La gestion et la protection des ressources en eau nécessitent une bonne connaissance des processus hydrologiques à l'échelle du bassin versant. Le problème se pose en particulier aux Antilles où l'activité agricole est à l'origine de pollutions chroniques des ressources en eau et des sols.<br />L'objectif de cette thèse est de caractériser le fonctionnement hydrologique d'un petit bassin versant volcanique en climat tropical, dans un contexte cultivé principalement en banane. Le site d'étude est le bassin de Féfé (17,8 ha), sur l'île de la Basse-Terre en Guadeloupe, qui a été instrumenté entre 2003 et 2006. Deux approches complémentaires ont été utilisées.<br />Premièrement, l'approche expérimentale combinant géologie, hydrologie, hydrogéologie et traçage (pesticide) a permis de caractériser la structure, le bilan et les processus hydrologiques d'un petit bassin versant. Un schéma de fonctionnement global a été établi avec comme caractéristiques principales des flux hydriques élevés (pluie annuelle > 4 000 mm), une importante recharge des nappes (60 % de la pluie efficace annuelle), et une prédominance du ruissellement hortonien. Un modèle global à réservoirs basé sur ce schéma conceptuel a permis de reproduire correctement les flux de surface et souterrains. Ces études nous ont permis d'identifier les principaux mécanismes de contamination des sols et des eaux de surface et de nappes par un nématicide utilisé en bananeraies (le cadusafos).<br />Deuxièmement, l'approche de modélisation à l'aide du modèle distribué MHYDAS, a permis de rendre compte de l'incidence de l'occupation du sol et du réseau de fossés sur la genèse des crues. Cette approche intègre les spécificités du milieu cultivé tropical que sont la redistribution de la pluie par la plante (stemflow du bananier) et les échanges nappe-fossé. L'application du modèle aux échelles de la parcelle, du sous-bassin et du bassin versant, a permis de mieux caractériser les variabilités spatiale et temporelle des processus hydrologiques.<br />Ces deux approches constituent une voie pertinente pour évaluer l'impact environnemental des épandages agricoles, caractériser les changements d'échelle, et tester l'impact de l'occupation du sol.

La thèse, inscrite dans le programme européen tempQsim, a pour objectif d'identifier des périodes critiques pour la qualité de l'eau - azote et phosphore, des rivières intermittentes. L'étude a été menée sur la Vène, tributaire de l'étang de Thau. Quatre composantes principales participent à l'écoulement: les zones urbaines, les zones agricoles, deux sources karstiques et les rejets de stations d'épurations (STEP).<br />Quatre modes hydrologiques ont été identifiés. (1) A l'étiage, la rivière s'assèche et les rejets des STEPs sont la seule contribution au débit de la rivière. (2) A la reprise de l'écoulement, des crues rapides se succèdent, liées soit au ruissellement sur les zones urbaines, voire agricoles, soit aux sources karstiques. (3) Les crues de hautes eaux sont provoquées par la mise en charge du karst. (4) Le tarissement commence quand la source karstique la plus en amont s'arrête. D'une année à l'autre, la durée et les caractéristiques des modes hydrologiques sont très variables.<br />La mise en œuvre d'une modélisation conceptuelle, axée sur les événements de crues rapides, a permis de reproduire convenablement les crues de reprise d'écoulement.<br />Le niveau de contamination de la rivière est faible et les variations de flux sont liées aux crues. Trois modes de dynamique des nutriments ont été distingués. (1) Lors des périodes d'accumulation, les nutriments issus des rejets des STEPs, sont stockés dans le lit de la rivière : le phosphore est précipité, l'azote est dénitrifié. (2) Lors des crues de reprise d'écoulement, les nutriments, surtout le phosphore, sont remobilisés dans le lit de la rivière. (3) Lors des crues de hautes eaux, les nutriments proviennent du bassin versant et des sources karstiques. <br />Cette étude montre comment la dynamique des nutriments est liée au fonctionnement hydrologique : l'étiage est une période critique du point de vue du niveau de contamination et de l'accumulation des nutriments, et les crues rapides provoquent leur remobilisation.

