L'impact des eaux souterraines sur le bilan d'eau en surface et sur le climat a récemment fait l'objet de plusieurs études. Dans cette thèse, un schéma d'aquifère simplifiée à été développé dans le système hydrologique continental ISBA-TRIP utilisé au CNRM et évalué sur la France et à l'échelle globale. D'abord implémenté dans le modèle de routage TRIP, ce schéma a permis d'améliorer la comparaison entre les débits simulés et observés. La bonne comparaison des stocks d'eau simulées avec les estimations du satellite GRACE a en outre confirmé la cohérence des nappes d'eau simulées. Le principal effet des aquifères est d'introduire un temps de résidence qui décale et lisse les variables hydrologiques simulées. L'introduction des remontées capillaires de la nappe vers le sol d'ISBA a nécessité l'utilisation de la version explicite et multi-couche du schéma de sol d'ISBA. Son évaluation sur la France et à l'échelle globale a démontré l'intérêt d'une représentation plus physique des processus hydrologiques du sol en améliorant significativement les débits et stocks d'eau simulés. Le principal effet des remontées capillaires est d'augmenter l'évapotranspiration en période sèche. Cette évaluation révèle cependant un manque de dynamisme tendant à sous-estimer les débits moyens annuels et à augmenter la sensibilité d'ISBA à la résolution. Il reste en outre de nombreuses incertitudes. Certaines paramétrisations sont discutables et nécessiteraient sans doute d'être améliorées ou corrigées. L'objectif ultime de ces travaux sera l'introduction du système complet ISBA-TRIP dans le modèle de climat du CNRM afin d'évaluer l'impact des aquifères sur la simulation du climat récent et futur. / The impact of groundwater on surface water budget and climate has recently received increasing attention. In this thesis, a simple groundwater scheme is developed in the continental hydrological system ISBA-TRIP used at Météo France, and evaluated over France and at global scale. This scheme has been first introduced in the TRIP river routing model. It improves the comparison between observed and simulated river discharges. The good comparison between simulated terrestrial water storage and estimates of the GRACE satellite mission confirms the coherence of the simulated water table heads. The main effect of groundwater is to introduce a time lag which shifts and smooths the simulated hydrological variables. The introduction of the capillary rises from the water table to the soil requires the use of the explicit multi-layer scheme soil of ISBA. His evaluation over France demonstrates the relevance of a more physically-based representation of the soil hydrological processes by improving the simulated river discharges and terrestrial water storages. The main effect of capillary rises is to increase the evapotranspiration during dry periods. However, this evaluation point out a lack of dynamism which leads to underestimate the mean annual river discharges and to increase the sensitivity to the resolution. Moreover, numerous uncertainties still remain. Some parameterizations are questionable and would require to be improved. The ultimate objective will be to introduce the fully-coupled ISBA-TRIP system into the CNRM global climate model in order to assess the relevance of groundwater processes for the simulation of both recent and future climates.

