En dépit de son importance pour les écosystèmes aquatiques, l’origine et les mécanismes de production du carbone organique dissous (COD) sont toujours sujets à discussion. Cette thèse vise à mieux comprendre le rôle joué par l’hydrologie tant sur les mécanismes de production et la location des sources du COD que sur les flux et les processus de transfert du sol vers les cours d’eau. Un suivi haute fréquence des eaux du sol et de rivière a été réalisé sur la totalité d’un cycle hydrologique dans le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan, Observatoire de Recherche en Environnement (ORE) AgrHys). Le COD contenu dans ces eaux a été caractérisé par sa composition isotopique en carbone (δ13C), et ce suivi a été complété par l’analyse de la dynamique de la nappe. L’analyse des variations saisonnières de concentration et de composition du COD révèle l’existence d’un relais dans les sources et les mécanismes de production du COD dans les sols des zones de fond de vallée en phase avec les changements de régime hydrologique du bassin. Ainsi, lors de la période automnale de remontée de la nappe, le compartiment COD présente un caractère faiblement aromatique et une composition isotopique particulière, suggérant une origine microbienne. Ce réservoir de très faible taille (5% du flux annuel de COD exporté par le cours d’eau) est entièrement épuisé par les premières crues d’automne. La mise en charge de la nappe en versant conduit à la mobilisation d’un second réservoir de COD caractérisé par une aromaticité élevée et une signature isotopique proche de celle de la matière organique des sols. Ce compartiment correspond au fond humique « ancien » des sols et présente une taille nettement plus important que le premier (90% du flux annuel). Cependant ce compartiment ne se limite pas au COD produit dans sols des zones de bas-fond mais comprend aussi des apports de matières organiques issues des sols de bas de versant. Enfin, le rabattement de la nappe au milieu du printemps marque le début de la période d’assèchement du bassin versant et le retour dans les sols de bas-fond d’un COD faiblement aromatique et isotopiquement similaire à celui observé en automne. En conséquence, la teneur et la composition du COD véhiculé par le cours d’eau varient fortement à l’échelle saisonnière (variabilité temporelle des processus de production du COD). Les horizons superficiels des sols des zones de bas-fond sont la principale source de COD, par lesquels transitent entre 60 et 80% du flux de COD exporté lors des événements de crues. Concernant le réservoir humique, un résultat important est qu’il semble limité dans les sols de bas de versant, alors qu’il semble au contraire illimité dans les sols de bas fond. Au final, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse démontrent le contrôle majeur de la dynamique de la nappe sur les mécanismes de production de COD par le sol ainsi que sur la localisation spatiale et les flux de COD transférés de ces sols vers les cours d’eau à l’échelle de la saison. Ils valident également l’hypothèse émise selon laquelle l’exportation du COD par les cours d’eau ne résulterait pas d’un simple « flushing » du COD produit dans les sols de bas-fond mais mobiliserait plutôt un ensemble de sources localisées le long du continuum rivière-zone de bas-fond-zone de versant, et dont le caractère plus moins limité du réservoir expliquerait les dynamiques des concentrations en COD annuelles observées à l’exutoire de ces bassins. Un autre résultat majeur de cette thèse est la qualification des isotopes comme outil de traçage des sources et de la dynamique du COD dans les bassins versants. Un point clé de ce travail est la différenciation isotopiques des réservoirs COD des sols de bas-fond et des sols de bas de versant, qui a permis pour la première fois de révéler la participation de l'un et de l’autre au flux exporté à l’exutoire et d’estimer quantitativement leur contribution respective à ce même flux. / Despite its importance to aquatic ecosystems, origin and production mechanisms of dissolved organic carbon (DOC) are still subject to discussion. This thesis aims to better understand the role of hydrology in controlling both DOC production in soils and export by stream waters. High frequency monitoring of soils and streams waters was carried out during an entire hydrological cycle in the Kervidy-Naizin catchment (Morbihan). The DOC was characterized by its stable carbon isotopic composition, and groundwater table dynamic was also analyzed during the same period. The analysis of seasonal variations in both DOC concentration and composition reveals a succession in the sources and mechanisms of production of DOC in soils of valley bottom in line with changes in the hydrological regime of the basin. Thus, during the autumn period of rising water-table, the COD compartment has a low aromatic character and a particular isotopic composition, suggesting a microbial origin. This reservoir of very small size (5% of the annual flux of DOC exported by the stream) is fully exhausted by the first autumn storm events. The increase of water-table in the upland domain leads to the mobilization of a second DOC pool characterized by a high aromaticity and a isotopic signature similar to those of soil organic matter. This compartment corresponds to "old" humic fraction of the soil and has a size much larger than the first (90% of annual flux). However, this compartment includes contributions of DOC from riparian soils and also upland soils. Finally, the water-table drawdown in the middle of spring marks the beginning of the drying period of the catchment and the return to the soil of the “fresh” DOC pool. As a result, concentration and composition of DOC transported by the stream vary greatly across a seasonal scale (temporal variability of production processes DOC). The surface horizons of soils riparian soils are the main source of DOC, which handle between 60 and 80% of stream DOC flux during flood events. An important result is that the DOC pool seems limited in upland soils, while its seems no-limited in riparian soils. Finally, the results obtained in this thesis demonstrate the major control of the dynamics of the water-table on the mechanisms of production of DOC from the soil as well as the spatial location of DOC sources and DOC flux transferred from the soil to stream through the hydrological cycle. They also validate the hypothesis that DOC export by rivers mobilizes rather a set of sources located along the upland-riparian-stream continuum. Another major result of this thesis is the validation of stable carbon isotopes as a tool for tracing sources and dynamics of DOC in the catchment.

