Le pourtour du bassin méditerranéen subit fréquemment des épisodes de pluie diluvienne à l’origine de crues rapides pouvant provoquer de nombreuses victimes et des dégâts considérables. Afin de faire face à ce phénomène, la prévision hydrologiques, permettant au Service Central d’Hydrométéorologie et d’Appui à la Prévision des Inondations de produire des vigilances crues, tient une place centrale. Durant les dernières décennies l’efficacité des réseaux de neurones formels pour la prévision des crues rapides a été montrée sur différents bassins versant. Les travaux menés au cours de cette thèse visent à développer une méthodologie générique de mise en œuvre de réseaux de neurones, testée sur les bassins versants du Gardon d’Anduze et du Lez à Lavalette, dont le comportement hydrodynamique est particulièrement non-linéaire. Afin de limiter l’incertitude des performances en prévision en fonction de l’initialisation du modèle, nous avons, dans un premier temps, proposé un modèle d’ensemble, basé sur la médiane à chaque pas de temps des sorties d’un nombre adéquat de modèles variant uniquement par leur initialisation. D’autre part, sur le bassin du Gardon d’Anduze, afin d’améliorer les performances des réseaux de neurones récurrents par l’introduction d’informations sur l’état du bassin versant avant et pendant l’épisode de crue, différentes variables susceptibles de représenter l’état du système ont été introduites successivement afin de sélectionner celles fournissant les modèles les plus performants. Sur le bassin karstique du Lez, dont la structure est très hétérogène, nous avons appliqué la méthode KnoX permettant d’estimer les contributions au débit à l’exutoire de quatre zones aux comportements hydrologique et hydrogéologique considérés comme homogènes. Ainsi les zones les plus contributives ont été identifiées ; ceci permettra dans un second temps de rechercher les variables les mieux à même de représenter l’humidité dans ces zones. Les performances des modèles développés montrent que la méthodologie générale de conception d’un modèle pluie-débit par réseaux de neurones s’adapte de manière satisfaisante aux deux bassins cibles dont les fonctionnements hydrologiques et hydrogéologiques sont pourtant très différents. Certaines pistes de progrès restent à investiguer parmi lesquelles l’amélioration de l’information d’état est prépondérante. / The Mediterranean region is frequently subjected to intense rainfalls leading to flash floods. This phenomenon can cause casualties and huge material damages. Facing to this phenomenon, hydrologic forecasting is a major tool used by Service Central d’Hydrométéorologie et d’Appui à la Prévision des Inondations to produce flood warning.During past decades, artificial neural networks showed their efficiency for flash flood forecasting on different type of watershed. The present thesis aims thus to contribute to the development of a generic methodology to design artificial neural networks, that is tested on Gardon d’Anduze and Lez at Lavalette watersheds, both displaying non-linear hydrodynamic behavior. To reduce uncertainties on forecasts, ensemble models, based on the median of forecasts calculated at each time step for an adequate number of models varying only by their initialization, have been proposed. In addition, in order to improve forecasting performances on Gardon d’Anduze, with artificial neural networks, we tried to introduce knowledge about the state of the watersheds before and during the flood. Several variables have thus been tested each one its turn, to select the one given the best performances. On the Lez karst system, that has a strongly heterogeneous structure, the KnoX method have been applicated in order to estimate the contribution to outflow from four geographical zones displaying hydrologic and hydrogeologic behavior considered as homogeneous. Thus, the most contributive zones to the discharge zones have been identified. This will help the investigation of representing humidity variables in these zones.The performances of models underlined that the general methodology of rainfall-runoff model conception could be applied on both basins, even though their hydrological and hydrogeological behavior are very different.The contribution of each zone, estimated from the KnoX methodology, improved comprehension of Lez karst system during flash floods. Selection of relevant variables representing the state of the Lez hydrosystem will be possible thanks to this new knowledge. Performances of models developed in this study underlined the difficulty to find satisfactory models, and showed the interest of the generic methodology used to design neural network adapted to the two targeted basins.

