Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la notion de performance environnementale comme cadre analytique pour l’étude des impacts des activités agricoles sur l’environnement. Après avoir mis en évidence un manque de formalisation de cette notion dans la littérature, nous la définissons comme la distance entre l’état environnemental d’un écosystème à un moment donné et un état environnemental à atteindre pour cet écosystème, dit « de haute performance environnementale ». Dans cette étude, l’état environnemental est approché par trois critères liés à la ressource « eau » : les concentrations en nitrates et en matières en suspension, et les débits.Suite à la description de l’état initial, nous proposons une méthode d’optimisation de la performance environnementale des activités agricoles basée sur un couplage entre un modèle agro-hydrologique (SWAT) et un modèle d’optimisation multicritère (Weighted Goal Programming). La démarche d’optimisation considère la réaffectation spatialisée de systèmes de culture sur l’espace considéré comme facteur d’amélioration, les différents critères de l’optimisation étant examinés simultanément.La méthode est implémentée sur le bassin versant de la Boulouze (coteaux de Gascogne). Les résultats montrent une amélioration de la performance environnementale du système étudié. L’analyse de la nouvelle occupation des sols souligne qu’au-delà des évolutions quantitatives des surfaces allouées aux systèmes de culture, la spatialisation des changements d’un système vers un autre influe également sur la performance environnementale à l’échelle du bassin versant. Enfin, nous interrogeons l’applicabilité de cette méthode et mettons en évidence l’intérêt qu’elle présente comme outil à la fois de modélisation de scénarios et de communication. / We introduce in this thesis the notion of environmental performance as an analytical framework aimed at studying the impacts of agricultural activities on the environment. We outline first a need to formalize this notion and then define it as the distance between the “environmental” state of a system at a specific time and a state of “high environmental performance” to achieve. Focus is on water management at the watershed level with three criteria: nitrogen, sediments (water quality) and water flows (water quantity).Our aim is to optimize the environmental performance of agricultural activities at the watershed scale. First the initial status of the watershed is described, then a method is proposed. This method is based on a coupling between an agro-hydrological model, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), and the Weighted Goal Programming optimization method. Our purpose is the reallocation of farming systems within the watershed when considering the optimization criteria simultaneously.We implement this method on the Boulouze watershed (coteaux de Gascogne, in the southwestern part of France). Results outline an improvement of the environmental performance. The analysis of the new land-use plan emphasizes the fact that the changes of farming systems are not only due to evolutions of the surfaces where they are implemented, but that the environmental performance at watershed scale is also affected by their location.Finally we explore the applicability of the method used highlighting its attributes as a relevant tool for modeling scenarios and for communicating.

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