Les hydrologues sont questionnés au sujet de l’évolution à moyen et long terme de la ressource en eau. Pour répondre à ces questions, ils ont recours à des modèles hydrologiques. Une quantification des incertitudes associées à leurs projections leur est souvent demandée et pose la question de la robustesse de ces modèles conceptuels, notamment dans le contexte d’un climat en évolution. En effet, l’utilisation d’un modèle dans des conditions différentes de celles où il a été calé repose sur une hypothèse de transférabilité des paramètres, c’est-à-dire la possibilité d’utiliser les paramètres d’un modèle dans des conditions différentes de celles de saconstruction. Nous traitons cette problématique en tentant d’apporter des éléments de réponse aux questions suivantes :• Quel est le niveau de robustesse des modèles hydrologiques conceptuels face à des conditions climatiques variables ?• Quelles sont les causes des situations de manque de robustesse et y a-t-il des façons de s’en prémunir ?Nous y répondons à travers l’étude des performances de modèles conceptuels lors de nombreux tests de transfert temporel de leurs paramètres. Les résultats montrent des corrélations entre les problèmes de robustesse et les écarts de conditions climatiques entre les périodes de calage et de validation des modèles. Des situations de biais systématiques corrélés à des changements de température de l’air ressortent en particulier de ces analyses. Une hétérogénéité existe cependant sur notre échantillon, les variables climatiques ou le type d’erreurs associées aux problèmes détectés pouvant varier d’un bassin à un autre.L’étude des biais de simulation sur les bassins où les modèles ne sont pas robustes montre des alternances de phases de sous-estimation et surestimation des débits, le biais sur le module décennal pouvant atteindre 20%. Nos travaux révèlent que des comportements très similaires sont obtenus pour diverses périodes et méthodes de calage. Pour les modèles conceptuels utilisés dans ces travaux, les problèmes de robustesse détectés ne résultent pas simplement de quelques "mauvais" calages conduisant à la sélection de paramètres inadaptés pour reproduire le comportement du bassin considéré. Ils semblent plutôt découler de difficultés générales de ces outils de modélisation à reproduire convenablement les bilans moyens de façon simultanée sur différentes périodes.Ces travaux ouvrent des pistes de réflexion sur la capacité insuffisante de certains modèles hydrologiques conceptuels à reproduire des dynamiques basse fréquence et sur le rôle des erreurs d’estimation des forçages, notamment les variations temporelles de l’évapotranspiration, dans les situations de modélisation incorrecte. / Hydrologists are asked to estimate the medium- and long-term evolutions of water resources. To answer these questions, they commonly use conceptual models. In addition, they are often required to provide an estimate of the uncertainties associated with model projections. This raises the question of the robustness of conceptual models, especially in the context of climate evolution. Indeed, using a model in conditions different from those of calibration is based on the hypothesis of parameter transferability, i.e. the possibility to use model parameters in conditions different from those used for the model set-up. We focus on this issue with the aim of answering the following questions:• What is the robustness level of conceptual hydrological models in the context of changing climatic conditions?• What are the causes for the lack of robustness, and are there ways to prevent it?We answer these questions by studying the performance of conceptual models through multiple tests of temporal transfer of their parameters. Results show the existence of correlations between the robustness problems and the difference in climate conditions between model calibration and validation periods. The analysis especially points out the situations of systematic bias correlated to differences in air temperature. However, results are heterogeneous in our catchment set, and climate variables or error type associated with the identified problems vary between catchments.The analysis of simulation biases on catchments where the models are not robust shows alternating phases of flow under- or overestimation, with a possible bias in the mean flow up to 20% over a ten-year period.Our work reveals that very similar results can be obtained for various periods or calibration methods. The robustness issues faced by conceptual models used in this study do not solely stem from inadequate calibrations leading to the selection of parameters unable reproduce the catchment behavior. They seem to be the consequence of overall difficulties for models to satisfactorily simulate water balances simultaneously on various periods.This work opens reflections on the limited capacity of some hydrological models to reproduce low-frequency dynamics and raises questions on the role of inputs estimates errors in model failures, especially the temporal variations of evapotranspiration.

