Cette thèse s'inscrit dans le développement de la plateforme EauDyssée de modélisation intégrée des hydrosystèmes régionaux, au sein du bassin pilote de la Seine. L'objectif principal est de contribuer à une meilleure simulation des tirants d'eau à l'échelle régionale afin d'améliorer la simulation des interactions nappe-rivière et de mieux quantifier les niveaux piézométriques dans les aquifères. La première partie de la thèse vise à évaluer la sensibilité d'un modèle hydraulique à la précision de la description géomorphologique des lits pour identifier le meilleur compromis entre parcimonie et réalisme et identifier les facteurs morphologiques les plus importants pour obtenir une simulation satisfaisante des tirants d'eau à l'échelle régionale. Cette étude est menée sur le Serein (affluent de l'Yonne), entre les stations limnimétriques de Dissangis et Beaumont, dans un bief bien renseigné (20 sections transversales sur 89 kms). Débits et tirants d'eau sont simulés par le modèle hydraulique HEC-RAS (équations de Saint-Venant 1D), en fonction des apports latéraux simulés par le modèle régional EauDyssée. Les résultats de cette étude montrent qu'un modèle 1D type Saint-Venant n'est pas adapté à la simulation des écoulements à l'échelle régionale. Nous avons donc développé une méthode de changement d'échelle originale, dans laquelle la modélisation fine des processus hydrauliques à haute résolution permet d'améliorer la représentation des profils d'eau en rivière et les interactions nappe-rivière simulées à l'échelle régionale par le modèle intégré EauDyssée. Cette méthodologie de changement d'échelle a été validée dans un sous bassin versant de l'Oise d'une superficie de 4500 km2, pour la période 1990-1995. Nous avons utilisé HEC-RAS pour la modélisation hydraulique d'un tronçon de l'Oise de 188 km, où 420 sections transversales sont disponibles. Le modèle permet d'interpoler des courbes de tarage simulées tous les 200m en moyenne. Ces courbes de tarage sont ensuite projetées sur les mailles rivière du modèle régional EauDyssée (résolution de 1 km), où elles permettent de simuler la fluctuation du niveau d'eau en fonction du débit à l'échelle régionale par EauDyssée. La cote de la surface libre de la rivière définissant sa charge hydraulique, ces fluctuations influencent alors les échanges entre les mailles rivière et les nappes, qui dépendent des gradients de charge verticaux entre rivière et nappe (loi de Darcy). Ce travail montre l'intérêt de l'approche pour mieux évaluer les interactions nappes-rivières à l'échelle régionale avec un faible coût de calcul. Il offre des perspectives intéressantes pour simuler des processus jusque là négligés par le modèle EauDyssée : élimination de nitrate dans les zones humides qui sont souvent situées à la zone de contact entre les nappes souterraines et la rivière, ou l'impact du changement climatique sur le fonctionnement des hydrosystèmes et plus particulièrement sur l'élimination ou le relarguage de polluants par des processus biogéochimiques, ainsi que de mieux estimer les risques d'inondation à l'échelle régionale.

