro-hydrologiques distribués ; ii) la représentation du niveau exploitation agricole et des décisions des agriculteurs dans les modèles agro-hydrologiques distribués ; iii) la capacité de ces modèles à simuler des changements climatiques et anthropiquesDes éléments de réponse à ces questions sont apportés par des approches de modélisation réalisées dans différents contextes et à différentes échelles d’espace et de temps. Ces différentes approches sont discutées en les comparant notamment avec d’autres travaux réalisés. Ces différentes études soulèvent la nécessité de développer des méthodologies permettant i) d’une part l’acquisition de données et leur intégration dans les modèles agro-hydrologiques distribués ii) et d’autre part l’amélioration de l’exploitation des simulations, notamment pour les transformer en informations pertinentes et accessibles pour les parties prenantes au niveau d’un territoire. Des perspectives, portant à la fois sur la prise en compte des incertitudes des simulations des modèles agro-hydrologiques et l’analyse de la robustesse de ces modèles, sont également considérées. / The general objective of this thesis is to improve spatially distributed agro-hydrological models for agro-hydrosystems analysis, under climatic and anthropogenic changes, in order to contribute to the identification of levers of action to mitigate effects of non-point source agricultural pollution. This thesis is structured around three research questions related to: i) the representation of spatio-temporal dynamics of cropping systems for their use as input in distributed agro-hydrological models; ii) the representation of farm level and decisions of farmers in distributed agro-hydrological models; and iii) the ability of these models to simulate climate and anthropogenic changes.Elements of response to these questions are provided by modeling approaches carried out in different contexts and at different scales of space and time. These approaches are discussed by comparing them with other works carried out. These different studies raise the need to develop methodologies allowing (i) the acquisition of data and their integration in distributed agro-hydrological models (ii) and, the improvement of the use of simulations results, in particular to transform them into relevant and accessible information for stakeholders at territorial level. Perspectives, covering both uncertainties of the simulations of the agro-hydrological models and the analysis of the robustness of these models, are also considered

La partie centrale de la chaîne himalayenne présente d’importantes hétérogénéités, en particulier en termes de topographie et de climatologie. La caractérisation des processus hydro-climatiques dans cette région est limitée par le manque de descriptif des milieux. La variabilité locale est alors difficilement représentée par les modélisations mises en œuvre à une échelle régionale.L’approche proposée dans ce travail est de caractériser les systèmes hydro-climatiques à l’échelle locale pour réduire les incertitudes liées à l’hétérogénéité du milieu. L’intégration de données localement précises est testée pour la modélisation de bassins versants peu instrumentés et fortement hétérogènes.Deux sous-bassins du bassin de la Dudh Koshi (Népal) sont utilisés comme échantillons représentatifs des milieux de haute et moyenne montagne, hors contribution glaciaire. Le schéma de surface ISBA est appliqué à la simulation des réponses hydrologiques des types de surface décrits à partir d’observations de terrain. Des mesures de propriétés physiques des sols sont intégrées pour préciser la paramétrisation des surfaces dans le modèle. Les données climatiques nécessaires sont interpolées à partir des observations in situ disponibles. Une approche non déterministe est appliquée pour quantifier les incertitudes liées à l’influence de la topographie sur les précipitations, ainsi que leur propagation aux variables simulées. Enfin, les incertitudes liées à la structure des modèles sont évaluées à l’échelle locale à travers la comparaison des paramétrisations et des résultats de simulation obtenus d'une part avec le schéma de surface ISBA, couplé à un module de routage à réservoir et d'autre part avec le modèle hydrologique J2000. / The central part of the Hindukush-Himalaya region presents tremendous heterogeneity, in particular in terms of topography and climatology. The representation of hydro-climatic processes for Himalayan catchments is limited due to a lack of knowledge regarding their hydrological behavior. Local variability is thus difficult to characterize based on modeling studies done at a regional scale. The proposed approach is to characterize hydro-climatic systems at the local scale to reduce uncertainties associated with environmental heterogeneity.The integration of locally reliable data is tested to model sparsely instrumented, highly heterogeneous catchments. Two sub-catchments of the Dudh Koshi River basin (Nepal) are used as representative samples of high and mid-mountain environments, with no glacier contribution. The ISBA surface scheme is applied to simulate hydrological responses of the surfaces that are described based on in-situ observations. Measurements of physical properties of soils are integrated to precise surface parametrization in the model. Necessary climatic data is interpolated based on available in-situ measurements. A non deterministic approach is applied to quantify uncertainties associated with the effect of topography on precipitation and their propagation through the modeling chain. Finally, uncertainties associated with model structure are estimated at the local scale by comparing simulation methods and results obtained on the one hand with the ISBA model, coupled with a reservoir routing module, and on the other hand, with the J2000 hydrological model.

