Dans les zones arides, la grande variabilité des eaux de surface a conduit les Hommes à exploiter les eaux souterraines. Cependant, afin de préserver durablement cette ressource, une bonne connaissance des processus de recharge est nécessaire. Ces travaux de thèse ont pour objectifs de caractériser les facteurs de contrôle de la recharge et des écoulements souterrains en zone de piedmont aride et hyper-aride. Dans le Nord du Chili, l’activité minière et les villes nouvelles associées aux déplacements de populations depuis quelques dizaine d’années ont engendré une surexploitation des ressources en eaux souterraines contenues dans l’Aquifère de la Pampa del Tamarugal. Cet aquifère régional est l’une des principales ressources en eau de l’ensemble du Nord du Chili, ce qui en fait une ressource stratégique. Le contexte hyper-aride de cette zone de piedmont (extension nord du Désert d’Atacama) semble suggérer que la recharge actuelle de l’aquifère ne permet pas de soutenir son bilan hydrologique.Afin d’identifier et de caractériser les facteurs de contrôle de la recharge et des écoulements souterrains de l’Aquifère de la Pampa del Tamarugal, une approche multidisciplinaire a été utilisée. Cette approche est basée dans un premier temps sur la caractérisation géologique et géomorphologique de la Dépression Centrale et notamment du Piedmont Andin entre 19,5°S et 20°S. Celle-ci a permis d’identifier le rôle du substratum pré-Oligocène sur l’organisation de la couverture fin-Cénozoïque (i.e. axes de drainages, barrières sédimentaires & paléovallées) et sur les circulations souterraines au niveau du piedmont. Dans un second temps, une approche hydrogéophysique et hydro(géo)logique a été utilisée afin de caractériser et d’identifier les conditions aux limites ainsi que l’évolution spatiale de la piézométrie au sein de la plaine de la Pampa del Tamarugal et du piedmont. De nombreux sondages de résistivité, réalisé par TDEM, ont permis d’identifier un contraste bien défini et corrélé avec le niveau piézométrique de la nappe libre. Des relevés hydro(geo)logiques ont permis de valider les échanges rivière-nappe (zones de recharge) qui ont été déduits à partir de l’étude géophysique. Dans un troisième temps, la caractérisation géochimique et isotopique des eaux souterraines de la zone d’étude a permis d’identifier les origines, les circulations ainsi que les processus de recharge de l’aquifère. La distribution des âges de l’eau de la zone saturée a permis d’identifier les grandes phases de recharge paléoclimatiques de l’Holocène. Dans un quatrième temps, une approche exploratoire par la modélisation des écoulements au sein de la zone non saturée, basée sur un modèle à base physique (Hydrus-1D) et complétée par des relevés de terrain, ont permis d’évaluer la recharge induite par une crue au niveau des cônes alluviaux. L’analyse des chroniques piézométriques a apporté de nombreuses informations sur la quantification de la recharge.Sur la base des résultats de cette étude multidisciplinaire, ces travaux de recherche ont permis de définir, au niveau de l’Aquifère de la Pampa del Tamarugal (Nord Chili), les facteurs de contrôle de la recharge et des écoulements souterrains en zone de piedmont aride et hyper-aride. / In drylands, the scarcity of surface waters has led the population to mainly extract the groundwater resource for water supply. To preserve the groundwater resource of the over-exploitation, the understanding of the groundwater recharge processes is required. The present work aims to assess the factors of control on both the groundwater recharge and the groundwater circulation in dryland piedmonts.In Northern Chile, since a few tens of years, mining activities and the associated population movements have induced an over-exploitation of the Pampa del Tamarugal Aquifer. This regional size aquifer is one of the main groundwater resources of Northern Chile as a whole.In order to assess the controls on the groundwater recharge processes that allow recharging the Pampa del Tamarugal Aquifer as well as the groundwater circulation in the Andean Piedmont, a multidisciplinary approach was carried out in the endorheic catchment of the Pampa del Tamarugal (i.e. lowlands and piedmont) between 19.5°S and 20°S. Firstly, the study is based on a geological and geomorphological assessment of the Central Depression sedimentary basin with a focus on the Andean Piedmont. This work allowed identifying the control of the pre-Oligocene bedrock on both the late-Cenozoic piedmont cover (i.e. alluvial drainage axis, sedimentary barriers, and paleovalleys) and the groundwater circulation. Secondly, a hydrogeophysical (resistivity soundings, via TDEM) and hydrogeological characterization of the vadose zone and the saturated zone of the aquifer was carried out. These measurements allowed identifying a well-defined contrast of resistivity that is correlated with the water-table. This allows to better define the boundary conditions of the aquifer and to shift eastwards (i.e. in the piedmont) the oriental limit of the aquifer. Hydrological surveys allowed to validate the identification of groundwater recharge areas where the rivers fed the aquifer. Thirdly, the study is based on the assessment of the geochemical, isotopic and dissolved gas content of the groundwater. This approach allowed identifying the origin and also the groundwater circulation of the aquifer. The characterization of the groundwater distribution ages allowed to identify the main stages of recharge during Holocene and late-Pleistocene times. Fourthly, an exploratory approach was carried out in order to address the recharge fluxes in the vadose zone. Based on Hydrus-1D model and soil sampling carried out in the field, the recharge fluxes induced by one flood in the alluvial fans were estimated. The behavior analysis of water-table on time series of a few years were also used to estimate the recharge in the lower part of alluvial fans according to the surface geomorphology features.Based on this multidisciplinary approach, these works (performed in Northern Chile) allow defining the controls on the groundwater recharge and circulation in arid and hyperarid piedmont areas.

