Th. 3e cycle--Géogr. phys.--Aix-Marseille 2, 1986.

Le changement climatique global participe à la redistribution des ressources en eau à l’échelle de la planète. Les impacts sont particulièrement notables en région de montagne où les gradients de précipitations et de températures sont très importants. Dans les régions tropicales de hautes altitudes, au sein desquelles la variabilité spatiale des précipitations est forte, l’estimation de cette variable sur une large gamme d’échelles d’intérêt pour les climatologues, météorologues et hydrologues est un défi. La modélisation glacio-hydrologique a pour but de comprendre les processus observés actuellement pour avoir la capacité de donner des réponses sur les évolutions possibles des écoulements qui seront causés par un changement climatique et une évolution des activités anthropiques. L’enjeu d’une telle modélisation, en zone de montagne tropicale, est de reproduire non seulement l’évolution saisonnière du débit, mais aussi l’évolution annuelle et pluri-annuelle des zones englacées. Cependant, ce type d’étude reste limité par la régionalisation des variables météorologiques. Durant l’année hydrologique 2012/2013, trois types de produits de précipitations (mesures de terrain, données satellitaires, sorties de modèle climatique régional (MCR)) sont tout d’abord comparés sur le bassin versant du Rio Santa au Pérou, d’un superficie de 10 400 km², dont 3,3 % est englacée, puis l’impact de ces différentes variables de forçage sur les sorties d’un modèle glacio-hydrologiques semi-distribué est évalué.Le produit satellite est celui de TRMM3B42; les sorties du MCR sont celles de WRF, à trois résolutions imbriquées : 27, 9 et 3 km ; les données journalières de précipitations sont interpolées en utilisant un algorithme de krigeage avec dérive externe (KED), en appliquant l’altitude ou bien les cumuls annuels des sorties de WRF comme dérive externe. Les sorties de WRF surestiment fortement les cumuls annuels, comparées aux produits TRMM ou KED. La physique du modèle permet cependant d’avoir un produit qui restitue correctement les cycles temporels saisonnier et journalier des précipitations. Le produit satellitaire TRMM montre des erreurs dans la saisonnalité des précipitations au niveau des pixels englacés, et une surestimation des cumuls en saison sèche, et en fait un produit qui n’est pas représentatif des champs de précipitations en zone de montagne. Les produits de krigeage sont de bons interpolateurs des précipitations à une résolution de 3 km. L’utilisation de l’altitude comme dérive, entraîne une augmentation des précipitations jusqu’aux plus hauts sommets de la Cordillère Blanche ; l’utilisation des cumuls de WRF bénéficie de la prise en compte de la physique atmosphérique du modèle pour correctement représenter les précipitations orographiques. Malgré une forte surestimation des volumes précipités, la modélisation climatique fournit, pour des zones de topographie complexe peu échantillonnées, des informations essentielles sur la temporalité et la distribution spatiale des précipitations. Cependant, les mesures in situ restent essentielles pour estimer les précipitations en termes de quantités et développer des méthodes d’interpolation ou de correction des sorties de modèle atmosphérique.La modélisation glacio-hydrologique est réalisée avec l’outil DHSVM-GDM, incluant une représentation des zones englacées et de la dynamique glaciaire. La force de cet outil est de pouvoir évaluer l’ensemble des composantes du bilan en eau, à différents pas de temps. Cependant, il reste difficile de représenter correctement à la fois les zones glaciaires et les zones non englacés sur un bassin versant tel que celui du Rio Santa. L’utilisation de différentes variables de forçage montre qu’une étude approfondie sur la variable de précipitations est nécessaire en amont de tout modélisation glacio-hydrologique pour simuler les zones de hautes altitudes, impactant les résultats de la modélisation en terme de perte en volume glaciaire. / Global climate change participates in the redistribution of water resources at the global scale. Impacts are particularly important in mountainous regions where precipitation and temperature gradients are important. In high altitude tropical regions, where precipitation spatial variability is significant, the estimation of precipitation over the broad range of scales of interest for climatologists, meteorologists and hydrologists is challenging. Glacio-hydrological modeling aims at understanding current processes in order to have the ability to give answer on possible evolutions of stream flow that will be caused by climatic changes and the development of anthropogenic activities. The issue of such modeling, in a tropical mountain area, is to reproduce not only the evolution of seasonal flow, but the annual and multi-annual evolution of glaciated areas. However, this type of study is limited by the regionalization of meteorological variables. During the hydrological year 2012/2013, three types of precipitation products (in situ data, satellite data, outputs from a regional climate model (RCM)) are first compared over the Rio Santa watershed in Peru, with an area of 10400 km² which 3.3 % is glaciated, then the impacts of those forcing variables on the outputs of a semi-distributed glacio-hydrological model are evaluated.The satellite product is TRMM 3B42 ; RCM outputs are obtained from WRF at three nested resolutions: 27, 9 and 3 km; daily in situ data are interpolated using a kriging with external drift (KED) algorithm, with the altitude or WRF annual amounts as the