Temporary streams have received undeservedly little scientific attention and as a result their role in hydrological, biogeochemical and ecological processes is not yet fully understood. The ultimate goal of the research was to gain a better understanding of the temporary stream network and the processes that control it and determine how the active and connected stream length change with catchment wetness conditions to find simple methods to map seasonal and event-based changes in temporary flowing stream networks. Streams, springs and wetlands of four relatively small headwater catchments (11.7 – 25.3 km2) and one wetland in the steep and remote Zwäckentobel catchment in Alptal, canton Schwyz (Switzerland), were mapped and stream segments were classified by flow type during different weather conditions using direct observations. The mapping was performed by an elite orienteer with mapping experience. The variation in streamflow was analysed and related to the catchment wetness and topography using the TWI-values and the upslope accumulated area of the stream segments. As the catchments wetted up in response to fall rainfall events after a dry summer the flowing stream density increased up to five times and the connected stream density increased up to six times with a 150-fold increase in discharge. Also the number of flowing stream heads increased up to ten times. The best description of the pattern of stream expansion is a combination of the variable source area and the element threshold concepts, where surface topography, particularly TWI (Topographic Wetness Index) and upslope accumulated area (A), and local storage areas controls where streamflow is initiated and how flow in different stream segments connects. Streams in the Alptal show a seasonally bottom up or disjointed connection pattern. Mapping the temporary streams in steep and remote watersheds as a function of hydrological conditions is not an easy task. It is however necessary in order to fully understand where water is flowing or not. A combination of field observations with monitoring equipment can facilitate this extensive work by providing a more detailed temporal resolution.

L’objectif de cette thèse est de développer, tester et valider des méthodes, techniques et outils permettant de traiter et décomposer les hydrogrammes en temps sec et en temps de pluie, dans le but de comprendre, de représenter et de prédire les dynamiques liées à ces composantes de débits sur des bassins versants urbanisés. Les données en continu de temps sec recueillies sur ces deux bassins versants Chassieu et Ecully ont été traitées à partir de la méthode de traitement des signaux bruités par ondelettes, puis analysées. L’utilisation de ces méthodes et l’analyse des données en continu a permis de mettre en évidence des composantes périodiques intra et inter journalières dans les débits mesurés. Ces composantes ont ensuite été caractérisées puis ont servi de base pour l’élaboration d’une typologie des hydrogrammes de temps sec relatif à chaque site d’étude. Des méthodes, techniques et outils de traitement, d’analyse de séries de données et de calage de modèles pluie-débit ont également été utilisés et deux modèles pluie-débit ont été proposés pour représenter : (i.) la composante liée aux eaux de ruissellement pour les deux sites d’études et (ii.) la composante d’eaux parasites d’infiltration événementielle. La typologie des hydrogrammes de temps sec ainsi que les modèles de production de flux d’eaux en périodes pluvieuses ont été implémentés dans une plate-forme de modélisation hydrologique appelée « Hydrobox ». Les débits simulés ont ensuite été confrontés aux débits mesurés. Les résultats de comparaison montrent l’intérêt de prendre en compte la signature particulière portée par chaque composante dans le but d’améliorer la compréhension et la représentation des dynamiques liées aux processus hydrologiques intervenant sur des bassins versants urbanisés. / The objective of this thesis is to develop, test and validate methods, techniques and tools which can process and decompose hydrographs in order to understand, represent and predict the dynamics associated with these flow components in urbanized watersheds. The development of the methodology is based on rainfall and runoff data including qualitatives measures of the flow rate (conductivity, pH and turbidity) continuously acquired as part of the Field Observatory for Urban Hydrology (OTHU) for two watersheds in Lyon: Django Reinhardt (Chassieu) and Ecully. The continuous data collected in dry weather period from these two watersheds were analyzed using wavelets transforms. These methods combined to signal treatments analysis helped to reveal periodic component in the measured flows. These components were then characterized and used as a basis for developing a typology of hydrographs of dry weather period for each study site. Methods, techniques and tools for processing and analyzing of data sets and calibrating of rainfall-runoff models have been used to propose two models which represent respectively: (i) the component related to the runoff contribution for the two study sites and (ii.) the component related to parasitic water infiltration. The typology of hydrographs for dry weather period, the rainfall-runoff model and the infiltration-inflow model were implemented in a platform for hydrological modeling called “Hydrobox”. The simulated and the measured flow values were then compared. The comparison results show the importance of taking into account the particular signature carried by each component in order to improve the understanding and representing the dynamics related to hydrological processes in urbanized watersheds.