Selon l'UNESCO, la moitié des pays du monde sont confrontés à la problématique de l'aridité. Environ un tiers de la surface de la planète est localisé dans les régions arides ou semi-arides. D'après le GIEC, l'impact du changement climatique sur les ressources en eau est potentiellement plus important dans ces régions, dans le monde entier, ou les ressources en eau sont limitées. Il y existe une grande pression due à l'expansion des populations, l'augmentation de la consommation d'eau par habitant et l'irrigation. Il est clair que la bonne et efficace gestion de l'eau dans les régions semi-arides nécessite des systèmes d'aide à la décision appropriés, y compris des outils de la modélisation hydrologique. L'objectif principal de ce mémoire est d'étudier l'applicabilité de la modélisation hydrologique multi-modèle globale (développe à l'origine pour les climats humides) sous climats arides et semi-arides. La recherche porte sur l'étude des phénomènes hydrologiques, en particulier les débits du cours d'eau de la base de données MOPEX pour les bassins arides et semi-arides. Pour répondre à cet objectif, treize modèles hydrologiques globaux conceptuels ont été testés. Pour cela, une procédure de calage/validation a été mise en place, s'appuyant sur la méthode SST. Ensuite, une analyse de performance a été réalisée selon le critère de Nash, dans un premier temps, pour quantifier l'efficacité des modèles pris individuellement. Dans un deuxième temps, pour analyser l'intérêt de l'approche multi-modèle, trois méthodes de combinaison sont évaluées, l'une basée sur la moyenne simple des débits simulés (SM), utilisant une pondération pour chaque modèle (PM) et la méthode Backward Greedy (BG). Finalement, une étude comparative entre les trois méthodes de combinaison multi-modèle a été réalisée afin d'établir la valeur ajoutée de l'attribution des poids sur chaque modèle. En conclusion les résultats ont nettement montré que l'avantage de la méthode multi-modèle. Dans l'application des trois méthodes multi-modèles : la Moyenne Simple (MS), la Moyenne Pondérée (MP) et Backward Greedy (BG), dans la majorité des bassins les valeurs de la performance de ces méthodes sont supérieurs aux valeurs des modèles individuels. / According to UNESCO half the world's countries are facing the problem of aridity. About a third of the surface of the planet is located in arid or semi-arid regions. According to the IPCC, the impact of climate change on water resources is potentially more important in arid and semi-arid in the world. In arid and semi-arid areas of the world, water resources are limited. There are a lot of pressure due to the expansion of the population, the increase in per capita water consumption and irrigation. It is clear that good and efficient water management in semi-arid regions requires appropriate decision support systems, including hydrological modeling tools. The main objective of this thesis is to study the applicability of the global hydrological modeling multiple model (originally developed for humid climates) in arid and semi-arid. The research focuses on the study of hydrological phenomena, especially the water course flows in the MOPEX database for arid and semi-arid basins. To meet this goal thirteen overall conceptual hydrologic models were tested. For this, a calibration / validation procedure was put in place, based on the SST method. Then, a performance analysis was conducted using the Nash criteria, at first, to quantify the effectiveness of the models individually. Secondly, to analyze the interest of the multi-model approach, three combination methods are evaluated, one based on the simple average of the simulated flow (SM), using a weighting for each model (PM) and method Greedy backward (BG). Finally, a comparative study between the three methods of combining multiple model was performed to determine the added value of the allocation of weight on each model. In conclusion, the results showed the advantage of multi-model method is net of the results. In applying the three multi model methods : Simple Average (MS), the Weighted Average (MP) and Backward Greedy (BG), in most basins values of the performance of these methods are superior to the values of individual models.

