Les systèmes karstiques ont longtemps été étudiés par des analyses statistiques issues du traitement du signal. Plus récemment, des tentatives de modélisation hydrologique ont été réalisées sur ces systèmes, avec des succès mitigés. Cette thèse allie deux domaines de recherche, l'hydrologie et l'hydrogéologie karstique. Dans ce mémoire, nous utilisons les analyses du signal dans le but d'améliorer les performances et le réalisme des modèles pluie-débit calés sur ces systèmes karstiques. Pour cela nous nous appuyons sur un échantillon de quatorze systèmes karstiques et un ensemble de quatre modèles hydrologiques à réservoirs. La première étape nous a permis de dresser un bilan de l'état de la modélisation pluie-débit appliquée aux systèmes karstiques dans un contexte d'évaluation des performances classiques s'appuyant sur le schéma standard des moindres carrés des erreurs. Globalement les quatre modèles pluie-débit parviennent à modéliser correctement la majorité des systèmes karstiques étudiés. Dans une deuxième étape, nous avons développé une méthodologie originale prenant en compte les caractéristiques hydrodynamiques de ces systèmes déduites d'analyses statistiques classique en hydrogéologie karstique. En effet, notre objectif n'est pas seulement d'avoir de bonnes performances sur le schéma standard des moindres carrés des erreurs, mais aussi de respecter les caractéristiques hydrodynamiques particulières de ces systèmes. Pour cela, nous avons développé des outils afin de prendre en compte les caractéristiques spécifiques à ces systèmes selon deux axes : * Contraindre la structure des modèles à partir d'informations issues de l'analyse du fonctionnement du système. Pour cela, nous avons utilisé le coefficient de tarissement issu de l'analyse des récessions. Le résultat est un schéma d'optimisation semi automatique des paramètres dans lequel un des paramètres est prescrit par l'analyse préliminaire et les autres sont calés automatiquement. Cette démarche confère au modèle résultant une représentation du fonctionnement hydrodynamique des systèmes karstiques plus en accord avec la connaissance a priori que l'on a de ces systèmes. * Contraindre les paramètres des modèles et leur capacité à représenter le fonctionnement des systèmes karstiques. Pour cela, nous avons développé une méthodologie de calage multi-objectif afin d'évaluer les performances des modèles à reproduire d'une part le débit observé mais aussi les propriétés hydrodynamiques. La démarche de comparaison de différentes stratégies de calage a ainsi permis d'améliorer la qualité de l'ajustement entre les fonctions d'autocorrélation des débits simulés et observés, tout en conservant des valeurs raisonnables selon le schéma standard des moindres carrés des erreurs Cette approche permet en outre de réduire les incertitudes sur les paramètres par rapport aux stratégies de calage mono-objectif. Enfin, nous avons tenté de rendre compte de la diversité de structure et de comportement des systèmes sur la base des paramètres issus du calage des modèles pluie-débit. Ces paramètres ont été comparés d'une part à ceux couramment employés en hydrogéologie karstique (Classification de Mangin) et d'autre part aux paramètres des modèles représentatifs de bassins non karstiques.