The aim of this thesis is to devise a method for objective classification of floodplain based on spatially accurate data from UAV that allows identification of the fundamental features of floodplain and channel arising from or affecting by the floods activities. Background research is focused on floodplain forming processes; types of flood on our territory and its geomorphological effects, as well as a brief description unmanned aerial vehicle and their applicability in natural science and the flood. Proposed method was carried out on the test section - a part of meander of Javoří stream in Šumava Mountain - then was tested on complex meander belt of the same stream. Proposed method is based on applicability of standard objective classification. Elementary products from photogrammetric analysis - 2D orthophoto and 3D digital surface model - are used as basic input data. Another aim of theses is to discuss applicability of this method for assessment of fluvial form, its limits and potential development. The results indicated that success of classification will increase significantly the involvement of 3D data to classification, which from standard data from the UAV, despite the lack of absence multispectral bands doing a very valuable source of information for mapping and analysis, for example, the...

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Dans certains petits bassins versants de montagne, des évènements de pluie extrême peuvent engendrer de forts exports sédimentaires. Ce volume important de sédiment peut avoir un impact sur la gestion des ouvrages hydrauliques à l’aval de ces bassins. Aujourd’hui, pour représenter les processus d’érosion à l’échelle du bassin versant, des modèles conceptuels distribués sont majoritairement utilisés (CASC2D, SHETRAN, DWSM). Ces modèles sont basés sur des formules d’érosion globales et sont validés pour des maillages grossiers (> 30 m). D’un autre côté, il existe des modèles capables de représenter finement des processus d’érosion gravitaire, par des écoulements multiphasiques, principalement utilisés sur des cas à petite échelle. Ce travail de thèse propose le développement d’un modèle à base physique capable de représenter à la fois les transferts hydrauliques et l’hydrologie des bassins versants, les processus d’érosion gravitaire et de reprise/dépôt des sédiments dans le réseau hydraulique. Cela permettra de quantifier l’export sédimentaire à l’exutoire d’un bassin pour des tempêtes extrêmes, d’identifier des zones de fortes productions sédimentaires et des dynamiques de stockage des sédiments dans le réseau hydraulique afin d’aider à la gestion des bassins versants. Il s’agit dans un premier temps d’évaluer la résolution des équations de Saint-Venant pour du ruissellement avec des faibles hauteurs d’eau sur des fortes pentes. Pour diagnostiquer les différents schémas numériques que l’on peut trouver dans la littérature, un cas test, disposant d’une solution analytique des équations de Saint-Venant, représentant, un canal rectiligne sur lequel tombe une pluie constante est utilisé. Ce cas test comporte une zone sèche à l’amont et permet d’évaluer les propriétés clés qu’un schéma doit comporter pour représenter le ruissellement sur un bassin versant, à savoir la positivité des hauteurs d’eau, la transition entre zones sèches et mouillées, l’équilibre du lac au repos et la non limitation de la pente. Le schéma de Chen et Noelle (2017) est finalement choisi. Ensuite, avec l’ajout d’une loi d’infiltration de type Green-Ampt (1911), le modèle sera évalué dans sa capacité à représenter les hydrogrammes en sortie, mais surtout les vitesses locales d’écoulement sur des bassins versants réels. Pour cela, on évalue la part d’erreur provenant de la résolution numérique et de la modélisation physique du frottement de l’eau sur le fond au travers de quatre cas expérimentaux de l’échelle du laboratoire à un bassin de 1 km².Un modèle d’érosion gravitaire, basé sur les critères de détachement et de dépôt de Takahashi (2009), est couplé au modèle d’hydraulique global par une équation d’évolution du fond. L’évolution du stock de sédiment dans le réseau hydraulique est modélisée à l’aide d’une équation d’advection représentant les sédiments en suspension dans l’écoulement. Les lois classiques de dépôts de d’érosion de Krone et Parthéniades sont utilisées pour la reprise dépôt des sédiments dans le réseau.Le modèle d’érosion est ensuite validé sur le bassin versant du Laval (86 ha), instrumenté et surveillé par l’ORE Draix-Bléone, sur plusieurs évènements très érosifs. Le modèle est enfin appliqué à deux bassins non instrumentés mais à enjeu pour EDF, pour une étude de dimensionnement d’ovoïdes dans la vallée de la Durance / In some small mountain catchments, extreme rainfall events can lead to strong sediment exports. This large volume of sediment can have an impact on the management of hydraulic structures downstream these basins. Today, to represent erosion processes on a watershed scale, distributed conceptual models are mainly used (CASC2D, SHETRAN, DWSM). These models are based on global erosion formulas and are validated for coarse mesh sizes (> 30 m). On the other hand, there are models capable of finely representing gravity erosion processes, by multiphase flows, mainly used on small-scale cases. This thesis work proposes the development of a physics-based