La modélisation hydrologique permet de quantifier la transformation pluie-débit au sein d’un bassin versant. Bien que les modèles parviennent généralement à représenter de manière acceptable le fonctionnement des bassins versants, cette représentation, nécessairement simplifiée, reste imparfaite, et une quantification des incertitudes est souhaitable. Cette thèse s’intéresse à la quantification de l’incertitude prédictive en modélisation hydrologique. Le principal objectif de nos travaux est d’explorer différentes méthodes qui permettent d’associer à des simulations ou des prévisions de débits déterministes des distributions probabilistes. Nous distinguons le contexte de simulation du contexte de prévision et adoptons dans ces deux cas une démarche comparative et pragmatique qui permet d’évaluer différentes approches sur un large échantillon de bassins versants français, à l’aide de critères d’évaluation adaptés. En simulation, nos travaux ont porté sur deux méthodes liées à l'estimation des paramètres des modèles hydrologiques, la méthode GLUE et le calage bayésien, ainsi que sur deux approches plus pragmatiques, l'approche multi-modèles, et le post-traitement statistique. Nos résultats suggèrent que les approches telles que GLUE qui ne s'appuient que sur un ensemble de différents jeux de paramètres ne parviennent pas, en général, à représenter de manière adéquate l'incertitude prédictive totale. L'utilisation d'un modèle d'erreur extérieur au fonctionnement interne du modèle hydrologique est nécessaire. Les méthodes de post-traitement suffisamment flexibles pour caractériser les erreurs résiduelles obtenues en calage parviennent à refléter de manière plus satisfaisante les marges d'erreurs du modèle hydrologique utilisé. Nous proposons également une méthode qui permet d'obtenir une estimation de l'incertitude prédictive pour les bassins non jaugés, au moyen d'un transfert des marges d'erreurs constatées sur les bassins jaugés. Les résultats indiquent que la méthode est prometteuse et fournit dans la plupart des cas des intervalles de confiance fiables et fins sur les sites non-jaugés. En prévision, nos travaux ont porté d'une part sur la comparaison de différentes méthodes de post-traitement statistique, et d'autre part sur l'interaction entre l'assimilation de données et le post-traitement au sein d'une chaîne de prévision hydrologique d'ensemble. Les résultats obtenus montrent l'importance de la prise en compte de l'évolution de l'incertitude prédictive en fonction de l'échéance de prévision et mettent en évidence les gains de performance qui peuvent être obtenus quand la quantification de l'incertitude s'appuie sur une meilleure caractérisation de la situation de la situation de prévision. Enfin, nos travaux indiquent que l'utilisation conjointe de l'assimilation de données et d'une méthode de post-traitement permet d'améliorer les performances d'une chaîne de prévision hydrologique d'ensemble. / Hydrological modelling aims to quantify the rainfall-runoff relationship at the catchment scale. Although hydrological models are generally able to provide an acceptable representation of the catchment behaviour, this representation is necessarily simplified and imperfect, as a consequence an evaluation of uncertainties is desirable. This thesis focuses on the quantification of predictive uncertainty in hydrological modelling. Our main objective was to explore several methods that can be used to complete the deterministic predictions of a rainfall-runoff model with probabilistic distributions. Two prediction cases were distinguished, namely simulation and forecast. We set up a comparative framework to evaluate different uncertainty quantification methods on a large set of French catchments. In simulation mode, we focused on two methods related to the parameter estimation issue, the GLUE uncertainty method and the Bayesian framework, as well as two more pragmatic approaches, a multi-model approach and the post-processing method. Our results suggest that the GLUE-like methods based on ensembles of various parameter sets do not provide an adequate representation of the total predictive uncertainty. An external model error is necessary. Post-processing methods that are flexible enough to adequately describe the residual errors of the hydrological model obtained during calibration give more satisfactory estimates of the modelling uncertainty. We also present a method able to transfer model uncertainty estimates from gauged to ungauged catchments. Our results demonstrate that the method holds interesting perspectives, providing in most cases reliable and sharp uncertainty bounds at ungauged locations. In a forecasting context, we compared several post-processing methods and evaluated the interactions between data assimilation and post-processing in an ensemble forecasting modelling chain. Results show the crucial role of the lead time on the estimates of predictive uncertainty. They also suggest that some improvement can be achieved when the evolution of flows is better taken into account by a post-processing method. Last, we investigated the interactions between data assimilation and post-processing in hydrological ensemble forecasting and showed the benefits of using both in an ensemble forecast system.