Les domaines subalpin et jurassien sont constitués de nombreux systèmes karstiques de dimension et de surface réduites qui peuvent représenter localement l'unique ressource des communes. Les bassins d'alimentation de ces systèmes sont essentiellement composés de forêts et de pâturages et ne présentent qu'une urbanisation limitée. Les systèmes karstiques sont des milieux de transferts rapides assez mal connus dans la région. L'objectif principal de cette thèse s'attache à étudier les relations entre le fonctionnement et la vulnérabilité des systèmes karstiques de moyenne montagne. La vulnérabilité est abordée selon trois approches : intrinsèque, anthropique et climatique. Pour cela huit sites de nature différente et complémentaire (sources karstiques, galerie karstique et rivières) ont été étudiés.La vulnérabilité intrinsèque est étudiée par l'application de la méthode PaPRIKa. Cette analyse se fonde sur la superposition par pondération de cartes des bassins d'alimentation réalisées en fonction des critères Roche, Infiltration, Protection et Karstification. Elle permet de spatialiser les degrés de vulnérabilité sur le bassin d'alimentation d'un système karstique. Bien que les systèmes étudiés présentent des fonctionnements hydrodynamiques et une occupation des sols relativement similaires, les degrés de vulnérabilité diffèrent en fonction des sites.La vulnérabilité anthropique est étudiée, dans le cadre du programme Interreg Alpeau, sous l'angle de la remobilisation des sols suite à des travaux de sylviculture programmés sur les bassins d'alimentation. La recherche s'est concentrée sur la matière organique dissoute et en suspension et plus particulièrement sur la matière organique fluorescente. Ce travail a d'abord nécessité la réalisation d'un état des lieux sur les transferts associés au fonctionnement hydrodynamique des sites d'étude sur un cycle hydrologique. Pendant ou à la suite des travaux, les eaux des systèmes karstiques présentent des pics de turbidité ainsi que des venues en matières organiques fluorescentes du type humique et protéique, en azote total et en carbone organique total beaucoup plus importants (entre 5 et 10 fois plus). Cependant, tous les sites ne présentent pas d'augmentation significative des apports en matières en suspension et dissoutes, malgré l'ampleur des travaux réalisés.Enfin la vulnérabilité climatique est approchée par l'étude de chroniques historiques sur plus de 60 ans. Les précipitations et les températures de trois stations météorologiques ainsi que les débits de deux sources et une rivière ont été analysés afin d'extraire les grandes tendances. En plus de l'augmentation de la température ambiante de +1.5°C en 50 ans, les précipitations présentent une tendance à la baisse des cumuls annuels depuis 1980. La baisse des cumuls est plus particulièrement marquée à partir de 2003. Cette baisse de précipitations et l'augmentation des températures ont une répercussion quantitative sur les eaux de surface et souterraines. Les tendances observées sur les débits moyens annuels des systèmes étudiés sont en corrélation avec les précipitations. Malgré une tendance à la fonte des neiges de plus en plus précoce, les étiages basés sur les VCN10 ne montrent pas de réelle tendance à l'augmentation sur la période 1960-2011. Basées sur les données du GIEC 2007, les débits des sources subalpines ont été estimés pour les années 2030, 2050 et 2080. Les résultats montrent une diminution importante de la ressource en eau qui pourrait atteindre des baisses de l'ordre de 46% à l'horizon 2080.

Les domaines subalpin et jurassien sont constitués de nombreux systèmes karstiques de dimension et de surface réduites qui peuvent représenter localement l'unique ressource des communes. Les bassins d'alimentation de ces systèmes sont essentiellement composés de forêts et de pâturages et ne présentent qu'une urbanisation limitée. Les systèmes karstiques sont des milieux de transferts rapides assez mal connus dans la région. L'objectif principal de cette thèse s'attache à étudier les relations entre le fonctionnement et la vulnérabilité des systèmes karstiques de moyenne montagne. La vulnérabilité est abordée selon trois approches : intrinsèque, anthropique et climatique. Pour cela huit sites de nature différente et complémentaire (sources karstiques, galerie karstique et rivières) ont été étudiés.La vulnérabilité intrinsèque est étudiée par l'application de la méthode PaPRIKa. Cette analyse se fonde sur la superposition par pondération de cartes des bassins d'alimentation réalisées en fonction des critères Roche, Infiltration, Protection et Karstification. Elle permet de spatialiser les degrés de vulnérabilité sur le bassin d'alimentation d’un système karstique. Bien que les systèmes étudiés présentent des fonctionnements hydrodynamiques et une occupation des sols relativement similaires, les degrés