Dans un contexte de variabilité climatique et de multiplication des usages de l'eau, la compréhension et la prévision de la variabilité des débits des cours d'eau est aujourd'hui un enjeu majeur pour améliorer la gestion des ressources en eau à l'échelle des bassins versants. En France, le bassin versant de la Durance (Alpes du Sud), lieu de multiples usages de l'eau (hydroélectricité, agriculture, alimentation en eau potable, loisirs), fait l'objet d'une attention particulière en ce qui concerne les impacts du changement climatique qui pourraient être importants du fait de sa situation géographique et de son régime partiellement nival, et remettre en question les équilibres en place permettant le partage de la ressource. Dans l'optique d'une meilleure anticipation de la variabilité hydrologique d'un bassin versant, bien connaître le passé est une étape fondamentale permettant à la fois une meilleure connaissance du fonctionnement hydrologique du bassin et une mise en perspective des projections hydro-climatiques futures. Cette thèse a pour objectif et résultat principal de faire progresser l'état des connaissances sur la variabilité hydrologique du bassin de la Durance à l'échelle du dernier siècle. Deux axes principaux ont été développés pour remplir cet objectif. Une première étape a été la recherche et la mise au jour d'un ensemble de longues séries hydrométriques concernant la Durance et ses affluents, permettant d'élever à 11 le nombre de séries centenaires de débits journaliers aujourd'hui disponibles sur ce bassin. Les nombreux documents accompagnant les données retrouvées nous ont par ailleurs permis de retracer, pour une partie de ces séries, l'évolution des méthodes utilisées pour les construire. Un processus de simulation des méthodes anciennes à partir de données horaires disponibles sur la période récente nous a permis de quantifier l'incertitude associée à ces méthodes et de mettre en évidence des biais importants causés par celles-ci sur certaines portions de séries. Une méthode de correction a été proposée et appliquée à plusieurs séries. Le deuxième axe de notre travail a consisté en la reconstitution de séries hydrologiques en différents points du bassin. À cette fin, nous avons présenté et appliqué une méthode originale appelée ANATEM de reconstitution de séries climatiques à l'échelle du bassin versant à partir de données climatiques de grande échelle (champs de pressions atmosphériques), combinées à des informations plus régionales (séries de précipitations ou de températures observées). Les séries climatiques ainsi reconstituées ont ensuite été utilisées en entrée d'un modèle hydrologique pour construire des séries de débits. Ce processus nous a permis d'obtenir une vingtaine de séries hydrologiques couvrant la période 1884-2010 sur le bassin de la Durance. La comparaison des reconstitutions hydro-climatiques avec les longues séries de débits observés aujourd'hui disponibles a permis de valider la chaîne de reconstitution sur une période de plus d'un siècle. Les séries observées et reconstituées illustrent finalement la variabilité hydrologique du bassin de la Durance qui se caractérise par une alternance de périodes sèches et humides à l'échelle de la décennie, ainsi que par une légère tendance à la baisse des débits. Ces longues séries de l'hydrologie du passé permettront de mettre en perspective les études prospectives sur les ressources en eau disponibles à l'échelle du siècle prochain. / Understanding and predicting hydrological variability is becoming a major issue to improve water resources management at the watershed scale, as climate variability and multipurpose use of water increase stress on the available resources. In France, the Durance watershed (South part of the Alps) is both characterised by numerous water-related activities such as hydropower, irrigation, water supply, tourism, and by a wide range of meteorological contexts ranging from mountainous to dry Mediterranean watersheds. As a consequence, this watershed appears as very sensitive to observed and projected climate variability, with an impact on water resources sufficient to question the current balance between users. In order to better forecast the Durance watershed hydrological variability, tracing back its past evolution is an essential step. Indeed, historical knowledge provides a better understanding of how the watershed works, and put into perspective hydro meteorological projections for the next century. The main goal of this Ph.D. thesis is then to improve our knowledge of the hydrological variability of the Durance watershed over the last century. Two main themes have been developed.The first step focused on historical research, bringing to light 11 centennial time-series of daily streamflow on the Durance watershed. Those data were quite well documented, allowing us to follow the evolution of the methods used to construct some of those time-series. Based on recent streamflow time-series, a simulation process allowed us to quantify the uncertainty associated to the methods used in the past, and to highlight the significant biases they carried on some periods of time. A correction process was then developed, leading to the partial revision of some of the time-series. A second step involved reconstructing hydrological time-series at different points of the watershed. An original method, called ANATEM, has been introduced and exhaustively applied to rebuild climatological time-series at the watershed scale. This method is based on the use of large scale climatological variables (atmospheric pressure fields) combined with regional scale observations (observed precipitation or air temperature). Those reconstructed climatological time-series were then prescribed in a rainfall-runoff model, allowing the computation of hydrological simulations on the 1884-2010 period. The comparison of the simulated data with our 11 centennial observed time series allowed us to validate our hydro-climatological reconstruction chain over more than a century. Finally, the observed and simulated time-series illustrate the climatological and hydrological variability of the Durance watershed. This variability is characterised by the succession of alternatively dry and humid periods lasting for ten to fifteen years, and by a slight trend to streamflow decrease. These long-term hydrological time-series will then put into perspective future investigations on water resources available over the next century.