La prise en compte de l'hétérogénéité spatiale des bassins versants est nécessaire pour répondre aux divers enjeux liés à la gestion des ressources en eaux, tant au niveau quantitatif que qualitatif. Les modèles hydrologiques spatialisés permettent de prendre en compte l'hétérogénéité des surfaces continentales et des données d'entrée dans la modélisation du cycle de l'eau. La revue bibliographique réalisée dans la première partie a permis d'aborder différents aspects de la problématique de la prise en compte de l'hétérogénéité spatiale dans les modèles hydrologiques. Cette revue a débouché sur la proposition d'une méthode de découpage spatiale suivant trois niveaux emboîtés, de manière à adapter la description de l'hétérogénité spatiale des bassins versants à la question posée. Le premier niveau consiste en un découpage en sous-bassins (REWs) organisés autour du réseau hydrographique. Le second niveau de discrétisation (hydro-paysages) permet de décrire l'hétérogénéité spatiale des REWs. Nous avons proposé un cadre méthodologique pour le découpage en hydro-paysages. Le troisième niveau permet d'obtenir les mailles finales de la modélisation après redécoupage éventuel des hydro-paysages en fonction de contraintes numériques. Un exemple sur le Haut-bassin de la Saône permet d'illustrer l'ensemble de la démarche. La méthodologie proposée est associée à une modélisation flexible permettant d'adapter le découpage spatial à l'échelle des données disponibles et à l'échelle des processus hydrologiques à modéliser. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons présenté les outils utilisés pour réaliser des modélisations hydrologiques ‘à la carte', basés sur la plate-forme de modélisation LIQUID qui a servi de support à notre travail. Afin de prendre en compte dans la modélisation, les mailles non-structurées issues du découpage spatial proposé, nous avons développé un modèle de simulation des tranferts latéraux dans la zone saturée. Il résout l'équation de Boussinesq 2D sur un maillage irrégulier mais conforme. Différents tests ont été réalisés pour valider le modèle. Nous avons enfin abordé, sur quelques exemples simples, la problématique du couplage de différents modules en partant de ce module saturé et en étudiant le couplage avec les écoulements dans la rivière et la zone non saturée.

Le fonctionnement hydrologique des petits bassins versants ruraux de quelques km² à régime intermittent est complexe car de nombreux processus affectent le cheminement des eaux de surface. Il en résulte une variabilité de la densité de drainage et de la dynamique de l'écoulement au sein du réseau hydrographique. Cette dynamique de fonctionnement est peu prise en considération du fait des difficultés d'ordres techniques et économiques pour suffisamment observer les mouvements de l'eau à la surface. Or, c'est une information essentielle pour décrire la connectivité hydrologique du bassin qui représente la distribution spatiale et temporelle des surfaces contributives à l'écoulement par leur connexion au réseau de drainage. De telles connaissances seraient utiles pour traiter la question de la séparation entre production et transfert effectuée dans les modèles hydrologiques, avec la perspective de proposer des simulations plus justes physiquement. L'objectif de la thèse est de proposer des approches spatiales pour mieux intégrer la dynamique de fonctionnement du réseau de drainage en lien étroit avec la réponse hydrologique du bassin. Le Mercier (7 km²) est le site expérimental situé en tête du bassin versant de l'Yzeron (142 km²) localisé à l'ouest de l'agglomération lyonnaise. Ce bassin sur socle cristallin est composé essentiellement de surfaces agricoles et de forêts. Son fonctionnement hydrologique est affecté par l'existence de zones humides contributives. Un réseau de routes et de fossés anthropiques s'ajoute aux talwegs naturels. Les méthodes développées relèvent de deux approches : (1) la microtopographie issue d'un MNT LiDAR (Light Detection and Ranging) permet d'identifier et décrire des extensions fonctionnelles du réseau de drainage d'une part au niveau des linéaires artificiels avec un apport minimal de données externes, et d'autre part au niveau des talwegs naturels en distinguant la présence ou l'absence d'un chenal de drainage, signe d'un potentiel d'écoulement concentré. (2) Un dispositif de 18 capteurs limnimétriques est mis en œuvre pour assurer un suivi permanent de la réponse hydrologique par emboitement de stations au sein du réseau hydrographique. Cette observation « multi-locale » permet de mesurer l'évolution de la densité de drainage, d'identifier localement la hiérarchie des facteurs qui affectent la réponse et de distinguer différentes dynamiques de transfert dans le réseau de drainage. Les résultats des approches par la microtopographie et par observations multi-locales aident à identifier des régions du bassin au comportement différent. Ils permettent notamment de mieux comprendre les interrelations entre occupation du sol et processus hydrologiques, voire géomorphologie et processus. Ces résultats valident donc l'intérêt du capteur LiDAR et celui d'un dispositif in situ souple et adaptable pour proposer un « pattern de drainage » réaliste en limitant le recours au terrain. Enfin, ce pattern décrivant la tendance d'organisation spatiale des écoulements, est paramétré dans une fonction de transfert géomorphologique calculée sur la base des cheminements fournis par un MNT. L'usage de cet outil constitue une ébauche mais conforte l'idée d'un couplage entre le pattern de drainage et la réponse du bassin versant dans des conditions d'intensité pluvieuse soutenue et d'humidité modérée pour expliquer la réponse rapide du bassin. L'ensemble des résultats justifie donc la mise en avant de la nature transitoire du réseau de drainage pour paramétrer des modèles spatialisés avec la perspective d'améliorer leurs capacités prédictives. / Hydrological functioning of small temporary catchments depends on several processes governing transfer from surface water paths. As a result flow dynamics and drainage density are highly variable in space and time. But this complex dynamic is not enough taken into account because of technical and economical limitations. However, it is essential to describe hydrological connectivity as a spatial and temporal pattern of contributive areas to the drainage network. Get this pattern may facilitate the conceptual distinction between production and transfer functions to improve spatially distributed models. The aim of the study is to develop methods to describe spatial and temporal patterns of the drainage network in relation to catchment hydrological responses. The Mercier headwater catchment (7 km²) is located into the Yzeron catchment near Lyon (France). The land use is principally composed of agricultural plots and forested areas. The hydrographical network consists of natural thalwegs and many roadside ditches and agrarian ditches. Both approaches are developed for this