De nombreuses études portant sur les impacts du changement climatique sur la ressource en eau ont été réalisées à l'échelle des grands bassins versants continentaux, celle des petits bassins versants demeurant peu étudiée. La région Bourgogne se situe à la croisée de plusieurs bassins hydrographiques (Seine, Loire, Rhône), et offre une grande diversité de contextes hydrogéologiques. Les impacts du changement climatique sont susceptibles de varier localement et leur détermination requiert l'implémentation d'une chaîne de modélisation hydroclimatique à l'échelle locale. L'objectif de cette thèse a consisté en la mise en place d'un tel outil de modélisation à l'échelle des petits bassins versants de Bourgogne. Un échantillon de bassins versants et deux modèles hydrologiques de conceptualisation différente ont été choisis : un modèle pluie-débit global (GR4J) et un modèle semi-distribué à base physique (SWAT). Ces modèles ont permis d'approcher les différents aspects des impacts sur la ressource en eau (débit à l'exutoire, ressource spatialisée, qualité de l'eau). Les modèles ont été calibrés, et leur robustesse a été testée en contexte de changement climatique, validant ainsi leur utilisation sur une période future. Une désagrégation spatiale des données climatiques a été nécessaire afin d'alimenter les modèles hydrologiques sur la période de projection. L'analyse de données observées a permis de mettre en évidence une rupture dans les températures de surface en 1987/88 (en Bourgogne comme en France métropolitaine), et une modification des régimes hydrologiques de part et d'autre de cette rupture. Les projections réalisées sur la période 1980-2100 ont permis de montrer : i) peu d'évolution des débits moyens annuels mais une accentuation de la saisonnalité, via une augmentation des débits hivernaux et une diminution des débits estivaux, en lien avec le régime des précipitations et avec l'augmentation de l'évapotranspiration. ii) des indicateurs d'étiages montrant une aggravation de leur sévérité et une emprise temporelle plus grande durant l'année hydrologique, iii) une qualité de l'eau dégradée. Afin d'ouvrir de nouvelles perspectives grâce à cette chaîne de modélisation (en termes aide à la décision), l'aptitude de la chaîne de modélisation à évaluer les impacts de divers scénarios de changement de pratiques agricoles a été testée. / Numerous studies dealing with climate change impacts on water ressources have been done at global scale, but the moderated size watersheds scale is less studied. The Burgundy region is located over several hydrographical basins (Seine, Loire and Rhône river), and provides a great diversity of hydrogeological and climate contexts. For these reasons, impacts of climate change on water resources are expected to be very different in space, and require an entire hydroclimatic modelling chain at local scale to be assessed. The main objective of this thesis consisted of the implementation of a modelling tool at the moderated-size watersheds scale of Burgundy. In this way, several watersheds and two hydrological models have been chosen : a global and empirical rainfall-runoff model (GR4J) and a physical based and semi-spatialised model (SWAT). These two models allow us to assess every aspects of climate change impacts : quantitative (streamflow and spatialised ressource) and qualitative impacts.Models have been calibrated, including a cross calibration/validation test in climate contrasted periods, to confirm their robustness. A disaggregation of global climate data has been done in order to feed models during projection.Observations analysis highlighted a climate shift (in Burgundy as well as over the entire french territory), resulting in a modification of hydrological regime. Models projection over the XXIth century showed i) not much evolution of annual streamflow, but an accented seasonality, with an increase of winter streamflow, and a decrease of summer streamflow, linked with the rainfall regime and the evapotranspiration increase, ii) drought flow indices showing an increase of severity of the drought flow period, iii) a decrease in water quality. In order to explore the capacities of the modelling chain, several sensibility tests have been done, based on management practices scenarios.

En Europe, les crues éclair affectent principalement les régions méditerranéennes et montagneuses. Les bassins concernés sont le plus souvent de petite taille. Anticiper ce type d'événements demeure un exercice ardu parsemé de multiples difficultés. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet commun à IRSTEA et Météo-France (projet RHYTMME) et ses deux objectifs sont :l'adaptation de modèle hydrologique de la méthode AIGA aux régions montagneuses, en tenant compte des caractéristiques de cet environnement ;l'évaluation du nouveau modèle sur des bassins de petite taille, qui sont réellement non-jaugés.Pour atteindre le premier objectif, le modèle est complexifié (prise en compte de la neige), testé sur 118 bassins versants jaugés et régionalisé. Quant au second but, des relevés de dégâts, issus de la base de données des services de Restauration des Terrains en Montagne (RTM), sont utilisés afin d'évaluer le modèle sur 123 très petits bassins dans des conditions aussi proches que possible de la réalité du terrain.Pour réaliser ce second objectif, une méthode d'évaluation est développée, fondée sur des statistiques de contingence, illustrant la concomitance entre dégâts observés et dépassement de seuil des débits simulés. Il est proposé un graphe renseignant le taux de détection (POD) et le taux de succès (SR) pour différents seuils simultanément à l'instar des courbes de ROC. Le principal résultat est qu'une évaluation sur bassins jaugés est une première étape nécessaire mais pas suffisante. En effet, les travaux illustrent le fait que les meilleurs modèles sur les bassins jaugés ne le sont pas forcément sur les petits bassins non-jaugés, sujets aux crues éclair. / In Europe, flash floods primarily occur in the Mediterranean and mountainous areas. The concerned basins are often small and ungauged with a short lag time. Anticipating such events is a tricky task with many difficulties. This thesis is part of a common project between Irstea and Météo-France (RHYTMME project) with two objectives : the adaptation of the hydrological model of AIGA method to the mountainous areas, taking into account the environment characteristics the evaluation of the new model on small basins, which are actually ungauged. To achieve the first objective, the model is complicated by the integration of a snow modelling on 118 gauged basins. Then the model is regionalized. The second objective is to use flood reports from the mountain area restoration services database (services de Restauration des Terrains en Montagne (RTM)). The model is evaluated with these reports on 123 very small basins under conditions as close to as possible the reality. To overcome the second objective, an evaluation method is developed, based on contingency statistics, illustrating the coincidence between observed damages and threshold crossing by simulated flows. A graphic with the probability of detection (POD) according to the success rate (SR) is introduced for different thresholds. Thereby, a multi-threshold approach is used to compare hydrological models like ROC-curves. The main result, highlighted by this thesis is an evaluation on gauged basins is a necessary first step but not sufficient. Indeed, the works illustrate that the decided compromises on the large gauged basins don?t lead automatically to the best performances on the small basins occurring flash floods.