Les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sont complexes et jouent un rôle prépondérant dans le fonctionnement des hydrosystèmes, tant en termes quantitatifs que qualitatifs. Ces deux compartiments interagissent à travers différentes interfaces emboitées depuis l’échelle locale, notamment la zone d’interface rivière-nappe, appelée zone hyporhéique (ZH) jusqu’à l’échelle régionale. La ZH se définit comme un buffer entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Les variations des flux d’eau et de chaleur au niveau de cette zone modulent les processus biogéochimiques. Le but de cette thèse est d’améliorer la compréhension du régime thermique et hydrologique de la ZH et de sa variation spatiale. Cette problématique est abordée par l’utilisation de stations de mesures haute fréquence des échanges nappe-rivière (MOLONARI) sur le bassin des Avenelles (sous bassin de la Seine (46 km2)) et de la modélisation. Le suivi haute fréquence a permis de réaliser une analyse des données expérimentales présentant le régime hydro-climatique du bassin ainsi que l’évolution spatiale et temporelle du fonctionnement des différents compartiments de l’hydrosystème. Un cas synthétique a été réalisé afin de caractériser les différents facteurs contrôlant le régime thermique de l’interface nappe rivière et la variation de stocks d’énergie au sein de la ZH. La démarche de modélisation suivie pour le cas synthétique fournit un cadre d’analyse des données des cinq stations MOLONARI. Les données acquises sur ces stations ont été utilisées afin de déterminer les propriétés hydrodynamiques et thermiques de la ZH ainsi que des couches géologiques sous-jacentes par inversion à l’aide du modèle METIS couplé à un script de balayage de l’espace des paramètres afin de quantifier les flux d’eau et de chaleur à l’interface nappe-rivière le long d'un corridor hydraulique. Les résultats du modèle mettent en lumière la variabilité spatio-temporelle des échanges de chaleur au niveau des cinq stations MOLONARI. La quantification des flux de chaleur a fourni un nouvel éclairage des interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines à l’interface nappe-rivière du bassin des Avenelles. / The river-aquifer interactions are complex and play a preponderant role in hydrosystems functioning, in both qualitative and quantitative terms. These two compartments interact through various nested interfaces from the local scale in particular the river aquifer interface called the Hyporheic Zone (HZ) to the regional scale. The HZ acts as a buffer between the stream and the groundwater. The water and heat fluxes variation at this zone modulates the biogeochemical processes.The aim of this thesis, is to improve the understanding of the thermal and hydrological regime of the HZ and its spatial variation. This problem is approached by the use of high frequency measurement stations of river-aquifer exchanges (LOMOS) in the Avenelles basin (sub-basin of the Seine basin (46 km2)) and by modeling. The high frequency monitoring allowed to realize an analysis of the experimental data characterizing the hydroclimatic regime of the Avenelles basin as well as the spatial and temporal evolution of the hydrosystem various compartments functioning.A synthetic case was realized to characterize the main factors controlling the thermal regime at the river aquifer interface and the energy storage variation within the ZH. The modeling approach followed by the synthetic case provides an analysis framework of the five LOMOS data.The acquired LOMOS data were used to determine the hydrogeological and thermal properties of the HZ and of the underlying aquifers by inversion by means of a 2D finite element thermo-hydrogeological model (METIS) coupled with a parameters screening script to quantify water and heat fluxes through the stream – aquifer interface over along the stream network.The model results highlight the spatiotemporal variability of the heat exchanges at the five LOMOS. The quantification of heat fluxes provided a new lighting of the stream-aquifer interactions of the Avenelles basin.

Les interactions entre les processus de surface et de sub-surface sont des composantes clés du cycle hydrologique que les modèles hydrologiques doivent représenter pour obtenir des prédictions cohérentes et précises dans un contexte de gestion durable de la ressource en eau. Les modèles hydrologiques intégrés qui décrivent de façon physique les processus et leurs interactions sont de conception récente. La plupart de ces modèles s‘appuient sur l’équation de Richards 3D pour décrire les processus d’écoulement souterrain. Cette approche peut être problématique compte tenu de contraintes importantes sur le maillage et sur la résolution numérique. Ce travail de thèse propose un modèle hydrologique intégré qui s’appuie sur approche innovante à dimension réduite pour simplifier les écoulements de surface et souterrains d'un bassin versant. Les différents compartiments du modèle sont d’abord testés indépendamment puis couplés. Les résultats montrent que l’approche proposée décrit précisément les processus hydrologiques considérés tout en améliorant de façon significative l’efficacité générale du modèle. / Interactions between surface and subsurface flow processes are key components of the hydrological water cycle. Accounting for these interactions in hydrological modelsis mandatory to provide relevant and accurate predictions for water quality and water resources management. Fully-integrated hydrological models that describe with aphysical meaning the hydrological processes and their interactions are recent. Most of these models rely upon the resolution of a 3D Richards equation to describe subsurface flow processes. This approach may become intractable because of the heavy constrains on both meshing and numerical resolution. This PhD proposes a new integrated hydrological model on the idea of dealing with dimensionally reduced flow in both the surface and sub-surface compartments of a watershed. The different compartments of the model are first tested independently and then coupled. The results show that the proposed approach allows for a proper and precise depiction ofthe hydrological processes enclosed in the model while providing significant gain incomputational efficiency.