purpose: first, the micro-topography from a LiDAR DEM helps to describe potential flow lengths from drainage network extensions during rainfall events. On the one hand, main artificial ditches are mapped from the DEM with minimal corrections from ancillary data. On the other hand, channelized or unchannelized reaches are located from the DEM into the natural thalwegs. Second, a water level sensor device is set up to record hydrological response from 18 stations located in nested sub-catchments into the hydrological network. These synoptic measurements are used to estimate temporal changes in drainage density, to analyze local hydrological functioning, or to describe flood propagation to the outlet. Results from both approaches lead to the identification of specific behaviors inside the hydrological network controlled by functional thresholds. These patterns help to better understand the relationship between land use and hydrological processes. The results also show the interest of LiDAR DEM and the suitability of adaptable distributed measurements as a substitute to heavy in situ studies for the identification of drainage patterns. Finally, to test the assumption of a gradual drainage network extension during a rainfall event, a simplified drainage pattern is processed into a geomorphological transfer function. This tool is fairly easy to set and is used to initiate an association between local hydrological knowledge and global catchment response. Both approaches lead to conclude that various drainage pattern must be integrated into spatially distributed models according to hydrological conditions, rather than a single hydrological network.

Aux Antilles, la disponibilité limitée des ressources en contexte insulaire et l'activité agricole à aux niveaux d'intrants fragilisent les ressources en eau. Dans les zones bananières à forts niveaux d'intrants, des phénomènes de pollution des eaux sont particulièrement marqués, notamment du fait de l'usage d'un pesticide, la chlordécone. La connaissance du fonctionnement des systèmes hydrologiques à l'échelle du bassin versant représente un enjeu primordial pour pouvoir estimer l'exposition de l'écosystème aux pollutions et pour prévoir l'évolution des contaminations dans le temps. L'objectif de la thèse a été de développer une modélisation mécaniste représentant les processus hydrologiques de surface et souterrains à l'échelle d'un bassin versant sur substrat volcanique, sous climat tropical humide, situé en zone bananière en Guadeloupe. En premier a été développé un modèle parcellaire de bilan hydrique adapté au cas des cultures bananières. Il a pour originalité de prendre en compte l'importante redistribution de pluie opérée par le couvert bananier et d'en simuler les effets en matière d'intensité et d'hétérogénéité intra-parcellaire sur les termes du bilan hydrique. Les résultats d'analyse de sensibilité montrent que la redistribution de la pluie augmente le ruissellement de surface ainsi que la percolation, en cohérence avec les observations de terrain, mais impacte peu ou temporairement l'évapotranspiration et l'humidité du sol. Le calage du modèle sur des données expérimentales indiquent une performance améliorée de la simulation du ruissellement par rapport à un modèle ignorant le mécanisme de redistribution. En second, le bassin versant expérimental de Féfé (17.8 ha) a fait l'objet d'une approche de modélisation intégrant processus hydrologiques de surface et souterrains basée sur un chaînage itératif des modèles MHYDAS et MODFLOW. Confrontée à une année hydrologique de mesures de débits à l'exutoire et de piézométries, l'approche de chaînage de modèles de surface et souterrain apparaît pertinente. Une limite majeure est toutefois la non prise en compte de la zone non saturée dans le processus de recharge des aquifères. L'analyse des simulations et de leurs écarts avec les données observées conforte plusieurs hypothèses issues des analyses expérimentales : un ruissellement de surface fortement hortonien, une contribution majeure des écoulement souterrains au débit à l'exutoire. Elle indique toutefois également une indétermination des processus majeurs lors des périodes de fortes pluies. Différentes hypothèses sont proposées qu'il conviendra d'évaluer dans des travaux futurs. Ce travail constitue une première étape pour évaluer les chemins d'écoulement majeurs et les dynamiques des contaminations par les produits phytosanitaires dans un milieu volcanique tropical sous culture bananière. / In the French West Indies (FWI), limited resources supply on island and farming with extensive uses of pesticides have damaged water resources. In environments under intensive banana production, water pollution can be of particular concern, with regards to the use of chlordecone, an insecticide to control the banana weevil. Understanding the hydrological behaviour of a catchment is a challenge in assessing the exposure of the ecosystem to pollutions and in predicting the long-term contamination dynamics. This thesis aimed at developing a model to simulate de surface and underground hydrological processes at the catchment scale on volcanic deposits in a humid tropical area covered by banana plantations in Guadeloupe. First, we developed an original water budget model at the plot scale, adapted to the banana canopy. It takes into account the high rainfall redistribution by banana cover and simulates the effects of modified rainfall intensities and within-plot heterogeneities on the water balance components. The sensitivity analysis showed that rainfall redistribution promotes surface runoff and percolation, in accordance with the field observations, but influences little or only temporarily the average field evapotranspiration and soil moisture. The model calibration tested on experimental data indicated improved runoff production performances compared to a model without rainfall redistribution. Secondly, the Féfé experimental catchment (17.8 ha) was studied with a linked iterative modelling approach (of MHYDAS and MODFLOW) that includes surface and underground hydrological processes. Tested against a year of outlet discharge and water table depth measurements, the linked modelling approach seems appropriate. However, the main limit of this approach was that it does not consider the transfer through the unsaturated zone when simulating the aquifers' recharge. The analysis of the results and of the differences between measured and simulated variables supported the hypothesis, from experimental analyses, that: the surface runoff is mainly Hortonian, groundwater flow is the main contributor to runoff at the catchment outlet. However, there was still uncertainty concerning the main processes during wet periods. Various hypotheses were suggested and should be investigated in future studies. This work represents a first step towards the evaluation of the major flow paths and contamination dynamics of pesticides on volcanic deposits in a humid tropical area covered by banana plantations.