external drift. WRF outputs largely overestimate the annual totals, compared to TRMM or KED. However, the physics of the model allows to accurately reproduce the seasonal and daily time cycles of precipitation. TRMM performs poorly over ice covered surfaces and overestimate monthly value during the dry season, making it non representative of precipitation patterns in mountainous areas. Kriging products are good interpolators of precipitation at 3 km resolution. Using altitude as the external drift results in an increase of precipitation to the highest peaks of the Cordillera Blanca; using annual totals of WRF benefits from the atmospheric physic of the model to correctly represent orographic precipitation. Despite a strong overestimation of precipitation quantities, climate modeling provides, for sub-sampled complex topographic area, essential information on the temporal and spatial distribution of precipitation. However, in situ measurements remain essential to estimate precipitation in terms of quantities, and develop interpolation or correction methods of atmospheric model outputs.Glacio-hydrological modeling is performed with the DHSVM-GDM model, including the simulation of glaciated areas and of the glacier dynamic. The strength of such model is to assess the overall element of the water balance, at different time steps. However, it remains difficult to properly represent both the glaciated and non-glaciated areas on a watershed such as the Rio Santa. Using various forcing variables show that a comprehensive study on precipitation is needed before any glacio-hydrological modeling to simulate high altitudes area, impacting the modeling results in terms of ice volume loss.

The topic of the thesis is The Hydrology and Oceanography Teaching at Primary Schools. To be specific, the thesis occupies with the creation of the alternative teaching material for teaching Hydrology and Oceanography at primary schools with its utilisation in Geography lessons, Geography seminars, hobby groups and as some inspiration and source of information for teachers as well. The thesis results from the Framework Education Programme for Primary Education, respectively from the educational field ,,Human and Nature?, from opical areas ,,Natural picture of the Earth", ,,Environment? and ,,The Cross Country Geographical Education, Praxis and Application?. The teaching material is divided into a text part, worksheets and worksheets key. Another part of the thesis is also the analysis and evaluation of Geography textbooks designed for Primary Schools according to defined conditions. The evaluated condition is the quality of elaboration of Geomorphology contents and the structure of the textbooks.

L’estimation de l’aléa hydrologique en sites non jaugés présente un enjeu important pour la gestion des risques. La complexité du phénomène réside à la fois dans la nécessité d’avoir une approche multivariée (estimation de caractéristiques multiples des crues : durées, périodes de retour) qui propose une extrapolation raisonnable des événements. SHYREG est une méthode basée sur la simulation de scénarios de crues, qui présente ces avantages. Évaluée lors du projet ANR ExtraFlo, elle présente de bonnes performances en justesse et en stabilité lorsqu'elle est calée sur des données locales de débits. Cette méthode vise à estimer des débits de crue en tout point du territoire. Elle doit donc pouvoir être appliquée en site non jaugés.Le travail de thèse présenté ici se focalise sur le transfert de la méthode vers le non jaugé en s’intéressant aux valeurs des débits simulés mais aussi à leur cohérence. Tout d’abord, une révision du calage a permis de s’assurer de la cohérence des débits simulés le long d’un cours d’eau. Ensuite, l’application d’un large panel de méthodes de régionalisation a permis de déterminer que la régionalisation devait s’appuyer à la fois sur la structure spatiale et sur les caractéristiques physiographiques des bassins. Finalement, une méthode qui régionalise SHYREG simultanément à son calage a été retenue. Une comparaison avec d’autres approches régionalisées a mis en évidence la qualité du modèle développé. / Flood hazard estimation in ungauged sites presents a major challenge for risk management. The complexity of the phenomenon arises from both the need for a multivariate approach (estimation of different flood characteristics: peak flow, volume, duration ...), and for an approach which offers a reasonable extrapolation of extreme events. The SHYREG method is based on the simulation of flood scenarios and presents these benefits. It has been evaluated during the ANR ExtraFlo project. It showed good performance in both accuracy and stability when calibrated against local discharge data. However, weaknesses have been identified when implemented in ungauged sites.The objective of the present thesis is to develop the method in order to improve the SHYREG performances in ungauged sites. Two kinds of modifications were implemented. First, the calibration of the method in gauged sites was reviewed. The main idea was to integrate more data and to take more into account the coherence between simulated discharges in different sites. Then, diverse regionalisation schemes extracted from the scientific literature were considered. Their application demonstrated the necessity to exploit information from nearby sites and the physical properties of the catchments. Finally, a version which realises the regionalisation simultaneously to the calibration has been selected. Its comparison with other method showed the quality of this new version of SHYREG.