model capable of representing both hydraulic transfers and watershed hydrology, gravity-driven erosion processes and sediment erosion/deposition in the hydraulic network. This will quantify sediment export at the outlet of a basin for extreme events, identify areas of high sediment production and sediment storage dynamics in the hydraulic network to facilitate watershed management. The first step is to evaluate the resolution of the Saint-Venant equations for run off with low water depths on steep slopes. To diagnose the different numerical schemes that can be found in the literature, a test case, with an analytical solution of the Saint-Venant equations, representing a straight channel on which a constant rain falls is used. This test case includes a dry zone upstream and allows the evaluation of the key properties that a scheme must include to represent runoff over a watershed, such as positive water depths, the transition between dry and wet zones, the balance of the lake at rest and the non-limitation of the slope. The Chen and Noelle (2017) scheme is finally chosen.Then, with the addition of a Green-Ampt infiltration law (1911), the model will be evaluated in its ability to represent output hydrographs, but especially local flow velocities over real watersheds. For this, we evaluate the part of error coming from the numerical resolution and the physical modeling of the friction of the water on the bottom through four experimental cases from the laboratory scale to a basin of 1 km².A gravity erosion model, based on Takahashi's (2009) detachment and deposition criteria, is coupled to the global hydraulic model by a bottom evolution equation. The evolution of the sediment stock in the hydraulic network is modeled using an advection equation representing suspended sediments in the flow. The classic laws of Krone and Parthenades erosion and deposition are used for the recovery sediment deposition in the network.The erosion model is then validated on the Laval watershed (86 ha), instrumented and monitored by the ORE Draix-Bléone, on several very erosive events. Finally, the model is applied to two basins that are not instrumented but are of interest to EDF, for an ovoid dimensioning study in the Durance valley. Translated with www.DeepL.com/Translator

Les ouvrages de biofiltration, systèmes végétalisés conçus pour le stockage, la filtration et éventuellement l’infiltration de l’eau, peuvent contribuer à une meilleure maîtrise du flux polluant associé au ruissellement de voirie. La capacité de ce type de système à réduire les flux de macropolluants, tels que les matières en suspension (MES) et les nutriments, via une amélioration de la qualité de l’eau combinée à une réduction de son volume, est avérée. Cependant, le comportement de micropolluants dans ces systèmes reste relativement peu documenté. Ce travail de thèse s’intéresse donc à la rétention et le devenir de micropolluants dans un système de biofiltration des eaux de voirie. Il s’articule principalement autour du suivi in situ d’un panel diversifié de micropolluants caractéristiques des eaux de voirie (éléments traces métalliques ou ETM, hydrocarbures totaux, hydrocarbures aromatiques polycycliques ou HAP, BPA, alkylphénols, phatalates) et d’indicateurs globaux dans un accotement filtrant et une noue filtrante, situés en bordure d’une route départementale. Ce suivi comporte des mesures débit métriques et de qualité d’eau en continu, un travail d’échantillonnage et d’analyse du ruissellement brut et des eaux traitées par les deux ouvrages (dix-neuf événements pluvieux étudiés au cours d’un an et demi) et un travail d’échantillonnage et d’analyse du sol. Cette démarche est couplée à une caractérisation du substrat filtrant et des matériaux de construction en laboratoire et à une approche de modélisation stochastique pour évaluer le bilan de masse annuel de polluants dans la noue filtrante. Ce suivi démontre la capacité de la biofiltration à réduire de façon significative les concentrations totales en micropolluants à l’échelle de l’événement pluvial. Le traitement est particulièrement efficace pour les contaminants associés majoritairement aux MES, tels que le Zn, le Pb et les HAP pour lesquels la réduction médiane des concentrations événementielles (EC50) est supérieure à 90% dans les deux ouvrages. Pour le Cu, le Cr, le Ni et l’OP, les EC50 sont bonnes, supérieures à 70%. L’efficacité est moindre et plus variable pour les autres micropolluants organiques. Trois événements, caractérisés par une performance dégradée vis-à-vis des MES et des polluants particulaires, ont néanmoins été observés lors de l’application du sel de déverglaçage en hiver. La nature des particules indique que ce comportement soit dû à une mauvaise filtration de particules issues de la route, probablement liée à l’abondance exceptionnelle de particules fines (<10 µm) dans les eaux de voirie pendant cette période, combiné à une fissuration du substrat filtrant, menant à des écoulements préférentiels. La rétention de la phase dissoute des micropolluants est généralement moins efficace que celle de la phase particulaire ; des concentrations élevées ont notamment été observées pour certains micropolluants dissous (BPA, alkylphénols, phtalates) en sortie de la noue filtrante pendant les premiers mois de fonctionnement. Le transport des ETM dissous semble être facilité