Le bassin Amazonien est connu comme le plus grand système hydrologique du monde et pour son rôle important sur le système terre, influençant le cycle du carbone et le climat global. Les pressions anthropiques récentes, telles que la déforestation, les changements climatiques, la construction de barrage hydro-électriques, ainsi que l’augmentation des crues et sécheresse extrêmes qui se produisent dans cette région, motivent l’étude de l’hydrologie du bassin Amazonien. Dans le même temps, des méthodes hydrologiques de modélisation et de surveillance par observation satellitaire ont été développées qui peuvent fournir les bases techniques à cette fin. Ce travail a eu pour objectif la compréhension et la prévision du régime hydrologique du bassin Amazonien. Nous avons développé et évaluer des techniques de modélisation hydrologique-hydrodynamique de grande échelle, d’assimilation de données in situ et spatiales et de prévision hydrologique. L’ensemble de ces techniques nous a permis d’explorer le fonctionnement du bassin Amazonien en terme de processus physiques et de prévisibilité hydrologique. Nous avons utilisé le modèle hydrologique-hydrodynamique de grande échelle MGB-IPH pour simuler le bassin, le forçage précipitation étant fourni par l’observation spatiale. Les résultats de la modélisation sont satisfaisants lorsque validés à partir de données in situ de débit et de hauteurs d’eau mais également de données dérivées de l’observation spatiale incluant les niveaux d’eau déduits de l’altimétrie radar, le contenu en eau total issu de la gravimétrie satellitaire, l’extension des zones inondées. Nous avons montré que les eaux superficielles sont responsables en grande partie de la variation du stock total d’eau, l’influence des grands plans d’eau sur la variabilité spatiale des précipitations et l’influence des plaines d’inondation et des effets de remous sur la propagation des ondes de crues. Nos analyses ont montré le rôle prépondérant des conditions initiales, en particulier des eaux superficielles, pour la prévisibilité des grands fleuves Amazoniens, la connaissance des précipitations futures n’ayant qu’une influence secondaire. Ainsi, pour améliorer l’estimation des variables d’état hydrologiques, nous avons développé, pour la première fois, un schéma d’assimilation de données pour un modèle hydrologique-hydrodynamique de grande échelle, pour l’assimilation de données de jaugeages in situ et dérivées de l’altimétrie radar (débit et hauteur d’eau), dont les résultats se sont montrés satisfaisants. Nous avons également développé un prototype de système de prévision des débits pour le bassin Amazonien, basé sur le modèle initialisé avec les conditions initiales optimales fournies par le schéma d’assimilation de données, et en utilisant la pluie estimée par satellite disponible en temps réel. Les résultats ont été prometteurs, le modèle étant capable de prévoir les débits dans les principaux fleuves Amazoniens avec une antécédence importante (entre 1 et 3 mois), permettant d’anticiper, par exemple, la sècheresse extrême de 2005. Ces résultats démontrent le potentiel de la modélisation hydrologique appuyé par l’observation spatiale pour la prévision des débits avec une grande antécédence dans les grands bassins versant mondiaux. / A bacia Amazônica se destaca como o principal sistema hidrológico do mundo e pelo seu importante papel no sistema terrestre, influenciando o ciclo de carbono e o clima global. Recentes pressões antrópicas, como o desflorestamento, mudanças climáticas e a construção de barragens hidroelétricas, somados às crescentes cheias e secas extremas ocorridas nesta região, motivam o estudo da hidrologia da bacia Amazônica. Ao mesmo tempo, têm se desenvolvido métodos hidrológicos de modelagem e monitoramento via sensoriamento remoto que podem fornecer as bases técnicas para este fim. Este trabalho objetivou a compreensão e previsão da hidrologia da bacia Amazônica. Foram desenvolvidas e avaliadas diversas técnicas, incluindo de modelagem hidrológica-hidrodinâmica de larga escala, de assimilação de dados in situ e de sensoriamento remoto, e de previsão hidrológica. Este conjunto de técnicas foi utilizado para compreender o funcionamento da bacia Amazônica em termos de seus processos hidrológicos e sua previsibilidade hidrológica. O modelo hidrológico-hidrodinâmico de larga escala MGB-IPH foi utilizado para simular a bacia, sendo forçado