Le problème d’optimisation de la gestion d’un réseau hydrographique en période de crues consiste à résoudre un problème tactique de coordination des lâchers des réservoirs, afin de minimiser les dégâts occasionnés, en prenant en considération les exigences et spécificités spatiales du système. Comme la Programmation Dynamique Neuronal (PDN) permet d’aborder les problèmes stochastiques à évolutions temporelle et séquentielle, mais ne traite pas l’aspect spatial, alors que les Systèmes d’Information Géographique (SIG) permettent une représentation spatiale, mais avec une gestion limitée de l’aspect temporel, un couplage serré entre ces deux techniques s’avère une alternative dans la résolution de ce problème. Nous proposons alors une nouvelle approche pour la détermination des scénarios de lâchers optimaux d’un réseau hydrographique, dans lequel, les lâchers d’un réservoir sont déterminés par Système d’aide à la décision associant ces deux composantes. Une mise en œuvre sur le réseau hydrographique du Nord de la Tunisie nous a permis de valider cette approche en proposant des scénarios de lâchers satisfaisants / A decision support system (DSS) has been developed for integrated, real-time flood control in a multi-reservoir system. The DSS integrates a geographic information system (GIS) with an optimization module, and a graphical dialog interface allowing effective use by system operators. A neuro-dynamic programming technique (NDP), which overcomes numerous limitations of dynamic programming (DP), is introduced for determining the optimal release policy under flood conditions. Results obtained in a real-world case study are finally presented

L'extrémité septentrionale. du plateau du Bas-Dauphiné résulte d'une sédimentation molassique sableuse (Tartonien) de transition entre les faciès marins et deltaïques. La détermination de quelques fossiles dont Nassa michaudi, ainsi que la découverte d'une ancienne dune éolienne, précisent le contexte bio-géographique de cette époque. La morphologie actuelle est héritée des phases de retrait glaciaire au cours desquelles des réseaux hydrographiques se sont orientés vers le Nord-Ouest, parallèlement aux glaces de vallées. Les cours d'eau qui ont alors entaillé la molasse ont repris une direction d'écoulement Nord lors de la fonte des glaces de la dépression d'Aoste. Une période de sédimentation lacustre a peu à peu comblé cette cuvette, et s'est achevée par la progradation des alluvions du Rhône et du Guiers. Ces dépôts graveleux, reconnus par des sondages mécaniques et géophysiques, forment deux réservoirs aquifères indépendants épais d'une dizaine de mètres: l'un concerne la dépression du "couloir " des Avenières, l'autre la plaine d'Aoste dont l'étude par prospection électrique a révélé les zones préférentielles de chenalisation. L'alimentation des nappes qu'ils contiennent est assurée par des nappes adjacentes, d'extension limitée et par les écoulements issus des bassins-versants du Pissoud et de la Bièvre. Les relevés piézométriques et les mesures de paramètres hydrodynamiques effectuées sur leur zone de séparation (essais de pompage) ne révèlent pas de relation dynamique entre ces deux nappes. L'étude physico--chimique confirme leur indépendance. Leurs caractéristiques chimiques sont localement influencées par les minéralisations issues des zones d'alimentation. L'exploitation de ces nappes par les syndicats des eaux de la région reste tributaire de leurs zonations chimiques.