par leur association avec le carbone organique dissous ; ils sont aussi susceptibles d’être lixiviés à partir du sol contaminé ou des particules issues de la route. La rétention des micropolluants organiques dissous est limitée essentiellement par la contamination du substrat filtrant, dont l’origine est soit antérieure à son installation dans le biofiltre (cas des HAP), soit liée à des émissions de polluants depuis les matériaux de construction (cas probable pour BPA, OP, NP, DEHP).L’établissement du bilan de masse à l’échelle annuelle montre que l’abattement du flux polluant annuel est plus faible que l’EC50, du fait d’une surverse fréquente de l’ouvrage. Il met aussi en évidence l’ampleur des émissions de certains micropolluants organiques depuis les matériaux de construction de l’ouvrage, qui dépassent largement le flux polluant intercepté au cours de la première année / Biofiltration is a technique based on vegetated systems for the temporary storage, filtration and possible infiltration of runoff water close to the source, which may be used to manage pollutant loads associated with road runoff. The ability of this type of system to reduce loads of macropollutants, such as suspended solids and nutrients, both through the improvement of water quality and the reduction of its volume, has been established previously. However, the behavior of micropollutants in these systems remains relatively uncharacterized. The objective of the present work is to evaluate the retention and fate of micropollutants in a biofiltration system treating road runoff. It is principally focused on the in situ monitoring of a wide range of micropolltuants typical of road runoff (trace metals or TMs, total petroleum hydrocarbons, polycyclic aromatic hydrocarbons or PAHs, alkylphenols, BPA, phtalates) and global water quality parameters in two biofiltration systems located beside a highway: a vegetative filter strip and a biofiltration swale. This work involves continuous flow and water quality measurements, the sampling and analysis of runoff and infiltrated water drained from both systems (nineteen rain events over a year-and-a-half period) as well as the sampling and analysis of soil. These results are combined with a laboratory characterization of the filter media and biofilter construction materials and a stochastic modeling approach used to evaluate the annual mass balance of pollutants in the biofiltration swale. Field results highlight the ability of biofiltration to significantly reduce total concentrations of micropollutants at the event scale. Treatment is particularly effective for contaminants mainly associated with suspended solids, such as Zn, Pb and PAHs, for which median concentration reductions (EC50) exceeded 90% in both systems. EC50 observed for Cu, Cr, Ni and OP are also quite good, exceeding 70%. Treatment efficiency is lower and more variable for the other organic micropollutants. Three events, characterized by a degraded performance with respect to suspended solids and particulate pollutants, were, however, observed during a winter period when deicing salt was applied to road surfaces. Particle characteristics indicate that this behavior was due to the poor filtration of road-originated particles, probably due to an exceptional abundance of fine particles (<10 µm) in the road runoff during this period, in combination with the formation of preferential flows in the filter media due to cracking. The retention of dissolved-phase micropollutants is generally less effective than that of the particulate phase; in particular, elevated dissolved concentrations of several micropollutants (BPA, alkylphenols, phthalates) were observed during the first months of operation of the biofiltration swale. The transport of dissolved TMs appears to be facilitated by their association with dissolved organic carbon. These contaminants may also be leached from contaminated soil and road sediments. The retention of dissolved organic micropollutants is essentially limited by filter media contamination, which predates installation in the biofilter for PAHs and is attributed to pollutant emissions from construction materials for BPA, OP, NP and DEHP.In order to evaluate the systems’s ability to reduce pollutant loads and characterize the fate of pollutants in the filter media, a mass balance is evaluated at the annual scale for a selection of micropollutants. This work reveals that the reduction of pollutant loads is generally lower than the EC50 observed at the event scale due to the frequent overflow of water from the device. It also shows the significance of organic micropollutant emissions from biofiltration swale construction materials, which were much greater than the pollutant loads intercepted over the first year of operation