com dados de chuva estimados por satélite. O modelo mostrou bom desempenho em uma validação detalhada contra observações de vazões e cotas in situ além de dados oriundos de sensoriamento remoto, incluindo níveis d’água de altimetria por radar, armazenamento d’água de gravimetria espacial e extensão de áreas alagadas. Mostrou-se a dominância das águas superficiais nas variações do armazenamento de água, a influência dos grandes corpos d’água sobre a variabilidade espacial da precipitação, além da importância das várzeas da inundação e efeitos de remanso sobre a propagação das ondas de cheia Amazônicas. As condições hidrológicas iniciais, com destaque para as águas superficiais, mostraram dominar a previsibilidade hidrológica nos grandes rios amazônicos, tendo assim a precipitação no futuro um papel secundário. Portanto, afim de melhor estimar os estados hidrológicos, de forma pioneira, foi desenvolvido um esquema de assimilação de dados para um modelo hidrológicohidrodinâmico de larga escala para assimilar informações in situ e de altimetria por radar, cujo desempenho se mostrou satisfatório. Desenvolveu-se também um protótipo de sistema de previsão de vazões para a bacia Amazônica, baseado no modelo inicializado com condições iniciais ótimas do esquema de assimilação de dados e utilizando precipitação estimada por satélite disponível em tempo real. Os resultados foram promissores e o modelo foi capaz de prever vazões nos principais rios amazônicos com grande antecedência (~1 a 3 meses), antecipando, por exemplo, a grande seca de 2005. Estes resultados mostram o potencial da modelagem hidrológica de larga escala apoiada por informação de sensoriamento remoto na previsão de vazões com alta antecedência nas grandes bacias hidrográficas do mundo. / The Amazon basin is known as the world’s main hydrological system and by its important role in the earth system, carbon cycle and global climate. Recent anthropogenic pressure, such as deforestation, climate change and the construction of hydropower dams, together with increasing extreme floods and droughts, encourage the research on the hydrology of the Amazon basin. On the other hand, hydrological methods for modeling and remotely sensed observation are being developed, and can be used for this goal. This work aimed at understanding and forecasting the hydrology of the Amazon River basin. We developed and evaluated techniques for large scale hydrologic-hydrodynamic modeling, data assimilation of both in situ and remote sensing data and hydrological forecasting. By means of these techniques, we explored the functioning of the Amazon River basin, in terms of its physical processes and its hydrological predictability. We used the MGB-IPH large scale hydrologichydrodynamic model forced by satellite-based precipitation. The model had a good performance when extensively validated against in situ discharge and stage measurements and also remotely sensed data, including radar altimetry-based water levels, gravimetric-based terrestrial water storage and flood inundation extent. We showed that surface waters governs most of the terrestrial water storage changes, the influence of large water bodies on precipitation spatial variability and the importance of the floodplains and backwater effects on the routing of the Amazon floodwaves. Analyses showed the dominant role of hydrological initial conditions, mainly surface waters, on hydrological predictability on the main Amazon Rivers, while the knowledge of future precipitation may be secondary. Aiming at the optimal estimation of these hydrological states, we developed, for the first time, a data assimilation scheme for both gauged and satellite altimetry-based discharge and water levels into a large scale hydrologic-hydrodynamic model, and it showed a good performance. We also developed a forecast system prototype, where the model is based on initial conditions gathered by the data assimilation scheme and forced by satellite-based precipitation. Results are promising and the model was able to provide accurate discharge forecasts in the main Amazon rivers even for very large lead times (~1 to 3 months), predicting, for example, the historical 2005 drought. These results point to the potential of large scale hydrological models supported with remote sensing information for providing hydrological forecasts well in advance at world’s large rivers and poorly monitored regions.

