Cette thèse a pour but de contribuer à l’étude des aquifères karstiques en (1) identifiant les facteurs influençants le stockage et l’écoulement de l’eau souterraine et en (2) localisant et estimant de manière quantitative les ressources en eau au sein d’une série carbonatée. Cette étude a été réalisée sur l’aquifère de Dardennes, près de Toulon, en France. L’eau de l’aquifère est utilisée pour l’alimentation en eau potable et alimente le fleuve Las, susceptible de provoquer de fortes crues. Le bassin versant de l’aquifère est estimé à 70 km². Des mesures de porosité et de géochimie isotopique sur les roches carbonatées sont mises en relation dans le but de localiser et d’expliquer les vides créés au sein de la série sédimentaire. Des coupes équilibrées et des analyses structurales ont été réalisées pour évaluer la géométrie de l’aquifère. L’acquisition de données en continu (CTD) et de données hydrochimiques permet d’étudier le dynamisme et le fonctionnement de l'aquifère. Une approche de modélisation pluie-débit avec la plateforme de modélisation KarstMod, basée sur les chroniques de précipitations et de débits sur trois années a été utilisée afin d’estimer la part de l’écoulement disponible pour l’eau potable et celle générant des crues éclair. Une déconvolution du débit des sources a été effectuée à l’échelle annuelle et à l’échelle des crues. Les résultats du modèle ont été comparés avec la gestion actuelle de l’aquifère, montrant une exploitation actuelle équilibrée, et ouvrant des perspectives pour la mise en place d’une gestion active, combinant une exploitation plus importante de l’eau, un écrêtage des crues et un respect de l’écologie du cours d’eau en aval. / The aim of this PhD is to contribute to the karst aquifers understanding by (1) identifying the factors influencing the groundwater storage and flow and by (2) locating and quantitatively estimating water resources within the carbonate sedimentary series. This study was conducted on the Dardennes aquifer near Toulon, France. The aquifer water is used for the supply of drinking water and feeds the Las River, which can cause important floods. The recharge area of the aquifer is estimated at 70 km². Measurements of porosity and isotopic geochemistry on carbonate rocks are related in order to locate and explain the voids created within the sedimentary series. Balanced cross-sections and structural analyses were performed to evaluate the geometry of the aquifer at depth. Continuous data acquisition (specific conductivity, temperature and water depth-pressure) and hydrochemical data (major ions, stables isotopes of water and carbon-13) allow to study the aquifer dynamism and functioning. A daily rainfall-discharge modeling approach was used with the KarstMod platform to estimate the flow part available for drinking water and the part that generates karst flash-floods. A hydrograph separation of springs discharge was carried out at annual and floods scales. Model results have been compared with the current groundwater management, showing a balanced current exploitation. In new perspective, it would be interesting to establish active management, combining a greater groundwater exploitation, floods mitigation and stream ecology respect.