Ce mémoire de thèse s'intéresse à la production de prévisions hydrologiques probabilistes à court/moyen terme, dans un contexte impliquant plusieurs bassins aux débits plus ou moins corrélés. Notre cas d'étude réel concerne différents affluents du Haut-Rhône français. Le travail a été mené autour de la mise en place d'une chaîne de prévision combinant des approches ensemblistes, à savoir la prévision d'ensemble météorologique et le multi-modèle hydrologique, avec des méthodes de correction statistique. Les approches ensemblistes permettent de générer de manière dynamique une incertitude propre à chaque situation, tandis que les corrections statistiques, appliquées sur les prévisions météorologiques (pré-traitement) et/ou hydrologiques (post-traitement), sont nécessaires pour garantir la fiabilité.Chaque correction statistique, réalisée dans un cadre univarié, entraine la perte de la structure de dépendance spatiale et temporelle des prévisions. Nous nous sommes donc intéressés à son étape de reconstruction, en réalisant un diagnostic des méthodes existantes, notamment le Schaake shuffle et l'ECC. Des adaptations ont été proposées afin d'apporter une réponse aux limites constatées. Dans le cadre du pré-traitement, nous avons cherché à améliorer le conditionnement de la structure de dépendance à la situation météorologique. Pour le post-traitement, notre effort s'est porté sur le respect de l'autocorrélation des débits et le maintien de la fiabilité, notamment lors des phases problématiques de récession. La vérification des prévisions obtenues (météorologiques et hydrologiques) a été menée à l'aide d'outils univariés et multivariés, en portant une attention particulière à la fiabilité, grâce notamment au concept de stratification.Nous avons enfin étudié les interactions entre les différents maillons de notre chaîne de prévision, en comparant plusieurs scénarios où certains maillons seulement étaient activés. Cette expérience a permis de fournir des indications concrètes sur les priorités à mettre en œuvre lors du déploiement ou de l'amélioration d'une chaîne opérationnelle de prévision hydrologique probabiliste. / This dissertation adresses the production of short-to-medium range hydrological forecasts, in a context involving a number of basins with correlated streamflows. Our case study, based on real data, includes several tributaries of the upper Rhone river in France. Work has been conducted on implementing a forecasting chain that combines ensemble approaches, namely meteorological ensemble forecasting and hydrological multi-model, with statistical correction methods. Ensemble methods are able to dynamically generate an uncertainty that is case-specific, while statistical corrections, which are applied to meteorological (pre-processing) and/or hydrological (post-processing) forecasts, are needed to ensure forecast calibration.Each statistical correction, performed in a univariate framework, induces the loss of the spatial and temporal dependence structure of the forecasts. We were therefore interested in reconstructing such structure, first by making a diagnosic study of existing methods, notably the Schaake shuffle and ECC. Adaptations were proposed in order to address the identified caveats. For pre-processing, we aimed at improving the conditioning of the dependence structure on the meteorological situation. For post-processing, our effort focused on ensuring that streamflow forecasts respect the autocorrélation charateristics and preserve a good calibration, especially during the recession phases, which are problematic. Verification of the so-obtained (meteorological and/or hydrological) forecasts was conducted using univariate and multivariate tools, paying particular attention to the forecast calibration, thanks to the concept of stratification.Finally, we studied the interactions between the different modules of our forecasting chain, by comparing scenarios where only some of the modules were activated. This experiment allowed us to provide guidelines relative to the implementation or the upgrade of an operational probabilistic streamflow forecasting chain.

Le satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography), dont le lancement est prévu aux horizons 2020, observera la hauteur d'eau sur les cours d'eau de largeur supérieure à 100 m, avec une répétitivité d'environ 5 jours sur la France, en repassant tous les 21 jours au dessus du même point. Ces données serviront d'une part à valider les modèles hydrologiques, et d'autre part à améliorer leur utilisation pour le suivi hydrologique. La finalité des travaux réalisés est d'assimiler des données SWOT virtuelles de hauteurs d'eau en rivière, en tenant compte de l'incertitude attendue des observations. À partir des produits d'assimilation, l'enjeu final est d'optimiser les valeurs du coefficient de rugosité du lit de la rivière, paramètre déterminant dans les modèles hydrologiques pour la régulation des écoulements. Dans un premier temps, plusieurs développements du modèle hydrométéorologique régional ISBA/MODCOU sont effectués. Les objectifs principaux sont d'introduire la simulation de profondeurs d'eau pour permettre une comparaison simple avec les futurs produits SWOT dans la suite des travaux, mais aussi, de manière plus générale d'améliorer l'hydrodynamique du modèle, en particulier les variations temporelles de vitesse d'écoulement en rivière. La prise en compte d'une vitesse variable des écoulements en rivière permet d'améliorer de façon significative la qualité des simulations, validées sur des stations de mesure in situ localisés sur le réseau de rivières du bassin versant de la Garonne. La comparaison des sorties ISBA/MODCOU avec celles des modèles hydrauliques détaillés sur la Garonne aval montre que le modèle simule plutôt bien les variations temporelles de hauteur d'eau, mais n'est pas capable de renseigner localement de bonnes profondeurs (à cause de la forte hétérogénéité spatiale de la