Le bassin Amazonien est connu comme le plus grand système hydrologique du monde et pour son rôle important sur le système terre, influençant le cycle du carbone et le climat global. Les pressions anthropiques récentes, telles que la déforestation, les changements climatiques, la construction de barrage hydro-électriques, ainsi que l’augmentation des crues et sécheresse extrêmes qui se produisent dans cette région, motivent l’étude de l’hydrologie du bassin Amazonien. Dans le même temps, des méthodes hydrologiques de modélisation et de surveillance par observation satellitaire ont été développées qui peuvent fournir les bases techniques à cette fin. Ce travail a eu pour objectif la compréhension et la prévision du régime hydrologique du bassin Amazonien. Nous avons développé et évaluer des techniques de modélisation hydrologique-hydrodynamique de grande échelle, d’assimilation de données in situ et spatiales et de prévision hydrologique. L’ensemble de ces techniques nous a permis d’explorer le fonctionnement du bassin Amazonien en terme de processus physiques et de prévisibilité hydrologique. Nous avons utilisé le modèle hydrologique-hydrodynamique de grande échelle MGB-IPH pour simuler le bassin, le forçage précipitation étant fourni par l’observation spatiale. Les résultats de la modélisation sont satisfaisants lorsque validés à partir de données in situ de débit et de hauteurs d’eau mais également de données dérivées de l’observation spatiale incluant les niveaux d’eau déduits de l’altimétrie radar, le contenu en eau total issu de la gravimétrie satellitaire, l’extension des zones inondées. Nous avons montré que les eaux superficielles sont responsables en grande partie de la variation du stock total d’eau, l’influence des grands plans d’eau sur la variabilité spatiale des précipitations et l’influence des plaines d’inondation et des effets de remous sur la propagation des ondes de crues. Nos analyses ont montré le rôle prépondérant des conditions initiales, en particulier des eaux superficielles, pour la prévisibilité des grands fleuves Amazoniens, la connaissance des précipitations futures n’ayant qu’une influence secondaire. Ainsi, pour améliorer l’estimation des variables d’état hydrologiques, nous avons développé, pour la première fois, un schéma d’assimilation de données pour un modèle hydrologique-hydrodynamique de grande échelle, pour l’assimilation de données de jaugeages in situ et dérivées de l’altimétrie radar (débit et hauteur d’eau), dont les résultats se sont montrés satisfaisants. Nous avons également développé un prototype de système de prévision des débits pour le bassin Amazonien, basé sur le modèle initialisé avec les conditions initiales optimales fournies par le schéma d’assimilation de données, et en utilisant la pluie estimée par satellite disponible en temps réel. Les résultats ont été prometteurs, le modèle étant capable de prévoir les débits dans les principaux fleuves Amazoniens avec une antécédence importante (entre 1 et 3 mois), permettant d’anticiper, par exemple, la sècheresse extrême de 2005. Ces résultats démontrent le potentiel de la modélisation hydrologique appuyé par l’observation spatiale pour la prévision des débits avec une grande antécédence dans les grands bassins versant mondiaux. / A bacia Amazônica se destaca como o principal sistema hidrológico do mundo e pelo seu importante papel no sistema terrestre, influenciando o ciclo de carbono e o clima global. Recentes pressões antrópicas, como o desflorestamento, mudanças climáticas e a construção de barragens hidroelétricas, somados às crescentes cheias e secas extremas ocorridas nesta região, motivam o estudo da hidrologia da bacia Amazônica. Ao mesmo tempo, têm se desenvolvido métodos hidrológicos de modelagem e monitoramento via sensoriamento remoto que podem fornecer as bases técnicas para este fim. Este trabalho objetivou a compreensão e previsão da hidrologia da bacia Amazônica. Foram desenvolvidas e avaliadas diversas técnicas, incluindo de modelagem hidrológica-hidrodinâmica de larga escala, de assimilação de dados in situ e de sensoriamento remoto, e de previsão hidrológica. Este conjunto de técnicas foi utilizado para compreender o funcionamento da bacia Amazônica em termos de seus processos hidrológicos e sua previsibilidade hidrológica. O modelo hidrológico-hidrodinâmico de larga escala MGB-IPH foi utilizado para simular a bacia, sendo forçado com dados de chuva estimados por satélite. O modelo mostrou bom desempenho em uma validação detalhada contra observações de vazões e cotas in situ além de dados oriundos de sensoriamento remoto, incluindo níveis d’água de altimetria por radar, armazenamento d’água de gravimetria espacial e extensão de áreas alagadas. Mostrou-se a dominância das águas superficiais nas variações do armazenamento de água, a influência dos grandes corpos d’água sobre a variabilidade espacial da precipitação, além da importância das várzeas da inundação e efeitos de remanso sobre a propagação das ondas de cheia Amazônicas. As condições hidrológicas iniciais, com destaque para as águas superficiais, mostraram dominar a previsibilidade hidrológica nos grandes rios amazônicos, tendo assim a precipitação no futuro um papel secundário. Portanto, afim de melhor estimar os estados hidrológicos, de forma pioneira, foi desenvolvido um esquema de assimilação de dados para um modelo hidrológicohidrodinâmico de larga escala para assimilar informações in situ e de altimetria por radar, cujo desempenho se mostrou satisfatório. Desenvolveu-se também um protótipo de sistema de previsão de vazões para a bacia Amazônica, baseado no modelo inicializado com condições iniciais ótimas do esquema de assimilação de dados e utilizando precipitação estimada por satélite disponível em tempo real. Os resultados foram promissores e o modelo foi capaz de prever vazões nos principais rios amazônicos com