Les ressources en eau sont très variables dans l'espace et dans le temps. Leur estimation à l'échelle des bassins versants requiert des modèles hydrologiques dont l'utilisation est contrainte par la complexité des bassins et une difficulté de mesure (caractéristiques du bassin et forçages météorologiques). Sur la plupart des bassins une chronique de débit est disponible à l'exutoire du bassin, on parle alors de bassin versant jaugé. Ces mesures peuvent être utilisées pour analyser le fonctionnement des bassins et optimiser les paramètres des modèles hydrologiques. En revanche, pour les bassins versants non jaugés, le fonctionnement du bassin doit être envisagé de manière différente et l'utilisation du modèle doit se faire via une régionalisation de ses paramètres.Le principe des études de régionalisation est d'utiliser les bassins versants jaugés pour développer des méthodes applicables aux bassins versants non jaugés. Ces études couvrent un grand nombre de domaines d'application: régionalisation des signatures hydrologiques (débit moyen interannuel, régime, courbe des débits classés...), des étiages, des crues, de l'hydrogramme... Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'estimation de l'hydrogramme sur des bassins versants non-jaugés, via la régionalisation des paramètres des modèles hydrologiques.De nombreuses méthodes ont été développées pour résoudre ce problème et reposent en majorité sur la connaissance des jeux de paramètres sur des bassins jaugés, donneurs de paramètres, qu'il faut alors transférer vers des bassins versants non-jaugés, receveurs de paramètres. Ces méthodes font donc deux hypothèses fortes: (i) les paramètres ont été correctement identifiés par le calage sur les bassins versants jaugés et (ii) nous sommes capables d'identifier des bassins versants jaugés et non-jaugés similaires entre lesquels le transfert de paramètres est possible. Cependant, ces hypothèses ne sont pas toujours vérifiées et, dans ce cadre, le calage régional apparaît comme une option prometteuse pour la régionalisation des modèles hydrologiques. En effet, le calage régional recherche des valeurs de paramètres communes à plusieurs bassins et permet (i) de mieux contraindre ces paramètres lors du calage et (ii) de réaliser conjointement le calage et le transfert de ces paramètres à des bassins versants non-jaugés. L'enjeu de cette thèse est d'évaluer le potentiel du calage régional pour régionaliser les paramètres du modèle hydrologique GR6J. Sur un large échantillon de bassins, nous avons en particulier étudié si le calage régional peut être une solution compétitive au regard des méthodes existantes.Dans un premier temps, nous nous sommes attachés à étudier le modèle en contexte jaugé. Nous avons mené une étude de la sensibilité du modèle à ses paramètres pour définir leur rôle fonctionnel et avons testé huit stratégies de paramétrisation.Nous nous sommes attachés à identifier le jeu de paramètres hydrologiquement optimal, c'est-à-dire un jeu de paramètres indépendant de la stratégie de calage et donc transférable à des bassins versants non jaugés. Dans un second temps, nous avons proposé une méthode innovante appelée “ calage groupé ”, basée sur le calage régional, pour relier les paramètres de GR6J à des caractéristiques mesurables du paysage. Cette méthode présente l'avantage de prendre en compte les compensations au sein du jeu de paramètre et de permettre une interprétation des valeurs de paramètres au regard des processus hydrologiques. / Water resources are variable in time and space. Hydrological models are required to assess these resources and have to cope with catchments complexity and measurement limits. Most of the catchments are gauged which means that streamflow measurements are available at the catchment outlet. In particular, streamflow measurements can be used to analyse the catchment hydrological behavior and calibrate model parameters. However for ungauged catchments, the hydrological behavior must be define by other ways and model parametrisation must be assessed through regionalization instead of calibration.Regionalization studies rely on gauged catchments to developp methodologies applicable to ungauged catchments. They cover a large range of applications from hydrological signatures predictions (mean streamflow, regime, flow duration curves ...) to low-flow or flood predictions. The present work aims at estimating streamflow hydrographs in ungauged catchments by regionalizing hydrological model parameters.Several methods have been developped to solve this problem and they mostly rely on the knowledge of parameter sets on gauged catchments to find the best way to transfer the parameters sets between catchments. Gauged catchments are then considered as donor catchments while ungauged catchments are receiver: the challenge of transfert-based methods being to assign the correct donnor to each receiver. However, these methods make two strong hypothesis: (i) parameters sets calibrated on gauged catchments are reliable and (ii) similar gauged and ungauged catchments can be accurately matched during the transfer. However, those hypothesis do not always seem to hold true. In this context, regional calibration appears as a promising way for hydrological model regionalization since regional calibration look for common parameter sets on several catchments. This way, parameters are known with less uncertainties on gauged catchment and parameters regionalization is joined with calibration. The challenge of this PhD thesis is to develop and apply a regionalization scheme, based on regional calibration, to the GR6J hydrological model. On a large dataset, we have studied if regional calibration is a competitive solution to regionalize hydrological models compared to existing methodologies (i.e. transfer-based methods).As a prelude to the regionalization study, we paid attention to analyse the model on gauged catchments. In particular, we analysed the model sensitivity to its parameters to define the functionnal role of each parameter. Eight model parametrisation schemes were tested to identify the hydrologically optimal parameter set, i.e. a parameter set that is only catchment-dependant and do not depend on calibration strategy. Secondly we present an inovative method called “group calibration”, based on regional calibration, to link model parameters and hydrological descriptors. This method is fit for taking into account compensations between model parameters, allows the hydrological interpretation of the obtained relationships and is competitive to existing methods. Last, we conceptualize the regionalization methods to better undestand how to best value regional informations and increase model performance in extrapolation. We show that all methods set a ceilling and that space for improvement do not lie in the correct matching of donnor and reciever catchments but in the identification of more easily transferable informations.