géomorphologie non prise en compte dans ISBA/MODCOU). Après avoir développé et évalué le modèle sur le bassin de la Garonne, la deuxième étape est alors de mettre en place un schéma d'assimilation de données permettant d'assimiler des produits synthétiques SWOT dans le modèle. Le système d'assimilation utilisé repose sur la méthode du " Best Linear Unbiased Estimator " (BLUE). Dans notre cas, les données SWOT virtuelles servent à améliorer un paramètre hydrologique déterminant dans ISBA/MODCOU : le coefficient de rugosité de la rivière. Etant donné que SWOT n'est pas encore en orbite, il est nécessaire de simuler les observations que le satellite fournira. Connaissant son orbite, il est possible de simuler la trace issue des repassages du satellite au dessus du bassin de la Garonne. On peut ainsi déterminer sur un cycle complet de 21 jours quelles rivières seront observées, et à quels instants. Une simulation ISBA/MODCOU de référence a servi pour créer des observations virtuelles. On connaît donc la réalité vers laquelle on souhaite tendre : ce type d'expérience est appelé " expérience jumelle ". Le but est ainsi de partir volontairement d'un état perturbé du modèle, et d'arriver à se rapprocher au cours des cycles d'assimilation vers notre réalité connue. Les résultats montrent que le système d'assimilation permet de converger vers la simulation de référence (± 1 Ks pour le coefficient de rugosité, ± 5 cm pour la hauteur d'eau) sous certaines conditions. La fin des travaux est consacrée à la prise en compte d'erreurs de mesures SWOT plus réalistes (liées à l'instrument embarqué sur le satellite, à la déformation des ondes dans l'atmosphère, etc.), ainsi qu'à l'assimilation de données de hauteurs d'eau issues de modèles hydrauliques détaillés sur la Garonne avale. De plus, étant donné que SWOT n'observera pas des profondeurs en rivières mais des élévations d'eau par rapport à un niveau de référence, l'assimilation de variations temporelles de hauteurs d'eau dans ISBA/MODCOU est testée. / The SWOT (Surface Water and Ocean Topography) mission will provide free water surface elevations, slopes and river widths for rivers wider than 100 m, with a repetitivity of about 5 days and a revisit time of 21 days over France. These data will allow to validate hydrological models and improve them to simulate the water cycle. The final goal is to assimilate virtual water surface elevations measured by SWOT, by taking into account the error of these measurements. By using these products, the goal is to improve the values of the roughness coefficient in a hydrological model. This coefficient is important because river flows are very sensitive to this parameter. First, several developpements are set up in the regional hydrometeorological model ISBA/MODCOU. These model improvements will make possible comparisons with the future SWOT products. The principal objective is to simulate river depths in order to make an easy comparison with the SWOT products in future works. This will also improve the hydrodynamics of the model, in particular the simulation of temporal variations of flow velocities in the river. The representation of a variable flow velocity significantly improves the quality of the simulations which are validated over in situ river gauges located in the Garonne catchment. The comparison of ISBA/MODCOU outputs with those of fine-scale hydraulic models in the downstream Garonne river shows that the temporal river height variations are well simulated, but that it is difficult to simulate locally the river depth (because the high spatial heterogeneity of the geomorphology is not taken into account in ISBA/MODCOU). After the developpement and evaluation of the model in the Garonne catchement, the second step is to build a data assimilation scheme able to assimilate synthetic SWOT data in the model. The data assimilation scheme is based on the " Best Linear Unbiased Estimator " (BLUE). In our case, virtual SWOT data are used to improve an important hydrological parameter in ISBA/MODCOU : the roughness coefficient of the river. Because SWOT is not yet in orbit, it is necessary to simulate future satellite observations. By knowing the orbit, it is possible to simulate the swath and revisit times of the satellite above the Garonne catchment. We can also know over a complete cycle of 21 days which rivers will be observed and when. A reference simulation of ISBA/MODCOU has been run to create virtual observations. In this way, we know the reality to which we want to tender. This kind of experiment is called " twin experiment ". The goal is to start volontary from a pertubed state of the model, and then to converge in the assimilation cycles to the known reality. Results show that the data assimilation system let to converge in the direction of the reference simulation (± 1 Ks for the roughness coefficient, ± 5 cm for the river height). The representation of more realistic SWOT errors is implemented at the end of the work (linked to the instrument on board, the deformation of the waves in the atmosphere, etc.), and also the data assimilation of river heights simulated by fine scale hydraulic models in the downstream Garonne. Furthermore, the assimilation of temporal variations of river depths in ISBA/MODCOU is tested, because SWOT will not observe river depths but surface water elevations above a known reference level.