Les risques naturels en montagne font l'objet de mesures de prévention, souvent liées à des démarches de prévision. Dans certaines situations, la prévision de la survenue d'évènements liés à ces risques, voire la simple connaissance des processus physiques qui leur est associé, constitue un enjeu scientifique important compte-tenu de la grande complexité et de la forte hétérogénéité de ce milieu. La connaissance des mécanismes de formation des crues rapides sur les petits bassins versants englacés, ainsi que la perspective de leur prévision, est un exemple de ces risques difficilement maitrisables. La diversité des facteurs influençant les débits des rivières, leur complexité individuelle ainsi que celle de la manière dont ils interagissent, la forte variabilité spatio-temporelle des conditions météorologiques de la montagne ainsi que les modifications ayant lieu sur le long terme en raison du changement climatique font que ce phénomène nécessite une étude approfondie mobilisant des compétences pluri-disciplinaires, allant de la mesure de terrain au développement de modèles numériques prenant en compte les divers phénomènes liés à ce risque. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet mis en oeuvre en partenariat avec les collectivités locales oevrant dans la vallée de Chamonix, voué à apporter un appui scientifique à la maitrise de ce risque. Au sein de ce projet, cette thèse porte sur le développement et le déploiement d'un modèle hydrologique prenant en compte la neige et les glaciers. Ce modèle se veut avoir deux objectifs : 1) servir d'outil de recherche permettant par exemple d'exploiter les mesures de terrain réalisées, en les confrontant aux résultats produits par ce modèle, et plus généralement de servir d'outil d'étude et de compréhension du fonctionnement de ce bassin, et 2) servir d'outil d'aide à la prévision des crues, en étant en mesure de fournir une prévision des débits de l'Arve à Chamonix à partir des données de prévision météorologique. L'exploitation des possibilités toujours grandissantes de la modélisation à bases physiques fait également partie des objectifs de cette thèse. En particulier, l'utilisation d'un modèle de neige à bilan d'énergie permettant notamment une représentation détaillée de l'interaction neige-glace a été mise en oeuvre, associée à l'exploitation des nombreuses mesures de terrain pour une évaluation en profondeur des résultats du modèle. Enfin, un déploiement expérimental de ce modèle en prévision a eu lieu à la fin de cette thèse. / Natural hazards in mountain are subject to prevention measures, which often partly rely on a forecasting component. In some situations, forecasting these hazards and understanding their underlying physical processes is a major scientifical issue, considering the great complexity and the strong heterogeneity of these backgrounds. Knowing underlying mechanisms of flash-floods on little catchments with glacier cover, and the perspective to forecast be able to forecast it, is an example of these risks difficult to master. The diversity of contributions to river discharge, their individual complexity and the one of the way they interact, the strong spatio-temporal variability of meteorological conditions of mountain and long-terms modifications occuring due to climate change make that this phenomenon needs to be deeply studied within a plury- disciplinary work, going from terrain measurement to development of computationnal models taking into account the diversity of physical phenomenons relating to this risk. This thesis belongs to a research project conducted in collaboration with local authorities operating in the Chamonix Valley. The goal is to provide a scientific support to help managing this hazard. The role of this thesis in this research project is to develop, test and deploy an hydrologic model taking snow and ice into account. This model is intended to be used as a research tool among other research tools of this projects (terrain measurements for example) and also to be able to help forecasting floods, when being driven by forecast meteorological data. This thesis benefitted from the continuous development of new possibilities from physically-based simulation. We have used an energy-balance multi layer snowpack model that permits a detailled representation of glacier accumulation and melt, and snow-ice interaction. It was possible to perform a multi-criteria evaluation of the model, thanks to the numerous in-situ field measurements in the Arve valley, especially glaciers mass balance measurements. Finally, this model has been deployed and tested as a pre-operationnal forecast tool.

The coast of Aqaba and the Aqaba region (Jordan) were investigated on their hydrogeo-ecosystem. The results of the research were translated into digits to build a geo-spatial data base. The fillings of the graben aquifer receive indirect type of recharge through the side wadis which drain the highlands. Surface water balance was modeled for a period of 20 years of daily climate records using MODBIL program which attributes direct recharge to wet years only. The hydrodynamic fresh water/seawater interface in the coastal zones was investigated by applying vertical geoelectric surveys and models of several methods to confirm its coincidence with the aquifer’s flow amounts, where human impacts in terms of over-pumping allowed more encroachment of seawater into land, and unintended recharge which led to seaward interface migration. A groundwater balance and solute transport were approached by developing a flow model from the hydrogeological and hydrochemical data. The nature of soil cover and aquifer whose physical properties enhance human impacts indicated the vulnerability of groundwater to pollution. This certainly threatens the marine ecology which forms the sink where the in-excess flow ends. The constructed digital background was exported into GIS to sub-zone the study area in terms of the aquifer’s vulnerability to pollution risks using DRASTIC index. However, it was unable to meet all geo-spatial factors that proved to have significant impacts on the vulnerability. Consequently, a comprehensive index -SALUFT- was developed. This suggests the suitable land use units for each zone in the light of vulnerability grades aiming at protecting the available groundwater resources. / Die Küste und die Region von Aqaba (Jordanien) wurde im Hinblick auf ihre Hydrogeo-ökosysteme untersucht. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten wurden in eine digitale Form überführt, um bezüglich der Geofaktoren ein realitätsnahes Abbild der Umgebung zu erzeugen. Der Graben-Aquifer erhält seine Grundwasserneubildung meist indirekt von den Seiten, von denen Wadis ihr Wasser abführen. Die Bilanzierung des Oberflächenwassers wurde aus Tagesklimawerten der letzten 20 Jahre unter Benutzung des Programms MODBIL errechnet. Daraus ergab sich eine Neubildung des Grundwassers nur in feuchten Jahren. Die hydrodynamische Süßwasser-Salzwasser-Mischungsfront im Küstenbereich wurde durch geoelektrische Tiefensondierungen untersucht. Durch Modellierungen mit verschiedenen Methoden wurden Fließgeschwindigkeit und Wassermenge dort mit der des Aquifers in Einklang gebracht, wo durch Überpumpen das Salzwasser weiter ins Landesinnere vordringt. Durch die Entwicklung eines Fließmodells aus den hydrogeologischen und hydrochemischen Daten konnte die Grundwasserbilanzierung und der Stofftransport ermittelt werden. Die Natur des Bodens und des Aquifers, deren physikalische Eigenschaften die Einflüsse durch menschliche Aktivitäten steigern, führt zu einer Anfälligkeit gegenüber Verschmutzung, die die Qualität des Grundwassers verschlechtert. Dies beeinflusst die Ökologie des Meeres, das an den Stellen als Schadstoffsenke dient, an denen die Grundwasserströme enden. Die im Computer erstellte digitale Umgebung wurde dazu genutzt, den Aquifer im Untersuchungsgebiet mit Hilfe von GIS in Zonen unterschiedlicher Verschmutzungs-empfindlichkeit zu unterteilen. Dazu wurde der DRASTIC-Index benutzt. Im Laufe der Untersuchungen zeigte sich allerdings, dass es nicht möglich war, alle Faktoren, die einen signifikanten Einfluss auf das System haben, mit Hilfe dieses Index zu erfassen. Aus diesem Grund wurde der SALUFT-Index entwickelt. Damit wurde es möglich, bezüglich der Verschmutzungsempfindlichkeit für jede Zone die günstigste Art der Landnutzung zu ermitteln, um die verfügbaren Grundwasserressourcen zu schützen.