Les modèles pluie-débit sont des outils essentiels pour de nombreuses applications hydrologiques, notamment la prévision des crues. L’objet de cette thèse est d’examiner les performances d’un modèle événementiel distribué, dont l’intérêt est de résumer la représentation des processus à la phase de crue, et la condition initiale à un indice de saturation du bassin facilement observable ou accessible. Ce dernier dispense de modéliser la phase inter-crue, et simplifie la paramétrisation et le calage du modèle. Le modèle étudié combine une fonction de production type SCS et une fonction de transfert type lag and route, appliquées à une discrétisation du bassin en mailles carrées régulières.Le modèle est d’abord testé sur le bassin versant du Real Collobrier. Ce bassin méditerranéen est suivi depuis plus de 50 ans par l’IRSTEA, et dispose d’une exceptionnelle densité de mesures de pluies et de débits. Cet environnement favorable permet de limiter les incertitudes sur l’estimation des pluies et d’évaluer les performances intrinsèques du modèle. Dans ces conditions, les crues sont bien reconstituées à l’aide d’un jeu de paramètres unique pour l’ensemble des épisodes testés, à l’exception de la condition initiale du modèle. Celle-ci apparaît fortement corrélée avec l’humidité du sol en début d’épisode, et peut être prédéterminée de façon satisfaisante par le débit de base ou l’indice w2 fourni par le modèle SIM de Météo-France. Les performances du modèle sont ensuite étudiées en dégradant la densité des pluviomètres, et rendent compte du niveau de performances du modèle dans les cas que l’on rencontre le plus souvent. .La variabilité spatiale des paramètres du modèle est étudiée à l’échelle de différents sous-bassins du Real Collobrier. La comparaison a permis de mettre en évidence et de corriger un effet d’échelle concernant l’un des paramètres de la fonction de transfert. Les relations entre la condition initiale du modèle et les indicateurs d’humidités des sols en début d’épisode restent bonnes à l’échelle des sous-bassins, mais peuvent être significativement différentes selon les sous-bassins. Une seule relation ne permet pas de normaliser l’initialisation du modèle sur l’ensemble des sous-bassins, à une échelle spatiale de quelques km2 ou dizaines de km2. Dans le cas de l’indice d’humidité du sol w2, une explication possible est que cet indice ne prend pas en compte suffisamment finement les propriétés des sols. Enfin, la variabilité spatiale des paramètres du modèle est étudiée à l’échelle d’un échantillon d’une quinzaine de bassins méditerranéens de quelques centaines de km2, associés à des paysages et des fonctionnements hydrologiques divers. La comparaison montre qu’à cette échelle, le lien entre les indicateurs de saturation du bassin et la condition initiale peut rester stable par type de bassin, mais varie significativement d’un type de bassin à l’autre. Des pistes sont proposées pour expliquer cette variation.En conclusion, ce modèle événementiel distribué représente un excellent compromis entre performances et facilité de mise en œuvre. Les performances sont satisfaisantes pour un bassin donné ou pour un type de bassin donné. L’analyse et l’interprétation de la variabilité spatiale des paramètres du modèle apparaît cependant complexe, et doit faire l’objet du test d’autres indicateurs de saturation des bassins, par exemple mesures in situ ou mesures satellitaires de l’humidité des sols. / Rainfall-runoff models are essential tools for many hydrological applications, including flood forecasting. The purpose of this thesis was to examine the performances of a distributed event model for reproducing the Mediterranean floods. This model reduces the parametrization of the processes to the flood period, and estimates the saturation of the catchment at the beginning of the event with an external predictor, which is easily observable or available. Such predictor avoids modelling the inter-flood phase and simplifies the parametrization and the calibration of the model. The selected model combines a distributed SCS production function and a Lag and Route transfer function, applied to a discretization of the basin in a grid of regular square meshes.The model was first tested on the Real Collobrier watershed. This Mediterranean basin has been monitored by IRSTEA for more than 50 years and has an exceptional density of rainfall and flow measurements. This favourable environment made it possible to reduce the uncertainties on the rainfall input and to evaluate the actual performances of the model. In such conditions, the floods were correctly simulated by using constant parameters for all the events, but the initial condition of the event-based model. This latter was highly correlated to predictors such as the base flow or the soil water content w2 simulated by the SIM model of Meteo-France. The model was then applied by reducing the density of the rain gauges, showing loss of accuracy of the model and biases in the model parameters for lower densities, which are representative of most of the catchments.The spatial variability of the model parameters was then studied in different Real Collobrier sub-basins. The comparison made it possible to highlight and correct the scale effect concerning one of the parameters of the transfer function. The catchment saturation predictors and the initial condition of the model were still highly correlated, but the relationships differed from some sub-catchments. Finally, the spatial variability of the model parameters was studied for other larger Mediterranean catchments, of which area ranged from some tenth to hundreds of square kilometres. Once more, the model could be efficiently initialized by the base flow and the water content w2, but significant differences were found from a catchment to another. Such differences could be explained by uncertainties affecting as well the rainfall estimation as the selected predictors. However, the relationships between the initial condition of the model and the water content w2 were close together for a given type of catchment.In conclusion, this distributed event model represents an excellent compromise between performance and ease of implementation. The performances are satisfactory for a given catchment or a given type of catchment. The transposition of the model to ungauged catchment is less satisfactory, and other catchment saturation indicators need to be tested, e.g. in situ measurements or satellite measurements of soil moisture.

Nous étudions une méthode d'interpolation de processus fondée sur l'analyse en composantes principales. Nous la situons par rapport à des techniques courantes telles le krigeage. Afin de cerner ses possibilités d'utilisation pratiques (en particulier en vue d'applications en hydrometeorologie) nous proposons un plan d'expérimentation de la méthode par simulation.