La compréhension du cycle de l'eau d'une région où les ressources en eau sont limitées est fondamentale pour assurer une gestion durable de celles-ci, c'est le cas de Galápagos. Cette thèse présente la première étude intégrée du fonctionnement hydrogéologique des aquifères perché de l'île San Cristóbal. Pour ce faire, une approche pluridisciplinaire, fondée sur la mise en place d'un site expérimental sur le bassin versant de Cerro Gato (CG), a été conduite. Pour quantifier les entrées d'eau dans le système hydrologique une approche canopée-transfert hydrique du sol a été utilise. La recharge est principalement affectée par l'altitude en raison de l'effet orographique sur les gradients de pluie et d'évapotranspiration. Néanmoins, à haute altitude, la différence est principalement associée à la couverture végétale en raison de l'apport additionnel fourni par l'interception du brouillard sous la forêt. Une analyse hydrologique montre que les pertes des bassins versants situés à haute-altitude deviennent les entrées d'eau souterraine des bassins versants situés à moyenne altitude (comme CG). Les données du méthode électromagnétique héliportée SkyTEM permettent définir l'extension du bassin hydrogéologique de CG qui est plus grande que le bassin hydrologique. Des approches précédemment décrites, découlent un modèle conceptuel des sources de CG. Ainsi, les eaux souterraines de ces sources sont issues d'un aquifère perché qui s'est formé à la faveur d'une fine couche peu perméable. Ce modèle est testé par simulations numériques qui montrent cette plausibilité. Cette thèse fournit les fondements scientifiques d'une gestion durable des ressources en eau. / The understanding of the hydrogeological functioning in regions such as San Cristobal Island (Galapagos), where water is limited, is fundamental for a suitable management of its resources. This work is the first study of this type on high-level aquifers in San Cristobal using a multi-disciplinary approach, based in the implementation of an experimental site and modeling strategies. For this purpose, a hydrological network was installed in Cerro Gato (CG) and surrounding watersheds. Inputs to the watershed are estimated using the joint modeling of a canopy and soil water transfer. Recharge rates are mainly affected by altitude in mid-elevation watersheds, whereas land cover is the main controlling factor at high-elevation watersheds because of the additional input of fog interception in forests. A hydrological analysis shows that losses from the high-elevation basins become groundwater inputs in the mid-elevation basins, while others have inputs from watersheds at the same altitude, such as CG. The detailed geometry of its hydrogeological watershed is obtained from the dataset of a high resolution AEM SkyTEM survey, which confirms the assumption that its hydrogeological watershed is bigger than its hydrological one. Results from these approaches allow proposing a hydrogeological conceptual model for the springs of CG, where the groundwater flow of springs is fed by a perched aquifer suspended by a low permeability thin layer. This model is tested with numerical simulations, which confirm the plausibility of the existence of a perched aquifer. This thesis provides scientific basis for an effective water management strategy.