grande antecedência (~1 a 3 meses), antecipando, por exemplo, a grande seca de 2005. Estes resultados mostram o potencial da modelagem hidrológica de larga escala apoiada por informação de sensoriamento remoto na previsão de vazões com alta antecedência nas grandes bacias hidrográficas do mundo. / The Amazon basin is known as the world’s main hydrological system and by its important role in the earth system, carbon cycle and global climate. Recent anthropogenic pressure, such as deforestation, climate change and the construction of hydropower dams, together with increasing extreme floods and droughts, encourage the research on the hydrology of the Amazon basin. On the other hand, hydrological methods for modeling and remotely sensed observation are being developed, and can be used for this goal. This work aimed at understanding and forecasting the hydrology of the Amazon River basin. We developed and evaluated techniques for large scale hydrologic-hydrodynamic modeling, data assimilation of both in situ and remote sensing data and hydrological forecasting. By means of these techniques, we explored the functioning of the Amazon River basin, in terms of its physical processes and its hydrological predictability. We used the MGB-IPH large scale hydrologichydrodynamic model forced by satellite-based precipitation. The model had a good performance when extensively validated against in situ discharge and stage measurements and also remotely sensed data, including radar altimetry-based water levels, gravimetric-based terrestrial water storage and flood inundation extent. We showed that surface waters governs most of the terrestrial water storage changes, the influence of large water bodies on precipitation spatial variability and the importance of the floodplains and backwater effects on the routing of the Amazon floodwaves. Analyses showed the dominant role of hydrological initial conditions, mainly surface waters, on hydrological predictability on the main Amazon Rivers, while the knowledge of future precipitation may be secondary. Aiming at the optimal estimation of these hydrological states, we developed, for the first time, a data assimilation scheme for both gauged and satellite altimetry-based discharge and water levels into a large scale hydrologic-hydrodynamic model, and it showed a good performance. We also developed a forecast system prototype, where the model is based on initial conditions gathered by the data assimilation scheme and forced by satellite-based precipitation. Results are promising and the model was able to provide accurate discharge forecasts in the main Amazon rivers even for very large lead times (~1 to 3 months), predicting, for example, the historical 2005 drought. These results point to the potential of large scale hydrological models supported with remote sensing information for providing hydrological forecasts well in advance at world’s large rivers and poorly monitored regions.

Le bassin Amazonien est connu comme le plus grand système hydrologique du monde et pour son rôle important sur le système terre, influençant le cycle du carbone et le climat global. Les pressions anthropiques récentes, telles que la déforestation, les changements climatiques, la construction de barrage hydro-électriques, ainsi que l’augmentation des crues et sécheresse extrêmes qui se produisent dans cette région, motivent l’étude de l’hydrologie du bassin Amazonien. Dans le même temps, des méthodes hydrologiques de modélisation et de surveillance par observation satellitaire ont été développées qui peuvent fournir les bases techniques à cette fin. Ce travail a eu pour objectif la compréhension et la prévision du régime hydrologique du bassin Amazonien. Nous avons développé et évaluer des techniques de modélisation hydrologique-hydrodynamique de grande échelle, d’assimilation de données in situ et spatiales et de prévision hydrologique. L’ensemble de ces techniques nous a permis d’explorer le fonctionnement du bassin Amazonien en terme de processus physiques et de prévisibilité hydrologique. Nous avons utilisé le modèle hydrologique-hydrodynamique de grande échelle MGB-IPH pour simuler le bassin, le forçage précipitation étant fourni par l’observation spatiale. Les résultats de la modélisation sont satisfaisants lorsque validés à partir de données in situ de débit et de hauteurs d’eau mais également de données dérivées de l’observation spatiale incluant les niveaux d’eau déduits de l’altimétrie radar, le contenu en eau total issu de la gravimétrie satellitaire, l’extension des zones inondées. Nous avons montré que les eaux superficielles sont responsables en grande partie de la variation du stock total d’eau, l’influence des grands plans d’eau sur la variabilité spatiale des précipitations et l’influence des plaines d’inondation et des effets de remous sur la propagation des ondes de crues. Nos analyses ont montré le rôle prépondérant des conditions initiales, en particulier des eaux superficielles, pour la prévisibilité des grands fleuves Amazoniens, la connaissance des précipitations futures n’ayant qu’une influence secondaire. Ainsi, pour améliorer l’estimation des variables d’état hydrologiques, nous avons développé, pour la première fois, un schéma d’assimilation de données pour un modèle hydrologique-hydrodynamique de grande échelle, pour l’assimilation de données de jaugeages in situ et dérivées de l’altimétrie radar (débit et hauteur d’eau), dont les résultats se sont montrés satisfaisants. Nous avons également développé un prototype de système de prévision des débits pour le bassin Amazonien, basé sur le modèle initialisé avec les conditions initiales optimales fournies par le schéma d’assimilation de données, et en utilisant la pluie estimée par satellite disponible en temps réel. Les résultats ont été prometteurs, le modèle étant capable de prévoir les débits dans les principaux fleuves