Selon la Directive Cadre européenne sur l’Eau (DCE), le bon état écologique de tous les milieux aquatiques devra être atteint d’ici 2015. Cet état s’évalue en grande partie au moyen de paramètres biologiques, eux-mêmes régis par les conditions physico-chimiques et hydromorphologiques des masses d’eau. Pour atteindre les objectifs de la DCE, l’évaluation de l’état physique du réseau hydrographique apparaît comme une phase essentielle alors que cette question relève encore pour certains aspects de la recherche fondamentale. La mise en oeuvre de cette étape à l’échelle du bassin du Rhône entraîne un certain nombre de questions scientifiques auxquelles il est nécessaire de répondre avant d’envisager toute application. En effet, les connaissances dans les domaines de la géomorphologie ou de l’hydrologie sont aujourd’hui suffisantes à l’échelle locale pour envisager de régionaliser ce type d’informations. Cependant le changement d’échelle est à l’origine de contraintes méthodologiques importantes liées notamment à la très grande hétérogénéité des milieux à caractériser.L'objectif de cette thèse est donc double. D’une part, il s’agit de mettre en place des outils géomatiques permettant d’obtenir une vision globale et homogène des caractéristiques physiques du réseau hydrographique. Pour cela, nous proposons (i) de développer une méthodologie d’extraction de l’information à partir de données vectorielles ou rasters, et (ii) de définir des indicateurs pertinents de caractérisation hydrogéomorphologique. D’autre part, ces outils et cette méthode ont été testés et appliqués sur le réseau hydrographique du Rhône afin d’évaluer leur efficacité et de proposer des éléments fiables de caractérisation des conditions physiques à large échelle. / According to the Water Framework Directive (WFD), the good ecological status of all aquatic environments should be achieved by 2015. This status is evaluated largely using biological parameters, which are controlled by the physico-chemical and hydromorphological conditions of water bodies. To achieve the objectives of the WFD, assessing the physical condition of the hydrographic network appears to be a prerequisite, yet this issue still requires research of a fundamental nature. This stage in the basin of the Rhône raises a number of scientific issues which it is necessary to answer before considering practical application. In fact, knowledge of geomorphology and hydrology is now sufficient at a local scale and we can envisage applying this information at a regional scale. However, the change of scale results in important methodological constraints linked in particular to the great heterogeneity of environments.This thesis has two objectives. The first one is to implement geomatic tools to obtain an overall and homogeneous characterisation of the physical network. We propose to develop a methodology to extract information. Second, these tools and methodology will be tested and applied to the Rhône River system to evaluate their effectiveness and to provide reliable evidence for the characterization of large-scale physical conditions.

Les travaux du PIREN-Seine, dans lesquels s'inscrit mon travail de thèse, se sont dès le début orientés vers la recherche d'une description du fonctionnement écologique du système aussi déterministe que possible. Dans ce but, l'approche adoptée consiste à décrire les organismes et constituants ainsi que les processus qui ont une influence sur la qualité de l'eau dans le réseau hydrographique. La modélisation a été l'un des outils utilisés pour améliorer notre connaissance des processus et ainsi aider les différents acteurs de l'eau à la prise de décision. Pour étudier l'impact des rejets urbains dans les zones fortement influencées par l'activité humaine, il a été décidé de mettre en oeuvre un modèle bi-dimensionnel plan capable de simuler de façon précise le devenir des différents polluants rejetés en Seine. Grâce à la collaboration entre l'École des Mines et la Direction Études et Recherches d'Électricité de France, nous avons pu utiliser le code de calcul hydrodynamique aux éléments finis, TELEMAC 2D, d'E.D.F. Une première étape a consisté à mettre en oeuvre ce modèle dans le bief de Seine caractérisé par les rejets de la station d'épuration d'Achères pour estimer les vitesses de l'écoulement et les hauteurs d'eau à l'étiage et de connaître, entre autres, le temps de résidence de l'eau pour quelques situations permanentes de bas débit. Les travaux antérieurs du PIREN-Seine ont largement montré que la pollution d'origine organique était étroitement liée aux particules. Bien que l'essentiel du flux de matériel particulaire soit transporté au cours des crues, l'étude du transport en période d'étiage ne doit pas être négligée. La dilution des rejets urbains par l'eau de Seine est plus faible en période d'étiage. Le dépôt est plus intense, le matériel qui le constitue est fortement pollué et les zones de stockage sont plus nombreuses. Il nous est donc apparu important de simuler convenablement le transport solide pour la Seine à l'étiage. Nous avons alors modifié le modèle de transport bi-dimensionnel d'EDF, SUBIEF 2D. La navigation, intense dans cette partie du fleuve, joue un rôle considérable sur les temps de résidence des particules et ainsi sur le devenir des produits contaminants peu ou non solubles. Nous avons donc développé un module de remise en suspension qui prend en compte de façon précise la circulation fluviale : la modélisation du courant de retour, du champ de vitesses généré sur le lit de la rivière par les jets d'hélice, l'utilisation d'une formulation énergétique des processus de dépôt/érosion basée sur la capacité de transport d'un écoulement, nous permet de reproduire les concentrations en MES mesurées dans la colonne d'eau sur l'ensemble du domaine lors des différentes campagnes organisées. Nous en tirons des informations sur la quantité de particules sédimentées dans le bief, la localisation des dépôts frais et le temps de transfert moyen des particules en périodes de basses eaux. Nous appuyant sur le modèle hydraulique et de transport précédemment défini, nous avons mis en place un module biologique reprenant le schéma conceptuel du modèle RIVE utilisé dans le PIREN-Seine. Nous simulons le cycle de l'oxygène en relation avec celui du carbone. Les processus modélisés sont le développement phytoplanctonique, la dégradation de la matière organique par les bactéries hétérotrophes et la production/consommation d'oxygène associée. Une ré-aération à l'interface air-eau est aussi prise en compte. Le modèle simule les évolutions de 24 variables d'état relatives à la colonne d'eau et à la vase non consolidée déposée sur le lit du fleuve. Les processus d'échange entre la colonne d'eau et les sédiments, qu'ils soient diffusifs ou contraints par le dépôt et l'érosion, ont été introduits explicitement dans le modèle. La couche de vase est également le siège de réactions biologiques. Les résultats des simulations pour différents étiages sont confrontés aux données expérimentales dont nous disposons. Ces résultats montrent que la conceptualisation retenue pour le modèle de simulation de la qualité de l'eau est adaptée à la simulation des processus qui dominent dans ce secteur. Une comparaison entre le modèle ProSe, développé à l'École des Mines de Paris, dans ses versions mono-dimensionnelles et à tube de courant, et le modèle bi-dimensionnel TELEMAC-SUBIEF a été réalisée. Cette intercomparaison permet, d'une part, de valider les développements réalisés au sein de SUBIEF 2D, le modèle ProSe ayant été validé dans de nombreuses situations et, d'autre part, de montrer les différences de comportement des modèles mono et bi-dimensionnels dans le secteur d'étude.

