L’objectif du travail de thèse est d'œuvrer au développement et à l’application d’un modèle hydrologique intégré pré-existant (Pan et al., 2015; Weill et al., 2017) : Normally Integrated Model (NIM). La spécificité de ce modèle est d’intégrer l’équation d’écoulement souterrain 3D sur la direction perpendiculaire au substratum, de façon à se ramener à un problème en deux dimensions. Il en résulte un gain substantiel en termes de temps de simulation, et une économie du point de vue de l’espace mémoire requis. Dans le cadre de cette thèse, NIM a été entièrement recodé et optimisé. Un module de ruissellement 2-D a également été implémenté, ce qui a permis d’appliquer le modèle en situations réelles sur deux bassins versants distincts. En sus, la validité des simulations issues de NIM et l'efficacité du modèle en termes de temps de calcul ont été évaluées sur de nombreux cas tests synthétiques. / This works aims at contributing to the development and application of a pre-existing integrated hydrological model (Pan et al., 2015; Weill et al., 2017) : Normally Integrated Model (NIM). The specificity of this model is to perform an integration of the 3D groundwater flow equation over the direction perpendicular to the substratum of the aquifer, so that the problem becomes 2D. It results in a substantial gain both in calculation time and required memory. During this thesis, NIM has been fully rewritten and optimized. Besides, a 2D overland flow module has been implemented, which enabled to apply the model in real cases on two distinct watersheds. Furthermore, the validity of NIM simulations and their efficiency as regards computation times have been assessed on numerous synthetic test cases.