Le tiers de la population mondiale, vit dans des espaces où les risques potentiels sont liés plus ou moins directement à la nature ; Les inondations, sont responsables de plus de la moitié des risques dommageables. À l’instar le risque inondation affecte les villes marocaines et plus particulièrement celles situées sur les piedmonts dir. Les agglomérations de dir de Béni Mellal sont très menacée par les inondations. Ces catastrophes sont le fait de crues-éclair (flash flood) trouvant leur origine dans la structure des précipitations (intensités remarquables) et une topographie propice à la concentration des écoulements sur de petits bassins versants de forte pente.Ce travail est une contribution opérationnelle à la connaissance du phénomène « crue-éclair » affectant les agglomérations du "dir" de Béni-Mellal dont l’objectif est l’amélioration de la résilience du "dir" de l’Atlas de Béni-Mellal face aux inondations et aux "crues-éclair". À cause de l’absence des stations hydro pluviométriques, est vue la spécificité de dire comme une zone de transition, la démarche élaborée repose sur une étude fine des deux facteurs du risque, l’aléa et la vulnérabilité, sur des bassins versants représentatifs du domaine du dir de Béni Mellal. Notre approche, que l’on peut qualifier "hydrologique intégrée" considère l’aléa comme une solidarité hydrologique entre l’amont et l’aval ou plutôt la dépendance de l’aval vis-à-vis de l’amont. La gestion des risques dans le dir de Béni-Mellal, demande donc l’intégration des techniques hydrologiques modélisatrices et l’association des mesures non structurelles telles que, la conscience du risque, la réduction de la vulnérabilité, la maîtrise de l’occupation du sol, surtout la dynamique urbaine. Les solutions adoptées doivent être cohérentes entre elles. A cet égard, notre méthodologie s’articule sur la valorisation de données multi-sources. Elle s’appuie, d’un côté, sur une approche de l’hydrologie classique, qui consiste en l’étude analytique de « l’aléa historique » et l’étude hydrométrique dont les données hydrométriques et pluviométriques produites, seront utilisées pour la caractérisation de « l’aléa » et des crues torrentielles. Une approche hydrologique modélisatrice où les résultats seront utilisés pour la calibration et la validation d’une modélisation hydraulique et pour la production des cartes de risques. D’un autre côté, elle vise à intégrer le contexte socio-économique et cultuel, le degré d’organisation de l’occupation du sol, et les politiques publiques de la gestion des risques…etc. / One-third of the world's population lives in areas where potential risks are more or less directly related to nature. Floods are responsible for more than half of the damaging risks. Like other countries, the flood risk affects the Moroccan cities and especially those located on the piedmonts. For instance, the agglomerations of Béni Mellal piedmonts are very threatened by floods. These disasters are the result of flash floods originating principally from a changing rainfall pattern (remarkable intensities) and a favorable topography conductive to the concentration of the flows on small watersheds of steep slope.This study is an operational contribution to the knowledge of the "flood-lightning" phenomenon that is affecting the agglomerations of the "piedmont " of Beni-Mellal. Its objective is to identify the resilience of the Atlas “piedmont” of Beni-Mellal in the face of floods and "flash floods".Because of the absence of hydro-rainfall stations, and the specificity of the study area considered as being a transition zone, the approach developed is based on a detailed study taking into account two risk factors, namely the hazard and the vulnerability..Our approach, which can be described as "an integrated hydrological approach" considers the hazard as a hydrological solidarity between upstream and downstream or rather the dependence of downstream towards the upstream. Therefore, risk management in the piedmonts of Béni-Mellalrequires the integration of modeling hydrological techniques and the association of non-structural measures such as, risk awareness, vulnerability reduction, controlof soil occupation, especially urban dynamics. For this reason, the adopted solutions a must be coherent with each other. In this respect, our methodology is based on the valuation of multi-source data. It relie, on one hand, on a classical hydrology approach, which consists of the analytical study of "historical hazard"and the hydrometric study whose hydrometric and rainfall data will be used for the analysis. Characterization of "hazard" and flashfloods events (The results of this modeling hydrological approach will be used for the calibration and validation of hydraulic modeling and for the elaboration of risk maps. On the other hand, it aims at integrating the socio-economic and cultural context, the degree of organization of the occupation of the ground, and the public policies of the risk management ... etc.

Selon le Rapport mondial des risques publié par l'Institut universitaire des Nations Unies pour l'environnement et la sécurité humaine, le Mexique a une vulnérabilité de 46% et un manque de capacité d'adaptation de 76% en termes de risques de catastrophe. Un de ceux est les risques d'inondation en cas de catastrophe qui pose un sérieux défi pour le développement et la vie des habitants du Mexique. Mexico est confronté à des problèmes d'inondation dans certaines zones à l'ONU certaines périodes de l'année, causant des pertes et des dommages importants sur les propriétés et les résidents dont certains blessés. En conséquence, il est important de procéder à une évaluation des risques d'inondation dans le bassin de Mexico et d'estimer les dommages des inondations probables. Cependant, les données limitées de débits observés et des profondeurs d'eau dans les principaux cours d'eau de la ville sont disponibles, et esta distributeur d'un obstacle à la compréhension des inondations dans la ville de Mexico. Pour la raison d'origine, plusieurs études doivent être effectuées intérêt dans le but d'avoir une compréhension claire disponibles du bassin versant, qui impliquent, études hydrauliques, météorologiques et hydrologiques, la répartition des précipitations, l'analyse des eaux de ruissellement, les