Le modèle conceptuel pluie-débit journalier MEDOR a été développé pour le milieu méditerranéen. L'analyse de sensibilité des processus hydrologiques aux caractéristiques du milieu et du climat lui confère une conception spécifique. Ce modèle à quatre paramètres a été élaboré à partir des données de six bassins méditerranéens, français et libanais. Son calage au moyen du critère de Nash pose des problèmes d'equifinalité. Le balayage exhaustif de l'espace critère montre l'existence de relations entre paramètres de production d'une part et ceux de transfert d'autre part. Un critère à échéance variable détermine la relation d'equifinalité de production, à partir des seuls cumuls annuels de pluie et de débit et de la structure stochastique journalière de la pluie.<br />Couplé à un modèle stochastique adimensionnel de pluie, MEDOR génère une surface représentative des coefficients d'écoulement des bassins dans l'espace des paramètres. Cinq zones ont été définies sur le pourtour méditerranéen avec leurs surfaces de référence. MEDOR possède des propriétés d'agglomération spatiale et temporelle. Les paramètres du modèle pour un bassin formé de l'union de plusieurs sous bassins sont déterminés par des lois d'agglomération utilisant les paramètres de chacun d'eux. Un des paramètres de la fonction de production est lié à la profondeur utile du sol, ce qui permet de transformer le modèle global en un modèle semi-distribué. L'extension à un nombre plus important de bassins permettrai de préciser la signification des paramètres, et donc d'envisager une application à des bassins non jaugés.

Les dommages dus aux inondations sont en constante augmentation malgré la réglementation de l'urbanisation. La politique traditionnelle de lutte contre les crues ne donne pas satisfaction, tant du point de vue de la sécurité que des impacts sur les milieux naturels. La gestion du risque d'inondation doit s'inscrire à l'échelle du bassin versant et respecter le fonctionnement naturel des rivières. Il est nécessaire de développer des outils techniques nouveaux pour l'aide à la décision. Nous proposons une méthodologie de modélisation opérationnelle pour la gestion intégrée du risque d'inondation dans le contexte des rivières de moyenne montagne. La recherche de solutions techniques adaptées à chaque rivière peut s'appuyer sur un diagnostic complet du risque et l'exploration de scénarios de prospective. Pour permettre une approche à grande échelle, nous proposons une méthode de production et de sélection d'événements de référence conservant la même fréquence en tout point du bassin versant. Ces événements sont utilisés en simulation pour produire une cartographie précise de l'aléa en intensité et en fréquence. Le diagnostic du risque d'inondation permet d'identifier les enjeux à protéger et les hydrosystèmes à réhabiliter. Pour répondre à ces attentes, nous avons testé en prospective une renaturation de la rivière. L'application à la vallée de la Thur (68) et la simulation à l'aide d'une rivière virtuelle montrent que ce type de projet ne permet pas de réduire sensiblement l'aléa pour les rivières à pente forte. La pertinence des événements de référence choisis fait l'objet d'une discussion. Nous avons par ailleurs montré que les endiguements ne constituent pas une protection durable contre les crues. L'étude de scénarios de changement climatique annonce une aggravation des crues à moyen terme. Ainsi, nous intégrons dans la méthodologie l'étude de stratégies de résilience, encore peu explorées en France. La société doit réapprendre à vivre avec les crues pour concilier développement économique et équilibre des milieux naturels.

Il existe actuellement un grand nombre de modèles hydrologiques conceptuels ou empiriques globaux permettant de simuler la transformation de la pluie en débit à l'échelle du bassin versant. Notre étude comparative a permis de tester 38 structures de modèles sur un large échantillon de 429 bassins versants situés en France, aux Etats-Unis, en Australie, en Côte d'Ivoire et au Brésil. Les structures ont toutes été évaluées dans le même cadre de test, avec les mêmes données d'entrée. Leurs paramètres ont été calés par une méthode d'optimisation locale qui a prouvé de bonnes capacités à identifier un optimum satisfaisant. Les performances en terme de qualité des simulations des débits observés ont été évaluées grâce à un ensemble de critères quantitatifs, dont certains correspondent à des formulations nouvelles. Les tests réalisés indiquent qu'un faible nombre de paramètres libres (3 à 5) est suffisant pour obtenir des résultats aussi satisfaisants que des structures avec un plus grand nombre de degrés de liberté, l'augmentation de leur nombre limitant la robustesse du modèle. Par ailleurs, la structure du modèle joue un rôle prépondérant sur la qualité des simulations. Certains outils mathématiques contenus dans différentes structures apparaissent complémentaires et leur association au sein d'un même modèle permet d'améliorer les simulations de débit. La structure du modèle simple GR3J a ainsi pu être modifiée pour obtenir une structure à quatre paramètres plus satisfaisante, avec notamment une meilleure simulation des étiages.