Amazoniens avec une antécédence importante (entre 1 et 3 mois), permettant d’anticiper, par exemple, la sècheresse extrême de 2005. Ces résultats démontrent le potentiel de la modélisation hydrologique appuyé par l’observation spatiale pour la prévision des débits avec une grande antécédence dans les grands bassins versant mondiaux. / A bacia Amazônica se destaca como o principal sistema hidrológico do mundo e pelo seu importante papel no sistema terrestre, influenciando o ciclo de carbono e o clima global. Recentes pressões antrópicas, como o desflorestamento, mudanças climáticas e a construção de barragens hidroelétricas, somados às crescentes cheias e secas extremas ocorridas nesta região, motivam o estudo da hidrologia da bacia Amazônica. Ao mesmo tempo, têm se desenvolvido métodos hidrológicos de modelagem e monitoramento via sensoriamento remoto que podem fornecer as bases técnicas para este fim. Este trabalho objetivou a compreensão e previsão da hidrologia da bacia Amazônica. Foram desenvolvidas e avaliadas diversas técnicas, incluindo de modelagem hidrológica-hidrodinâmica de larga escala, de assimilação de dados in situ e de sensoriamento remoto, e de previsão hidrológica. Este conjunto de técnicas foi utilizado para compreender o funcionamento da bacia Amazônica em termos de seus processos hidrológicos e sua previsibilidade hidrológica. O modelo hidrológico-hidrodinâmico de larga escala MGB-IPH foi utilizado para simular a bacia, sendo forçado com dados de chuva estimados por satélite. O modelo mostrou bom desempenho em uma validação detalhada contra observações de vazões e cotas in situ além de dados oriundos de sensoriamento remoto, incluindo níveis d’água de altimetria por radar, armazenamento d’água de gravimetria espacial e extensão de áreas alagadas. Mostrou-se a dominância das águas superficiais nas variações do armazenamento de água, a influência dos grandes corpos d’água sobre a variabilidade espacial da precipitação, além da importância das várzeas da inundação e efeitos de remanso sobre a propagação das ondas de cheia Amazônicas. As condições hidrológicas iniciais, com destaque para as águas superficiais, mostraram dominar a previsibilidade hidrológica nos grandes rios amazônicos, tendo assim a precipitação no futuro um papel secundário. Portanto, afim de melhor estimar os estados hidrológicos, de forma pioneira, foi desenvolvido um esquema de assimilação de dados para um modelo hidrológicohidrodinâmico de larga escala para assimilar informações in situ e de altimetria por radar, cujo desempenho se mostrou satisfatório. Desenvolveu-se também um protótipo de sistema de previsão de vazões para a bacia Amazônica, baseado no modelo inicializado com condições iniciais ótimas do esquema de assimilação de dados e utilizando precipitação estimada por satélite disponível em tempo real. Os resultados foram promissores e o modelo foi capaz de prever vazões nos principais rios amazônicos com grande antecedência (~1 a 3 meses), antecipando, por exemplo, a grande seca de 2005. Estes resultados mostram o potencial da modelagem hidrológica de larga escala apoiada por informação de sensoriamento remoto na previsão de vazões com alta antecedência nas grandes bacias hidrográficas do mundo. / The Amazon basin is known as the world’s main hydrological system and by its important role in the earth system, carbon cycle and global climate. Recent anthropogenic pressure, such as deforestation, climate change and the construction of hydropower dams, together with increasing extreme floods and droughts, encourage the research on the hydrology of the Amazon basin. On the other hand, hydrological methods for modeling and remotely sensed observation are being developed, and can be used for this goal. This work aimed at understanding and forecasting the hydrology of the Amazon River basin. We developed and evaluated techniques for large scale hydrologic-hydrodynamic modeling, data assimilation of both in situ and remote sensing data and hydrological forecasting. By means of these techniques, we explored the functioning of the Amazon River basin, in terms of its physical processes and its hydrological predictability. We used the MGB-IPH large scale hydrologichydrodynamic model forced by satellite-based precipitation. The model had a good performance when extensively validated against in situ discharge and stage measurements and also remotely sensed data, including radar altimetry-based water levels, gravimetric-based terrestrial water storage and flood inundation extent. We showed that surface waters governs most of the terrestrial water storage changes, the influence of large water bodies on precipitation spatial variability and the importance of the floodplains and backwater effects on the routing of the Amazon floodwaves. Analyses showed the dominant role of hydrological initial conditions, mainly surface waters, on hydrological predictability on the main Amazon Rivers, while the knowledge of future precipitation may be secondary. Aiming at the optimal estimation of these hydrological states, we developed, for the first time, a data assimilation scheme for both gauged and satellite altimetry-based discharge and water levels into a large scale hydrologic-hydrodynamic model, and it showed a good performance. We also developed a forecast system prototype, where the model is based on initial conditions gathered by the data assimilation scheme and forced by satellite-based precipitation. Results are promising and the model was able to provide accurate discharge forecasts in the main Amazon rivers even for very large lead times (~1 to 3 months), predicting, for example, the historical 2005 drought. These results point to the potential of large scale hydrological models supported with remote sensing information for providing hydrological forecasts well in advance at world’s large rivers and poorly monitored regions.