de vulnérabilité diffèrent en fonction des sites.La vulnérabilité anthropique est étudiée, dans le cadre du programme Interreg Alpeau, sous l'angle de la remobilisation des sols suite à des travaux de sylviculture programmés sur les bassins d'alimentation. La recherche s'est concentrée sur la matière organique dissoute et en suspension et plus particulièrement sur la matière organique fluorescente. Ce travail a d’abord nécessité la réalisation d’un état des lieux sur les transferts associés au fonctionnement hydrodynamique des sites d’étude sur un cycle hydrologique. Pendant ou à la suite des travaux, les eaux des systèmes karstiques présentent des pics de turbidité ainsi que des venues en matières organiques fluorescentes du type humique et protéique, en azote total et en carbone organique total beaucoup plus importants (entre 5 et 10 fois plus). Cependant, tous les sites ne présentent pas d’augmentation significative des apports en matières en suspension et dissoutes, malgré l'ampleur des travaux réalisés.Enfin la vulnérabilité climatique est approchée par l'étude de chroniques historiques sur plus de 60 ans. Les précipitations et les températures de trois stations météorologiques ainsi que les débits de deux sources et une rivière ont été analysés afin d'extraire les grandes tendances. En plus de l'augmentation de la température ambiante de +1.5°C en 50 ans, les précipitations présentent une tendance à la baisse des cumuls annuels depuis 1980. La baisse des cumuls est plus particulièrement marquée à partir de 2003. Cette baisse de précipitations et l'augmentation des températures ont une répercussion quantitative sur les eaux de surface et souterraines. Les tendances observées sur les débits moyens annuels des systèmes étudiés sont en corrélation avec les précipitations. Malgré une tendance à la fonte des neiges de plus en plus précoce, les étiages basés sur les VCN10 ne montrent pas de réelle tendance à l’augmentation sur la période 1960-2011. Basées sur les données du GIEC 2007, les débits des sources subalpines ont été estimés pour les années 2030, 2050 et 2080. Les résultats montrent une diminution importante de la ressource en eau qui pourrait atteindre des baisses de l'ordre de 46% à l'horizon 2080. / The subalpine and jura middle mountains are composed of a many karstic systems characterized by small size and area. For local towns, these systems can represent the only water resource. The catchment areas are mainly composed of forests and pastures and have a limited urbanisation. Local karst systems have quick flow transfer and are not really known in the region. The main goal of this thesis is the study of the relationship between functioning and vulnerability of middle mountains karst systems. The vulnerabilities are analysed with three approaches: intrinsic, anthropogenic and climatic, applied on eight sites with variable natures (karst spring, karst conduit and rivers) which are additional. The intrinsic vulnerability is studied by the use of PaPRIKa method. This method is based on the overlaying by weighting catchment area maps. Each map is represented by one criterion. Criteria used to carry out a final map are: Rock, Infiltration, Protection and karstification. The method allows the characterization of the vulnerability degrees on the catchment area. Although the study systems have hydrodynamic functioning and similar soil occupation, the vulnerability degrees change for each site. Within the ALPEAU program, the soil remobilization due to sylvicultural activities is used as an anthropogenic vulnerability factor on the catchment area. The study is focused on dissolved and suspended organic matter, especially the fluorescent organic matter. This work has begun with the study of the organic matter transfers during hydrological cycle in natural conditions (without anthropogenic activities). During or after sylvicultural activities, karst waters can show turbidity peaks associated with concentration increasing of humic like, protein like, total nitrogenous and total organic carbon. However, all sites don't show a significant increase in spite of the intensity of sylvicultural activities. The climatic vulnerability is approached with the study of historical data since 60 years. The temporal evolution of precipitation, discharge and temperature have been analysed in order to extract global trends. Besides temperature increase (+15°C) since 50 years, the quantity of precipitations shows a decrease from 1980. This decrease is particularly accentuated since 2003. The decrease of precipitation and the increase of temperature lead an impact on the ground and fresh water quantity. Trends observed on mean annual discharge are correlated with the variation of precipitations. Despite an early snowmelt, low flow periods, defined by the VCN10, don't show significant increase on the period 1960-2011.