Le sud de la France est soumis à des crues éclair engendrées par de fortes précipitations automnales. L'évolution de ces événements avec le changement climatique est un enjeu clef pour cette région à forte dynamique démographique. L'étude de ces évolutions est freinée par la différence d'échelle entre les modélisations hydrologique et climatique. L'objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie capable de réaliser ce changement d'échelles et adaptée aux crues éclair des petits bassins versants au sud de la France. Le bassin versant du Lez est le bassin d'étude. Un modèle climatique régional à haute résolution fournit les précipitations futures sur le bassin d'étude. Les premiers résultats sur la période future suggèrent que l'intensité des crues éclair du bassin versant du Lez est susceptible d'augmenter. Cependant, ces résultats dépendent fortement du choix du modèle climatique et de l'état hydrique du bassin dont les évolutions sont méconnues. / The Mediterranean region of southern France experiences extreme autumn rainfall, sometimes leading to violent flash floods. The evolution of these floods under the influence of climate change is a key question for the Mediterranean region, where a rapidly growing population puts human lives at stake. The difference in scale between the resolution of climate model outputs and hydrological impacts is a challenge for the study of flash floods in a future climate. The goal of this doctoral thesis is to propose a methodology adapted to the study of climate change impacts on flash floods in the small Mediterranean catchments of southern France. The Lez catchment near Montpellier was selected for a case study. Early results suggest that the intensity of flash floods may increase in the Lez catchment in a future climate. However these results are heavily dependent on the choice of the climate model used to simulate changes in precipitation and the evolution of future soil conditions, which were not taken into account in this study.

Le Delta de l'Okavango est un système endorhéique formant un cône alluvial dans la dépression du Kalahari. L'écosystème y est rythmé par une crue annuelle en provenance de l'Angola et entravée par l'escarpement des failles normales du graben de l'Okavango. Ce régime annuel est très variable, car la répartition de la crue annuelle diffère tous les ans. À plus grande échelle temporelle, du millénaire au Ma, l'endorhéisme du Delta peut varier entre des marais (actuel), un mega-lac ou perdre son caractère endorhéique (rivière). Les processus pouvant contrôler ces variations de régime sont 1) l'hydrologie du système, 2) l'activité des failles du graben, 3) l'apport sédimentaire et 4) l'écosystème. Cette étude apporte des contraintes quantifiées éclairant deux de ces processus à travers l'observation de la déformation de la surface terrestre par l'enregistrement de stations GPS permanentes. Le signal observé est annuellement impacté par la charge hydraulique résultant de la saison des pluies, et inter-annuellement par les variations de cette charge, ainsi que l'activité tectonique du graben. Les satellites GRACE fournissent un enregistrement quasi-continu de la variation du stock d'eau continentale, rendant possible la modélisation de la déformation élastique de la surface terrestre sous l'effet de cette charge. Le signal de déformation ainsi modélisé est comparable au signal saisonnier enregistré, validant les données satellitaires GRACE et révélant un important aquifère dans le bassin de l'Okavango. GRACE fournit ainsi un nouveau proxy permettant de suivre l'évolution de l'aquifère, et de valider le modèle hydrologique calibré précédemment pour le bassin. Les variations inter-annuelles d'eau souterraine dans le bassin validées par GRACE confirment le rôle de tampon des variations climatiques joué par l'aquifère sur la modulation des variations climatiques. La phase des variations du stock d'eau met de plus en évidence un effet de seuil dans la recharge de ce stock, en fonction de l'intensité des premières pluies. La faible résolution spatiale des variations du stock d'eau continental fournie par GRACE peut finalement