Le travail de thèse a pour objectif d'estimer précisément la quantité d'eau que l'on peut espérer collecter par la rosée dans le village côtier de Mirleft, situé au sud d'Agadir (Maroc), de la comparer aux autres ressources renouvelables de récupération d'eau douce (brouillard, pluie) et d'estimer sa qualité. La mise en place à Mirleft d'une station météorologique, de 4 condenseurs et d'un filet à brouillard a permis d'obtenir des données concernant la période comprise entre le 01/05/2007 et le 31/04/2008. De très nombreux événements de rosée ont été observés, avec de rares événements de brouillard. L'eau de rosée représente 40 % de l'apport annuel en pluie et apparaît donc comme une composante essentielle de l'apport hydrique total. Une approche mathématique de la modélisation de la rosée a estimé son rendement sur une quinzaine de sites répartis sur tout le territoire du Maroc. Une analyse spatio-temporelle a permis une meilleure connaissance du phénomène de la condensation à l'échelle du Maroc. Concernant les analyses chimiques, les pH moyens de la rosée et de la pluie sont respectivement égaux à 7,40 (± 0.28) et 6,85 (± 0.21) avec une conductivité moyenne de 727,25 μS/cm (± 678.64) et 316 μS/cm (± 306.07), représentant une minéralisation totale de 560 mg L-1 et 230 mg L-1. Dans cette étude, le rapport TA/TC, inférieur à 1, indique la nature alcaline de ces eaux. L'analyse des ions majeurs a montré que la concentration du Cl- et Na+ est élevée par rapport à celle des autres éléments. Une analyse en composante principale (ACP) a été réalisée sur les données afin d'identifier l'origine possible des ions. Pour estimer la contribution marine et non marine de ces ions, la fraction du sel provenant de la mer (SSF) a été calculé. Les faibles pourcentages du SSF de la rosée ont suggéré une contribution considérable d'origine non marine pour des composants comme Ca²+, K+, SO4 2- et NO3 - exceptés le Cl-, Na+ et Mg2+. Par contre dans l'eau de pluie, les valeurs du NSSF (No Sea Salt Fraction) indiquent que seulement Ca²+ et NO3 - ne sont pas influencés par la mer. L'étude du facteur de neutralisation a révélé l'ordre décroissant des cations dans l'eau des deux sources NFCa²+ > NFMg²+ > NFK+. On a constaté l'influence du climat sur la chimie de la rosée et par conséquent les variations temporelles où les saisons de transition et sèches sont plus concentrées en éléments que la saison humide caractérisée par les taux élevés en eau de rosée. Les quantités d'ions mesurées et les analyses biologiques montrent que l'eau de rosée est potable vis-à-vis des recommandations de l'OMS. Les résultats en termes de rendements associés aux analyses chimiques de l'eau de rosée et le succès du condenseur de démonstration dans différentes régions où notre équipe a réalisé ces recherches nous ont incité à équiper avec succès des grands systèmes de collectes à Idousskssou (8 km SE de Mirleft) pour l'usage de la population locale.

Cette étude analyse l'effet de la structure du sol sur le transfert particulaire par l'érosion hydrique diffuse. Le travail s'appuie sur des simulations de pluie en laboratoire et sur la détermination de la composition granulométrique agrégée des fragments de sol produits par les processus érosifs. Chacun des processus érosifs — désagrégation, mise en mouvement par la pluie, transfert par splash et transport par le ruissellement — est étudié séparément afin de mieux appréhender les mécanismes physiques impliqués. La réalisation de bilans de masse à partir des flux mesurés permet d'identifier la sélectivité granulométrique de la mise en mouvement par la pluie et du transport par le ruissellement. Du fait de cette sélectivité, la composition des fragments de sol mis à disposition des processus conditionne l'intensité des flux érodés. À partir de ces résultats, un modèle de prédiction de l'exportation des sédiments par l'érosion diffuse est ébauché. Ce modèle conduit à la prise en compte de la dynamique structurale des sols dans la modélisation déterministe de l'érosion hydrique diffuse.