L'état des cours d'eau est caractérisé à partir des réseaux de mesure, qui comportent un nombre réduit de stations par bief, ou à l'aide de modèles déterministes, qui simulent les processus physiques de façon approchée. La thèse explore les solutions offertes par la géostatistique pour améliorer l'estimation des concentrations le long d'un réseau hydrographique à partir des mesures aux stations, puis pour combiner ces mesures à la modélisation déterministe. Un modèle variographique valide sur un arbre a été développé par C. Bernard-Michel (2006), mais l'inférence n'avait pu être réalisée, les stations de mesure s'avérant trop peu nombreuses. Pour remédier à ce manque de données, la démarche consiste à utiliser le modèle déterministe ProSe (Even et al, 1998, 2004, Flipo et al, 2004) comme maquette. Pour les nitrates et l'oxygène dissous, les résultats du modèle ProSe sont d'abord comparés à différents ensembles de mesures, révélant des discordances. Des conditions aux limites amont combinant ces différents types de mesure sont reconstruites par co-krigeage, ce qui améliore la concordance entre ProSe et les mesures. Par ailleurs, la modélisation conjointe des variogrammes des mesures et des résultats de ProSe s'avère être un outil efficace de diagnostic des imperfections du modèle déterministe. Jugée admissible comme maquette, la simulation ProSe est utilisée pour tester les hypothèses de la modélisation géostatistique et en réaliser l'inférence. Différents modèles géostatistiques permettant d'estimer les concentrations entre stations à partir des mesures sont alors comparés. Enfin, la simulation ProSe est recalée aux mesures via une estimation géostatistique bivariable.

Situé entre le Nazlno et le Nakambé, le Sud du plateau Mossi connait un climat de type soudanéen marqué par une pluviométrie en baisse et une évapotransplratlon élevée. C'est un plateau de faible altitude légèrement Incliné vers le Sud, sur lequel se dessine un réseau hydrographique variable en densité qui draine toute la région vers les deux principales rivières. Le substratum est constitué essentiellement des formations éburnéennes et blrrlmlennes (migmatites, granitoïdes, amphibolites, schistes et micaschistes). Sur ce bâti cristallin se met en place un réseau de fracturation complexe que révèle l'étude des photographies aériennes. Ces fractures jouent un rôle Important dans l'infiltration et le stockage des eaux. La détermination des zones aquifères en vue d'Implanter les ouvrages de captage revient à localiser les fractures le long desquelles se mettent en place des nappes discontinues. La prospection géophysique est la méthode par excellence adaptée à la recherche d'eau en pays cristallin. la productivité hydraulique des ouvrages est dépendante non de leur profondeur mals des conditions hydrogéologlques. L'étude plézométrlque a mis en évidence des zones d'alimentation et des zones de drainage à travers les altérites et les fissures du bad-rock. L'hydrochlmle montre la présence de trois types d'eaux faiblement minéralisées. Le chimisme de l'eau est en relation étroite avec la nature das formations géologiques à travers lesquelles elles circulent et le mode de circulation.