risques d'inondation et de la vulnérabilité, et des études de esta permettent l'estimation de dommages directs et indirects à l'économie, aux actifs et à la vie humaine / According to the World Risk Report released by the United Nations University Institute for Environment and Human Security, Mexico has a vulnerability of 46% and a lack of coping capacity of 76% in terms of disaster risk. One of those disaster risks is flooding which poses a serious challenge to the development and the lives of the inhabitants of Mexico. Mexico City is facing problems of flooding in some areas at certain times of the year, causing important losses and damages on properties and residents including some casualties. Therefore, it is important to carry out a flood risk assessment in the catchment of Mexico City and estimate damages of probable flood events. However, limited data of observed discharges and water depths in the main rivers of the city are available, and this represents an obstacle for the understanding of flooding in Mexico City. For these reason, several studies have to be carried out in order to have a clear understanding of the catchment, which involve, meteorological and hydrological/hidraulic studies, rainfall distribution, runoff analysis, flood risk and vulnerability, and this studies allow the estimation of direct and indirect damages to the economy, to assets and to human life. The premise of this study is that with the limited data and resources available, the catchment can be represented to an acceptable degree by the construction of a deterministic hydrological model of the Mexico City basin. The objective of the developed tool is to provide an efficient support to management of the flood processes by predicting the behavior of the catchment for different rainfall events and flood scenarios

On se propose d'étudier l'hydrosystème Vaccarès, partie centrale du delta du Rhône, parfait exemple d'interrelations fortes entre l'homme et le milieu naturel. L'approche s'est déroulée en trois parties. L'acquisition et le traitement de données hydrologiques nous ont permis de caractériser la dynamique hydro-saline de ce système complexe. A partir d'une analyse plus approfondie nous avons établi les bilans hydro-salins et sédimentaires à l'échelle du complexe lagunaire. Grâce à un suivi de 18 années, les bilans sédimentaires dévoilent un déficit sédimentaire de 19 500 tonnes quand on ne prend pas en compte les apports exceptionnels des eaux d'inondation en 1993 et 1994. Un tel déficit, s'il perdure, ne fera qu'aggraver le différentiel d'altitude entre la mer et le delta, entrainant par la force des choses une salinisation du système non désirée par la plupart de ses acteurs. Dans un deuxième temps, nous avons procédé à l'implémentation et à la validation du modèle hydrodynamique du complexe lagunaire du Vaccarès. Son utilisation s'est tournée vers une complémentarité avec le modèle conceptuel de l'Hydrosystème Vaccarès. Ce dernier, baptisé Hydro-CAM, après avoir bénéficié d'une phase de calage et validation, a été exploité afin de tester la dynamique du système dans une démarche prospective. L'objectif ici, qui constitue le troisième temps de ces travaux de thèse, a été d'explorer par simulation les trajectoires possibles d'évolution de l'hydrosystème en termes de bilan d'eau et de sel, et ce d'après des scénarios construits sur les paramètres hydro-climatiques (changement climatique, augmentation du niveau marin) et anthropiques / The studied site is the Vaccarès hydrosystem, the central part of the Rhône delta and a good example of strong relationship between humans and a natural area. Through the data acquisition and data processing, we characterised the hydro-saline dynamic of this complex hydrosystem from 1993 to 2008. From a further analysis, we established first the hydro-saline and sedimentary balance across the lagoon complex. Through a monitoring of 16 years, the sedimentary balance revealed a sediment deficit of about 19'500 tons when we disregard the outstanding contributions of flooding waters in 1993 and 1994. If this deficit persists, the difference in altitude between the sea and the delta will tend to increase. This will result by a salinization of the system, unwanted by the most of his actors. To investigate these consequences, we conceived a hydrodynamic model of the Vaccarès lagoon complex, capable to simulate water levels and salinities. The model, named Hydro-CAM, was calibrated and validated in terms of water levels and salinities in three sub-units of the lagoon complex. It was then used to test the system dynamics in a prospective approach. The objective in this thesis work was to explore by simulation the possible trajectories of the evolution of the Hydrosystem in terms of water and salt balance. Simulations were based on scenarii constructed from climate parameters and anthropogenic parameters (water management, constructions, land use on drainage basins, etc.). The results revealed the vulnerability of this complex system to various risks which it is already facing and for which the intensification and/or increase can be expected in the future

L'évolution constante des villes passe par l'urbanisation des zones encore disponibles induisant des effets sur les bilans hydriques des celles-ci. De plus, le changement climatique susceptible d'exacerber les extrêmes (dont les inondations) influence lui aussi ces bilans. La ville est donc un objet hydrologique spécifique qu'il faut replacer dans son contexte évolutif, ce qui élargit considérablement la gamme d'échelles spatio-temporelles à prendre en compte pour son analyse et sa simulation. L'Union Européenne considère que la gestion du risque d'inondation doit remplacer la défense classique contre celle-ci. Cette nouvelle approche est plus holistique : elle prend en compte toutes les composantes du risque et cherche a réduire la vulnérabilité des récepteurs (habitants, bâtiments et infrastructures). Elle débouche sur la question de la résilience des systèmes urbains où les technologies correspondantes doivent être intégrées en des systèmes résilients aux inondations. Il est donc indispensable de développer des outils permettant l'évaluation de la performance de ces derniers, et ce à différentes échelles. Ces préoccupations ont défini