A travers une approche transversale, une étude de l'effet de la dynamique des pluies et de l'effet de la longueur de versant sur le ruissellement est réalisée à l'échelle de la parcelle. Dans cet objectif, une parcelle de vigne en Ardèche est instrumentée afin de mener à bien des expériences de ruissellement sous pluies simulées et sous pluies naturelles. Des simulations de pluie en laboratoire complètent ces expériences à l'aide d'un milieu poreux artificiel reproductible constitué de briques de céramique. Une modélisation du ruissellement est ensuite effectuée par l'utilisation d'un modèle distribué à base physique (PSEM_2D) et par la création d'un modèle conceptuel constitué d'un assemblage de cuvettes de profil triangulaire. En régime permanent, les résultats des simulations de pluie sur le terrain montrent que l'intensité de ruissellement est identique pour toutes les longueurs collectées. La responsabilité du régime transitoire dans la non-proportionnalité du volume ruisselé avec la longueur de versant est mise en évidence. Une augmentation de l'infiltration en régime permanent avec l'intensité de pluie est observée sur le terrain et en laboratoire. En présence de microtopographie, les résultats de la modélisation montrent qu'une augmentation de la conductivité hydraulique avec l'altitude du point considéré peut expliquer la gamme de variation de l'infiltration observée sur le terrain. Une pluie intermittente génère plus de ruissellement qu'une pluie continue de même intensité moyenne selon les expériences sous pluies simulées. Cet effet est cependant fortement atténué aux fortes intensités de par l'augmentation de l'infiltration avec l'intensité de pluie et de par l'infiltration de la détention superficielle entre deux averses (estimée par le déficit de ruissellement par intermittence entre deux pluies intermittente et continue de même cumul). Cette observation valide l'utilisation d'un coefficient de ruissellement indépendamment du hyétogramme dans les modèles.

La dynamique de la végétation du plateau de Millevaches présente de nombreuses particularités l'individualisant assez nettement du reste du Massif central. Les démarrages du noisetier (Corylus) et du chêne (Quercus) sont simultanés et datés de 9 120 ± 90 BP (soit [8551-8204] cal. BP). A l'Atlantique ancien, le noisetier constitue toujours l'essentiel de l'environnement végétal, accompagné du chêne, dont l'implantation ne progresse qu'étonnamment peu, et l'orme (Ulmus). Une réorganisation des formations forestières a lieu autour de 7 040 ± 110 BP (soit [8108-7665] cal. BP) avec une infiltration conséquente du tilleul (Tilia) et une première véritable régression des populations de noisetiers. C'est à la transition Néolithique ancien-Néolithique final (autour de 5 500 BP) qu'une présence humaine est révélée constituant la toute première trace d'anthropisation de tout le Limousin. Une installation retardée et progressive du hêtre (Fagus) constitue le point clé de la dynamique subboréale de la végétation du plateau de Millevaches, avec la non pénétration du sapin (Abies). L'arrivée du hêtre se fait à 4 800 BP (soit [5660-5317] cal. BP) ce qui constitue un retard de près de 700 ans (années calibrées BP) par rapport à la Haute-Auvergne. Les premières constitutions des chênaies-hêtraies sont postérieures 4 000 BP (soit [4826-4418] cal. BP) et ce n'est que postérieurement à 3 450  70 BP (soit [1930-1532] cal. BP) que le hêtre constitue l'essence dominante. Un déterminisme climatique, notamment pour son installation différée, a toujours été avancé par le passé dans le sens où la péjoration climatique subboréale n'avait peut-être pas été suffisante pour entraîner un net recul des chênaies au profit du hêtre. Il est permis d'évoquer maintenant une possible contribution anthropique à cette installation très accidentée du hêtre dès la transition Néolithique final-Bronze ancien. La Tène et plus particulièrement les IVe-IIe siècles avant notre ère constituent la deuxième période clé d'expansion de l'anthropisation. Cette vaste politique d'ouverture du milieu à vocation, semble-t-il d'abord pastorale, se poursuit à la période gallo-romaine. Certains indices polliniques laissent envisager l'hypothèse d'une culture du sarrasin (Fagopyrum) et du seigle (Secale) autour des IIe-IIIe siècles de notre ère. Enfin, une période centrée sur les Xe-XIIe siècles amorce une phase de forte pression agro-pastorale : ouverture totale du milieu, pâturage intensif causant le développement des landes sèches à callune (Calluna vulgaris), polyculture céréalière et, de façon plus marginale, arboriculture (Châtaigner/Castanea principalement, et Noyer/Juglans plus rarement). Deux inflexions sont notables : la fin du IIIe siècle de notre ère correspond à un repli agricole assez ponctuel et la déprise agricole moderne qui en définitive constitue, sur le plateau de Millevaches, le point de rupture et de mutation agraire le plus important au moins depuis le Moyen Age. De façon à caractériser précisément les modalités de l'anthropisation, une étude spécialisée de la pluie pollinique actuelle et une recherche de nouveaux marqueurs anthropiques (géochimiques surtout) ont été menées.