Selon la Directive Cadre européenne sur l'Eau (DCE), le bon état écologique de tous les milieux aquatiques devra être atteint d'ici 2015. Cet état s'évalue en grande partie au moyen de paramètres biologiques, eux-mêmes régis par les conditions physico-chimiques et hydromorphologiques des masses d'eau. Pour atteindre les objectifs de la DCE, l'évaluation de l'état physique du réseau hydrographique apparaît comme une phase essentielle alors que cette question relève encore pour certains aspects de la recherche fondamentale. La mise en oeuvre de cette étape à l'échelle du bassin du Rhône entraîne un certain nombre de questions scientifiques auxquelles il est nécessaire de répondre avant d'envisager toute application. En effet, les connaissances dans les domaines de la géomorphologie ou de l'hydrologie sont aujourd'hui suffisantes à l'échelle locale pour envisager de régionaliser ce type d'informations. Cependant le changement d'échelle est à l'origine de contraintes méthodologiques importantes liées notamment à la très grande hétérogénéité des milieux à caractériser.L'objectif de cette thèse est donc double. D'une part, il s'agit de mettre en place des outils géomatiques permettant d'obtenir une vision globale et homogène des caractéristiques physiques du réseau hydrographique. Pour cela, nous proposons (i) de développer une méthodologie d'extraction de l'information à partir de données vectorielles ou rasters, et (ii) de définir des indicateurs pertinents de caractérisation hydrogéomorphologique. D'autre part, ces outils et cette méthode ont été testés et appliqués sur le réseau hydrographique du Rhône afin d'évaluer leur efficacité et de proposer des éléments fiables de caractérisation des conditions physiques à large échelle.

Les reliefs résultent d'une interaction entre de nombreux processus qui mettent en jeu des couplages complexes : climat, tectonique, érosion, impact anthropique, etc. Dans les paysages dominés par l'érosion fluviatile, la morphologie du relief est étroitement liée à la structure du réseau hydrographique. Ce dernier joue un rôle important dans les couplages entre les processus de surface (processus fluviaux et processus de versants). De nombreuses évidences de captures entre rivières provoquant des réorganisations du réseau hydrographique suggèrent que le réseau de drainage évolue, et il est loin d'être fixe comme le suggèrent certains modèles numériques d'évolution du paysage. Néanmoins, les travaux s'intéressant aux causes et aux mécanismes de ces réorganisations sont peu nombreux, et essentiellement qualitatifs. L'objectif de cette thèse a été de quantifier et de modéliser la réorganisation des réseaux hydrographiques par mécanisme de capture par rivières pirates dans le cadre d'un enfoncement relatif entre deux bassins, où l'avancement (par érosion régressive) de la tête de vallée de la rivière pirate provoque le détournement d'une rivière qui coule à proximité. Le comportement des Modèles numériques d'Evolution des Paysages (MEP) et plus particulièrement l'influence des paramètres de contrôle, ont été étudiés. L'expérimentation a été réalisée avec le logiciel GOLEM qui a été adapté aux besoins. L'étude s'est principalement portée sur le cas de l'évolution du réseau hydrographique de la partie française de la Meuse, qui a connue de nombreuses captures par le passé (capture de la Haute-Moselle par la Meurthe, capture de l'Aire par l'Aisne) et dont les caractéristiques actuelles sont favorables à de nouvelles captures (le lit de la Meuse se trouve perché à plus de 50m au dessus des vallées qui l'entourent (le lit de la Meuse se trouve perché à plus de 50m au dessus des vallées qui l'entourent : la Marne à l'ouest et la Moselle à l'est).