être mieux contrainte par un examen plus détaillé des signaux GPS dans le bassin. Les vitesses de déformation horizontales de part et d'autre du graben révèlent une déformation tectonique faible sur l'ensemble du graben, de 1 mm/an exclusivement décrochante dextre. Une si faible déformation exclut une influence significative de l'activité tectonique et sismique du graben sur la variabilité de la distribution de la crue. Cette déformation observée remet en question le modèle géodynamique admis dans la région, soit une phase précoce de rifting liée à la propagation d'une branche SW du Rift Est-Africain. Un recensement des nombreuses études géophysiques réalisées dans la région dans la dernière décennie et un réexamen de la sismicité de l'Afrique australe n'amène aucune preuve significative de rifting dans le graben de l'Okavango. Un autre modèle géodynamique pour l'Afrique australe est proposé, basé sur l'accommodation lointaine de la déformation associée à l'ouverture à taux différentiels du Rift Est-Africain et le déplacement du craton du Kalahari par rapport au reste de la plaque nubienne. / The Okavango Delta is an endorheic system forming an alluvial fan in the Kalahari depression. The local ecosystem is paced by the annual flood coming from the Angolan highlands, blocked downstream by the normal faults scarps of the Okavango graben. This annual regime is highly variable, with the spatial distribution of the flood differing every year. At the geological time scale, from millenary to mega-annual, the Delta's endorheism can also vary between wetlands (current regime), mega-lake or loose its endorhism to turn into a river. Processes driving these regime variations are 1) the hydrological system, 2) the faulting of the graben, 3) the sedimentary input and 4) the ecosystem. This study brings quantitative constraints regarding two of these processes through the deformation of the Earth's ground surface monitored by permanent GPS stations. The observed signal is impacted seasonally by the hydrological loading resulting from the rainy season, and inter-annually by the variations of the terrestrial water storage, as well as the tectonic activity of the graben. GRACE satellites provide a quasi-continuous record of the variations of the Earth's continental water storage, allowing the modelling of the elastic deformation imposed on the Earth's crust by loading. The resulting modelled deformation signal is well correlated to the observed seasonal signal, hence validating the GRACE data products and revealing a large aquifer in the Okavango basin. GRACE thus provides a new proxy to monitor the evolution of water storage, and to validate more robustly the hydrological model calibrated for the basin. The variations in terrestrial water storage (TWS) in the basin validated by GRACE confirm the buffer effect of the aquifer in the modulation of climatic variations. The phase of the TWS variations moreover highlights a threshold in the recharge of TWS during the rainy season, depending on the intensity of the first rains. Finally, the poor spatial resolution of TWS variations provided by GRACE can be further constrained by a detail examination of the GPS signals in the basin. Horizontal displacements rates across the graben reveal a low tectonic deformation rate, of 1 mm/yr, exclusively along a dextral strike-slip component. Such a low deformation rate excludes a significant influence of the graben faulting on the variability of the flood distribution. The observed deformation calls into question the current geodynamic model for the area, i.e. incipient rifitng due to the propagation of a southwestern branch of the East African Rift System. A review of the numerous geophysical studies in the study area over the last decade, as well as a re-examination of the seismic data in southern Africa does not provide significant evidence for rifting in the Okavango graben. An alternative geodynamic model is proposed, based on the far-field accommodation of the deformation resulting from the differential extension rates in the Rift Valley, and the displacement of the Kalahari craton relative to the Nubian plate.