La modélisation des inondations -- c'est-à-dire la production de cartes synthétiques à partir de méthodes numériques -- est un enjeu primordial dans notre société. L'urbanisation des lits majeurs a en effet multiplié les enjeux, et il est aujourd'hui indispensable, pour la sécurité des populations, d'être capable de prévoir les zones inondées consécutives à un évènement de crue. Si la prévision des débits permet déjà de lancer l'alerte en cas de crue débordante, la détermination précise des zones inondées qui en résultent est encore en développement, diverses approches ayant été proposées afin de fournir des données pertinentes aux gestionnaires de crise.Ce travail de thèse a cherché à développer des outils numériques -- des modèles -- complémentaires aux modèles hydrauliques classiques, limités par le manque de données géométriques précises des lits des rivières. L'objectif de ce travail est de développer une approche applicable sur l'ensemble du territoire avec des données facilement accessibles afin de fournir une vision à grande, moyenne et petite échelle tout en étant adaptable à un contexte de prévision opérationnelle, en se nourrissant par exemple des débits prévus par un modèle hydrologique. Deux méthodes ont ainsi été étudiées : tout d'abord un algorithme conceptuel de répartition des volumes débordés le long du réseau hydrographique, puis une méthodologie plus physique, liant des équations d'hydraulique simplifiée à un modèle conceptuel (HAND) dans le but de créer des relations débit-hauteur débordée à l'échelle du tronçon. Si le premier méthode a finalement montré ses limites, la seconde, baptisée MHYST, a montré un fort potentiel en modélisant correctement jusqu'à 80% de l'évènement débordant de mai-juin 2016 sur le Loing.Ces travaux ont permis de montrer qu'il était possible de simuler des inondations à partir d'une quantité de données restreintes, et par dessus tout, avec des données facilement accessibles, grâce à des méthodologies simplifiées qui partent d'une représentation équivalente des lits de rivières. Si les modèle développés ont permis de répondre aux principaux objectifs de la thèse, certaines questions restent en suspens, notamment en ce qui concerne l'estimation du débit de plein bord, la centralisation de cartes d'inondations observées de qualité ou encore le traitement des situations les plus complexes telles que les crues og éclair fg{} et les zones fortement urbanisées. / Flood modelling has become an essential issue in today's society, due to the expansion of urban areas into the floodplains. It is now necessary, for the safety of people, to be able to forecast the position of inundated zones produced by a flood event. Flood forecasting already exists but it only deals with discharge estimations in order to alert public authorities in case of an overflowing event. The delimitation of inundated areas is still a work in progress, and it need several approaches to provide relevant information to crisis managers.This PhD aims to develop and test a methodology applicable anywhere in France with easily available data, able to provide a large-scale and meso-scale assessment of inundated territories while still being usable in a forecasting context. Two models have been developed : first, a conceptual water spreading algorithm that estimates the overflowing water volume and spreads it along the river network and then a more physical method which computes reach-scale relationships between the discharge and the height above nearest drainage (HAND) from simplified hydraulic equations. If the former has rapidly reached its limits, the latter, called MHYST, has shown a real potential by correctly modelling up to 80% of the inundation extent resulting from the May-June event on the Loing catchment.This work showed that it was possible to generate inundation maps from limited data and, above all, easily available data, thanks to simple conceptual methodologies based on a simplified representation of the river beds. The models developed in this PhD satisfied the objectives of this project, even if some interrogations remain, in particular about the estimation of bankfull discharge, which is still a problematic issue, the production of spatially accurate observations of inundated areas which are used to calibrate and validate inundation models, or the handling of complex situations such as flash floods and heavily urbanised areas.

Les modèles de surface continentale (Land Surface Models, LSM) ont été développés pour calculer les bilans d'eau et d'énergie à la surface des continents dans les modèles de climat, ou modèles de circulation générale. Depuis le simple « bucket » de Manabe (1969), la représentation des processus hydrologiques dans les LSM n'a cessé d'évoluer, si bien que les LSM de dernière génération sont employés comme des modèles hydrologiques à part entière. Le travail effectué au cours de cette thèse vise à évaluer les paramétrisations hydrologiques d'un LSM de ce type, le Catchment LSM (CLSM), qui utilise l'information topographique pour calculer le ruissellement de surface et le flux souterrain, ainsi que la variabilité sous-maille de l'humidité du sol. Pour cela, nous présentons trois applications de CLSM :<br><br>– une application au bassin de la Somme (France) qui a permis d'améliorer la prise en compte des écoulements souterrains,<br>– une application à la moraine du Glacier Zongo (Bolivie) pour analyser la relation entre l'albedo et l'humidité du sol nu,<br>– une application dans le cadre du projet ALMIP (Afrique de l'Ouest) pour l'intercomparaison régionale de LSM.<br><br>La diversité de ces contextes jette un éclairage varié sur les forces et les faiblesses de CLSM, et offre la possibilité de mieux appréhender les interactions complexes qui gouvernent les échanges d'eau et d'énergie à la surface des continents. On montre l'importance de considérer l'intégralité du domaine souterrain, depuis les premiers centimètres du sol jusqu'aux aquifères.