Ce travail a pour but de déterminer le coefficient d'infiltration et d'expliquer la circulation superficielle et profonde du bassin versant du Bruyant/Cuves de Sassenage/Furon .

La modélisation de la dynamique glaciaire passe par la compréhension et la reproduction des processus physiques responsables des déplacements observés à la surface des glaciers. Certains de ces processus, et en particuliers ceux qui oeuvrent à la base des glaciers, sont moins bien maîtrisés. Ainsi, même si le glissement à la base des glaciers à été observé dès le début du XXe siècle sa modélisation reste un problème actuel. La majorité des modèles de dynamiques glaciaires utilisent des lois de frottement uniquement basées sur la contrainte basale tangentielle pour déterminer les vitesses de glissement. Il est alors nécessaire de faire varier en temps et en espace le paramètre de la loi de frottement pour obtenir un champ de vitesse comparable aux données mesurées. Par ailleurs, de nombreuses études ont montré que la pression et donc le volume d'eau à la base des glaciers jouait un rôle important sur la vitesse de glissement des glaciers. L'objectif de cette thèse est de mettre en place un modèle capable de calculer la pression d'eau à la base des glaciers et de le coupler à un modèle d'écoulement glaciaire par l'intermédiaire d'une loi de frottement. On utilise pour cela une approche utilisant des milieux poreux analogues représentant les deux composantes (inefficace et efficace) du système de drainage. Les expériences de sensibilité présentées montrent que cette méthode permet de reproduire les spécificités d'un système de drainage sous-glaciaire. Enfin, la reproduction qualitative d'un phénomène glaciologique extrême de jökulhlaup (vidange de lac sous-glaciaire) a permis de vérifier la robustesse du modèle.