Land use change and climate variability are the main drivers of watershed hydrological processes. The main objective of this study was to assess the impact of land use change and climate variability on hydrology of the Mara River Basin in East Africa. Land use maps generated from satellite images were analyzed using the intensity analysis approach to determine the patterns, dynamics and intensity of land use change. Changes in measured streamflow caused separately by land use change and climate variability were separated using the catchment water-energy budget based approach of Budyko framework. The information on past impact of climate variability on streamflow was used to develop a runoff sensitivity equation which was then used to predict the future impact of climate change on streamflow. Finally, the impact of agroforestry on watershed water balance was predicted using SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model. Deforestation and expansion of agriculture were found to be dominant and intensive land use changes in the watershed. The deforestation was attributed to illegal encroachment and excision of the forest reserve. The deforested land was mainly converted to small scale agriculture particularly in the headwaters of the watershed. There was intensive conversion of rangeland to largescale mechanized agriculture which accelerated with change of land tenure (privatization). The watershed has a very dynamic land use change as depicted by swap change (simultaneous equal loss and gains of a particular land use/cover) which accounted for more than half of the overall change. This implies that reporting only net change in land use (of MRB) underestimates the total land use change. The results show that streamflow of Nyangores River (a headwater tributary of the Mara River) significantly increased over the last 50 years. Land use change (particularly deforestation) contributed 97.5% of change in streamflow while the rest of the change (2.5%) was caused by climate variability. It was predicted that climate change would cause a moderate 15% increase in streamflow in the next 50 years. SWAT model simulations suggested that implementation of agroforestry in the watershed would reduce surface runoff, mainly due expected improvement of soil infiltration. Baseflow and total water yield would also decrease while evapotranspiration would increase. The changes in baseflow (reduction) and evapotranspiration (increase) were attributed to increased water extraction from the soil and groundwater by trees in agroforestry systems. The impact of agroforestry on water balance (surface runoff, baseflow, water yield and evapotranspiration) was proportional to increase in size of the watershed simulated with agroforestry. Modelling results also suggested that climate variability within the watershed has a profound effect on the change of water balance caused by implementation of agroforestry. It is recommended that authorities should pay more attention to land use change as the main driver of change in watershed hydrology of the basin. More effort should be focused on prevention of further deforestation and agroforestry may be considered as a practical management strategy to reverse/reduce degradation on the deforested parts of the watershed currently under intensive cultivation.

La modélisation du transport réactif dans les milieux poreux implique la simulation de plusieurs processus physico-chimiques : écoulement de phases fluides, transport de chaleur, réactions chimiques entre espèces en phases identiques ou différentes. La résolution du système d'équations qui décrit le problème peut être obtenue par une approche soit totalement couplée soit découplée. Les approches découplées simplifient le système d'équations en décomposant le problème sous-parties plus faciles à gérer. Chacune de ces sous-parties peut être résolue avec des techniques d'intégration appropriées. Les techniques de découplage peuvent être non‑itératives (operator splitting methods) ou itératives (fixed‑point iteration), chacunes ayant des avantages et des inconvénients. Les approches non‑iteratives génèrent une erreur associée à la séparation des sous­-parties couplées, et les approaches itératives peuvent présenter des problèmes de convergence. Dans cette thèse, nous développons un code sous licence libre en langage MATLAB (https://github.com/TReacLab/TReacLab) dédie à la modélisation du la problématique de la carbonatation atmosphérique du béton, dans le cadre du stockage de déchets de moyenne activité et longue vie en couche géologique profonde. Le code propose un ensemble d'approche découplée : classique, comme les approches de fractionnement séquentiel, alternatif ou Strang, et moins classique, comme les approches de fractionnement additif ou par répartition symétrique. En outre, deux approches itératives basées sur une formulation spécifique (SIA CC et SIA TC) ont également été implémentées. Le code été interfacé de manière générique avec différents solveurs de transport (COMSOL, pdepe MATLAB, FVTool, FD scripts) et géochimiques (iPhreeqc, PhreeqcRM). Afin de valider l'implémentations des différentes approches, plusieurs bancs d'essais classiques dans le domaine du transport réactif ont été utilises avec succès. L'erreur associée à la combinaison du fractionnement de l'opérateur et des