l'axe de développement de Multi-Hydro : faire interagir des modèles déjà éprouvés représentant une composante du cycle de l'eau, permettre d'effectuer ainsi des progrès substantiels dans la modélisation de l'eau en ville avec une facilité d'utilisation. Multi-Hydro est ainsi basé sur des équations physiques supportées par des modèles distribués couplés. Grâce à un outil SIG dédié, MH-AssimTool, les informations géographiques et physiques nécessaires à la modélisation sont facilement assimilés pour chaque zone et résolution. En effet, une attention particulière été portée sur les observables ayant le moins de dépendance en échelle. L'emploi d'outils d'analyse multi-échelles permet de représenter leur variabilité et de définir des paramétrisations robustes du fonctionnement hydrologique à différentes échelles. L'ensemble de ces développements a été utilisé pour aborder la question de la résilience face aux inondations à différentes échelles d'un système urbain, dans le cadre de différents projets européens (SMARTeST, RainGain, BlueGreenDream) ou nationaux (Ville Numérique), à l'aide d'une approche systémique sur des scénarios pour plusieurs cas d'étude :- un petit bassin versant de Villecresnes (Val-de-Marne) qui a servi a l'évaluation des impacts de chaque modification apportée au modèle au cours de son développement.- la partie Est de la commune de Saint-Maur-des-Fossés (Val-de-Marne) qui a subi un audit de l'état du réseau d'assainissement (cartographie précise des canalisations et campagnes de mesures) et dont les résultats préliminaires ont permis de poser la problématique de la modélisation des rivières.- un quartier d'Heywood (grande banlieue de Manchester, Royaume Uni), qui a subi plusieurs inondations durant la dernière décennie et demande une modélisation assez fine pour permettre l'évaluation de l'impact de quatre scénarios de protection.- le bassin versant de la Loup, dont l'exutoire est occupé par un bassin de stockage des eaux de pluie, a été modélisé pour quatre évènements d'intensités et de durées variables et a permis de débuter la validation du modèle.- la zone de Spaanse Polder (Rotterdam, Pays Bas), pose la problématique de la modélisation des zones très planes au système de drainage complexes (pompes, exutoires multiples). Cette zone permet de guider les développements futurs de Multi-Hydro. Dans le contexte de l'amélioration de la résilience des villes face aux inondations, Multi-Hydro se place comme étant un outil qui offre la possibilité de simuler des scénarios permettant l'évaluation des impacts à l'échelle globale de modifications à plus petites échelles. Grâce a sa facilité de mise en place que lui confère MH-AssimTool, ainsi que sa structure modulaire et sa liberté de licence, Multi-Hydro est en train de devenir un outil d'aide à la décision / The constant evolution of cities can be seen as the urbanisation of the still available areas. This introduces complex effects with respect to the balance of water. In addition, the highly variable nature of the climate and weather can easily exacerbate the extremes (including floods) thus influencing the water balance. The European Union considers that the management of flood risk is an appropriate strategy to replace conventional defense strategies against floods. This new strategy is a more holistic approach: it takes into account all the components at risk and seeks to reduce the vulnerability of receptors (people, buildings and infrastructures).Thus, resilience measures not only consist of individual technical solutions but they need to be integrated to a ‘safety chain', which requires the development of resilience systems and tools. It is therefore essential to develop tools for assessing the performance of the latter, and at different scales. These concerns have help define the development of Multi-Hydro: interacting models already proven to represent different components of the water cycle to allow substantial progress in the modelling of urban water combined with ease use. Multi-Hydro is based on physical equations supported by distributed and coupled models. With a dedicated GIS MH-AssimTool, the geographical and physical information required for modelling are easily assimilated for each zone and at each resolution. Indeed, special attention was paid to the observables with the least scale dependence. Tools for multi-scale analysis are used to represent their variability at smaller scales than their own scales, thus allowing a more robust definition of hydrological parameterisations at different scales. All of these developments have been used to address the issues involved in flooding resilience at different urban system levels, within the framework of the European (Smartest, RainGain and BlueGreenDream) and national (Ville Numérique) projects, using a systemic approach on the scenarios of several case studies:- A small watershed Villecresnes (Val-de-Marne), used to assess the impacts of each change made in the model during its development.- The eastern part of the municipality of Saint-Maur-des-Fossés (Val-de-Marne ), has undergone a state audit of the drainage network (precise mapping of pipes and measurement campaigns). The preliminary results helped raise the issue of modelling rivers.- A district at Heywood (suburbs of Manchester, UK), has suffered several floods over the last decade and requires more detailed modelling in order to allow for the assessment of impact of four protection scenarios.- The catchment area of the Loup, whose outlet is connected to a runoff water storage tank, was modelled over four events of varying durations and intensities and helped start the validation of the model.- The Spaanse Polder area (Rotterdam , Netherlands), poses the problem of modelling very flat terrain with a complex drainage system (pumps and multiple outlets). This area will help to guide the future development of Multi-Hydro. In the context of improving the resilience of cities to flooding, Multi-Hydro is therefore placed as a tool that provides the ability to simulate scenarios for impact assessment at the basin scale of changes to smaller scales. Due to its ease of implementation at various scales conferred by MH-AssimTool and its modular structure and its free access property, Multi-Hydro is becoming a support decision tool