Les reliefs résultent d'une interaction entre de nombreux processus qui mettent en jeu des couplages complexes : climat, tectonique, érosion, impact anthropique, etc. Dans les paysages dominés par l'érosion fluviatile, la morphologie du relief est étroitement liée à la structure du réseau hydrographique. Ce dernier joue un rôle important dans les couplages entre les processus de surface (processus fluviaux et processus de versants). De nombreuses évidences de captures entre rivières provoquant des réorganisations du réseau hydrographique suggèrent que le réseau de drainage évolue, et il est loin d'être fixe comme le suggèrent certains modèles numériques d'évolution du paysage. Néanmoins, les travaux s'intéressant aux causes et aux mécanismes de ces réorganisations sont peu nombreux, et essentiellement qualitatifs. L'objectif de cette thèse a été de quantifier et de modéliser la réorganisation des réseaux hydrographiques par mécanisme de capture par rivières pirates dans le cadre d'un enfoncement relatif entre deux bassins, où l'avancement (par érosion régressive) de la tête de vallée de la rivière pirate provoque le détournement d'une rivière qui coule à proximité. Le comportement des Modèles numériques d'Evolution des Paysages (MEP) et plus particulièrement l'influence des paramètres de contrôle, ont été étudiés. L'expérimentation a été réalisée avec le logiciel GOLEM qui a été adapté aux besoins. L'étude s'est principalement portée sur le cas de l'évolution du réseau hydrographique de la partie française de la Meuse, qui a connue de nombreuses captures par le passé (capture de la Haute-Moselle par la Meurthe, capture de l'Aire par l'Aisne) et dont les caractéristiques actuelles sont favorables à de nouvelles captures (le lit de la Meuse se trouve perché à plus de 50m au dessus des vallées qui l'entourent (le lit de la Meuse se trouve perché à plus de 50m au dessus des vallées qui l'entourent : la Marne à l'ouest et la Moselle à l'est). / Landforms result from interaction between several processes, involving complex coupling: climate, tectonics, erosion, human impact, etc. In landscapes dominated by fluvial erosion, terrain morphology is closely related to the hydrographic network system. Because the latter plays an important role in the surface processes coupling (fluvial processes and hillslope processes). Many evidences of stream piracies causing reorganization of hydrographic network suggest that the drainage system is changing, and it is far from being fixe as propose some numerical landscape evolution models. Nevertheless, works focusing on causes and mechanisms of these reorganizations are very few and they are largely qualitative. The aim of this thesis is to quantify and describe the reorganization of hydrographic networks provoked by headward piracy mechanism in the case of relative lowering between two basins, where the riverhead progress by headward erosion causing the diversion of a river flowing nearby. The problem is tackled with a numerical modeling approach. We emphasis on the evolution of the hydrographic networks of the French part of the Meuse basin, where several piracies were recorded in the past (the piracy of the Upper-Moselle by the Meurthe and the piracy of the Aire by the Aisne), and which current characteristics are favorable to new piracies (the Meuse river bed is perched at more than 50m comparing to its surrounding valleys (the Meuse river bed is perched at more than 50m comparing to its surrounding valleys: Marne at the west and the Moselle at the east).

L'objectif de ce travail est une conlribution à l'analyse des processus de formation des crues sur un bassin méditerranéen à l'occasion des épisodes pluvieux. Nous avons essayé de comprendre les caractéristiques hydrologiques d'un bassin par une démarche mécaniste. Pour cela, nous avons étudié la part, dans le débit de la rivière pendant les crues, du débit provenant d'un écou!ement soit par ruissellement généralisé, soit souterrain ou de subsurface, soit sur zones saturées contributives. Le bassin versant a été schématisé comme la succession de deux unités hydrologiques: le versant et le réseau hydrographique. Ainsi, la première partie de ce mémoire est consacrée à l'analyse mécaniste des apports à la riuvière à l'échelle du versant. Pour chaque processus, une étude expérimentale a été menée afin d'étudier les lois qui régissent ces écoulement. Nous avons montré. que les écoulements en surface ne suivent pas une loi d'écoulement plan turbulent Les écoulements en litière, immédiatement sous la surface du sol, suivent une loi de Manning. Enfin, les écoulements de subsurface suivent une lol de Darcy. A l'échelle du versant, la modélisation des écoulements avec les lois mesurées ne les entretient jamais assez longtemps pour expliquer les hydrogrammes de bassin. La seconde partie de ce mémoire consiste en une modélisation à l'échelle du bassin des écoulements dans le cas des trois processus de formation des crues. Cette modélisation a cherché à reproduire les hydrogrammes du bassin. On montre que lorsque le bassin est sec, les écoulements proviennent principalement du ruissellement généralisé. Lorsque le bassin est plus humide, les pluies mettent d'abord en activité des écoulements souterrains et de subsurface, puis si les pluies sont importantes, le mécanisme d'écoulement sur surfaces saturées contributives devient prépondérant