techniques numériques étant complexe à évaluer, nous explorons les outils mathématiques existants permettant de l'estimer. Enfin, nous structurons le problème de la carbonatation atmosphérique et présentons des simulations préliminaires, en détaillant les problèmes pertinents et les étapes futures à suivre. / Reactive transport modeling in porous media involves the simulation of several physico‑chemical processes: flow of fluid phases, transport of species, heat transport, chemical reactions between species in the same phase or in different phases. The resolution of the system of equations that describes the problem can be obtained by a fully coupled approach or by a decoupled approach. Decoupled approaches can simplify the system of equations by breaking down the problem into smaller parts that are easier to handle. Each of the smaller parts can be solved with suitable integration techniques. The decoupling techniques might be non‑iterative (operator splitting methods) or iterative (fixed‑point iteration), having each its advantages and disadvantages. Non‑iterative approaches have an error associated with the separation of the coupled effects, and iterative approaches might have problems to converge. In this thesis, we develop an open‑source code written in MATLAB (https://github.com/TReacLab/TReacLab) in order to model the problematic of concrete atmospheric carbonation for an intermediate‑level long‑lived nuclear waste package in a deep geological repository. The code uses a decoupled approach. Classical operator splitting approaches, such as sequential, alternating or Strang splitting, and less classical splitting approaches, such as additive or symmetrically weighted splitting, have been implemented. Besides, two iterative approaches based on an specific formulation (SIA CC, and SIA TC) have also been implemented. The code has been interfaced in a generic way with different transport solvers (COMSOL, pdepe MATLAB, FVTool, FD scripts) and geochemical solvers (iPhreeqc, PhreeqcRM). In order to validate the implementation of the different approaches, a series of classical benchmarks in the field of reactive transport have been solved successfully and compared with analytical and external numerical solutions. Since the associated error due to the combination of operator splitting and numerical techniques may be complex to assess, we explore the existing mathematical tools used to evaluate it. Finally, we frame the atmospheric carbonation problem and run preliminary simulations, stating the relevant problems and future steps to follow.

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La thèse est centrée sur l'étude des lacs dans la Cordillère des Andes en Amérique du Sud. Pour améliorer la connaissance des changements climatiques qui ont lieu dans cette région plusieurs études sont réalisées. Au Nord, pour le Lac Poopó en Bolivie une bathymétrie est calculée à partir des données de télédétection. Pour la première fois, il a été possible de calculer la variation du stock d'eau de ce lac éphémère à partir des observations MODIS couplés avec la bathymétrie. Dans la partie centrale du Chili l'étude est concentrée sur une région nommée Los Lagos, occupée par une myriade des petits lacs. Cette région a été choisie pour étudier les performances et les limitations des altimètres nadir. Au sud, à l'intersection avec la Patagonie, l'étude se concentre sur les barrages du glacier Perito Moreno et la modélisation du bassin versant des lacs Argentino et Viedma. Cette thèse s'inscrit aussi dans le cadre des préparations pour la mission Surface Water and Ocean Topography (SWOT). Son objectif était d'étudier la capacité et la précision verticale du masque d'eau restitué par SWOT. Cet objectif est réalisé en combinant la bathymétrie du Lac Poopó et les observations MODIS. Ces informations permettent de générer des scènes théoriques de hauteur d'eau utilisées en entrée du simulateur SWOT développé par le JPL et le CNES. La précision verticale du masque d'eau est comparée aux spécifications théoriques de la mission. / The thesis focuses on lakes in Andean Cordillera in South America. In order to improve the knowledge of climatic changes occurring in this area several studies are made. In the North, for the Lake Poopó in Bolivia a bathymetry is computed from freely available remote sensing data. For the first time the water storage of this ephemeral saline lake can be calculated from direct MODIS observations coupled with bathymetry. In central Chile the study focus on a region called Los Lagos filled with numerous lakes in order to precisely evaluate nadir altimetry potential to study mountainous lakes, and to explore nadir altimetry weakness. On the south at the boundary with Patagonia, the study focuses on Perito Moreno glacier damming events and numerical modelling of Lake Argentino - Viedma basin. The thesis is also included in the preparation of Surface Water and Ocean Topography (SWOT) mission preparation process. The aim is to assess SWOT accuracy on water mask retrieval. This is done by combining high precision bathymetry of Lake Poopó in Bolivia with MODIS observations in order to create multiple realistic scenes processed by the SWOT Simulator. The vertical accuracy of water heights inverted from interferograms is compared to the theoretical mission specifications.