Le mont Covey Hill constitue une vaste zone de recharge pour l'aquifère rocheux régional et se distingue par l'abondance et la diversité des milieux naturels qu'il abrite. Ces milieux se caractérisent, entre autres, par la présence de plusieurs ruisseaux et résurgences qui servent d'habitats à deux espèces de salamandres susceptibles d'être menacées au Québec. L'alimentation en eau de ces cours d'eau et indirectement de ces sources est en partie assurée par la présence d'une tourbière naturelle située près du sommet de la colline. La capacité de rétention d'une tourbière permet de réduire les pertes d'eau par ruissellement dans les cours d'eau et de limiter les impacts d'une sécheresse estivale sur le réseau hydrique. Sur le mont Covey Hill, une modification de l'équilibre hydrique et écologique de la tourbière pourrait réduire la quantité d'eau qui y est emmagasinée et ainsi déstabiliser l'ensemble de l'écosystème de la colline. Ce projet de recherche a pour objectifs de comprendre la dynamique hydrologique de la tourbière et de définir son rôle dans l'alimentation en eau de la colline et ce, dans un contexte de conservation du milieu. Pour répondre à ces objectifs, le projet de recherche se divise en deux volets: 1) réalisation d'un bilan hydrique spécifique à la tourbière et 2) développement d'un modèle d'écoulement avec MODFLOW-2000 pour approfondir la compréhension du système hydrique tourbière/aquifère. Les deux volets ont pu être réalisés grâce à l'instrumentation permanente en place au Laboratoire naturel de Covey Hill où se trouve la tourbière à l'étude. Les observations hydrologiques montrent que l'apport d'eau provient principalement des précipitations (91-92 %) dont une grande partie retourne vers l'atmosphère sous forme d'évapotranspiration (47-62 %). Les résultats ne montrent pas une contribution significative provenant de l'aquifère à proximité de la tourbière (8-9 %) et aucun apport direct de la tourbière vers l'aquifère n'a été observé. La contribution de la tourbière à l'hydrologie de la colline provient donc principalement de l'écoulement par les ruisseaux exutoires (38-53 %) lequel est alimenté en grande partie par la couche de surface de la tourbière (acrotelme). L'écoulement souterrain actuel a d'abord été simulé sur l'ensemble de la colline afin de quantifier les échanges entre la tourbière, les cours d'eau et l'aquifère et de les comparer avec les résultats du bilan hydrique. Par la suite, deux scénarios de perturbation des dépôts tourbeux ont été simulés en retirant, d'une part, la couche représentant l'acrotelme et d'autre part l'ensemble des couches représentant la tourbière. Des simulations de réduction de la recharge basées sur les prédictions de changement climatique du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GOEC) ont ensuite été appliquées sur les trois scénarios. Ces simulations ont permit de comprendre l'impact des différentes conditions climatiques sur la dynamique de la colline et le rôle de la tourbière dans cette dynamique. Les résultats de la modélisation montrent que 99% des écoulements au sein de la tourbière se produisent dans la couche acrotelme alimentée par les eaux de pluie ainsi que par l'aquifère superficiel environnant. La modélisation permet d'identifier plus précisément la portion de l'aquifère qui contribue à l'alimentation de la tourbière. Dans un contexte de conservation du milieu naturel, cette zone indique le périmètre minimal de protection de la tourbière où toute modification de la recharge et de la qualité de l'eau doit être évitée. Les simulations de perturbation des dépôts tourbeux montrent que l'absence de la couche acrotelme produit un impact majeur sur les échanges aquifère/tourbière et sur la contribution de la tourbière à ses exutoires. Les résultats des simulations de réduction de la recharge montrent cependant l'importance de la capacité de rétention de la couche catotelme de la tourbière sur le maintien de la nappe. Pour une réduction de la recharge de 50% (prévue d'ici 2050) le modèle avec tourbière et sans acrotelme montre un abaissement de la nappe de 38 à 40 m au sommet de la colline et de seulement 6 m en bordure de la tourbière. La réduction de la recharge sur le scénario sans tourbière montre un abaissement de la nappe plus important avec 43 m au sommet de la colline et 10 m en bordure de la tourbière. Ceci montre l'effet de la capacité de rétention de la couche catotelme de la tourbière. La préservation de l'intégralité de la tourbière apparaît donc être essentielle afin d'atténuer l'impact d'éventuelles modifications du climat sur le système hydrologique de la colline et donc sur l'habitat des espèces de salamandres de ruisseaux. Les conclusions de ce projet de recherche permettent de poser les bases scientifiques à partir desquelles pourront s'appuyer les mesures de protection et de gestion du site qui doivent être mises en oeuvre par Conservation de la nature Canada (CNC) afin de maintenir l'intégrité hydrologique et écologique du milieu. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Tourbière, Hydrologie, Hydrogéologie, Modélisation, Conservation.

Thèse de doctorat : Conception en Bâtiment et Techniques Urbaines : Villeurbanne, INSA : 1999. / Bibliogr. p. 175-187.

Thèse de doctorat : sciences. Mécanique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2005. / 110 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Mécanique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. 110 réf.

Thèse de doctorat : Mécanique : Villeurbanne, INSA : 2001. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. [115]-120. Index.