Deteriorating water quality in the face of a rising demand for agricultural products triggered interest in the groundwater resources of the Najd dessert, an arid region of southern Oman. Groundwater in this area usually is abstracted from one of the largest aquifers on the Arabian Peninsula, the Umm Er Radhuma aquifer. Increased discharge stands in contrast to limited precipitation: the monsoon is an annual event but it is regionally limited; cyclones infrequently occur within the range of three to seven years. Both are possible sources for groundwater recharge in the Najd. With these preconditions in mind, the present study investigates recharge to the Najd groundwaters as part of an active flow system and evaluates the mean residence time in the deep groundwaters. The tools of choice are a groundwater flow model combined with environmental isotope tracer data. The two-dimensional flow model replicates the characteristics of the aquifer system from the potential recharge area in the south (Dhofar Mountains) to the discharge area in the north (Sabkha Umm as Sammim). The south-to-north gradients and the observed artesian heads in the confined aquifer are reproduced. Simulation results indicate that changes between wet and dry periods caused transient responses in heads and head gradients lasting for several thousand years. Based on the used parameters the model calibration indicated, that a recharge rate of around 4 mm a−1 is sufficient to reproduce current groundwater levels. Since rising groundwater levels were documented after cyclone Keila in November 2011, modern recharge evidently occurs. 36-Cl concentrations and dissolved-helium concentrations indicate that the deep groundwaters in the central Najd are up to 550,000 years old. Thus, radiocarbon values indicating groundwater residence times for the central Najd up to 20,000 years and the northern Najd up to 35,000 years underestimate the groundwater residence times and seem to have been strongly affected by mixing during sampling. Decreasing 36-Cl and increasing 4-He concentrations confirm the expected trend in the direction of groundwater flow and prove to be more robust tracers for age dating of Najd groundwaters. Backward pathline tracking was used to simulate the groundwater ages. The tracking results show that a total porosity value between 15 and 20 % is consistent with the range of the observed chlorine-36 and heliumbased ages. The results and parameters obtained in the present study provide the basis for future 3D-groundwater models designed to evaluate the water resources available to the Najd’s agricultural complex. In addition, the developed 2D-model allows for studies of paleoclimate scenarios and their influence on the groundwater regime. / Ein steigender Bedarf nach landwirtschaftlichen Produkten - und damit Wasser - bei gleichzeitiger Abnahme des verfügbaren Wassers in Qualität und Menge in den bisherigen Anbaugebieten, führt zu einer intensiven Nutzung der Grundwasserressourcen der ariden Najd-Region in der Provinz Dhofar, im Süden des Sultanats Oman. Als Quelle dienen die Grundwasservorräte des Umm Er Radhuma-Aquifers, einer der Hauptaquifere auf der arabischen Halbinsel. Der steigenden Nutzung stehen mit dem jährlichen Monsoon, der regional limitiert ist, und unrgelmässigen, zwischen 3 und 7 Jahren auftretenden Unwettern (Zyklonniederschlag) nur begrenzte Niederschlagsmengen als Quellen für eine mögliche Zufuhr von Wasser (Grundwasserneubildung) zum Aquifersystem gegenüber. Der Ansatz der vorliegenden Arbeit besteht darin, mit Hilfe eines Grundwassermodells und der Einbeziehung von Umweltisotopen das tiefe und zur Nutzung geförderte Grundwasser in der Najd-Region als Teil eines aktiven Fließsystemes zu untersuchen und mittlere Verweilzeiten des Grundwassers abzuleiten. Ein 2D-Grundwassermodell entlang einer Fließlinie vom Dhofar Gebirge im Süden zur Sabkha Umm as Sammim im Nordosten wurde entwickelt. Das Modell reproduziert den Süd-Nord-Gradienten als auch den aufwärts gerichteten Gradienten mit höheren Grundwasserständen in den tiefen Grundwasserleitern. Die Simulationen zeigen, dass der Wechsel von ariden und humiden Phasen (wenig bzw. viel Grundwasserneubildung) zu Veränderungen der Grundwasseroberfläche führt die mehrere tausend Jahre anhalten können. Das kalibrierte Grundwassermodel zeigt, dass mit einer Neubildungsrate von 4 mm a−1 die natürlichen Grundwasserverhältnisse im Najd abgebildet werden können. Dass eine moderne Grundwasserneubildung stattfindet, konnte mittels Loggermessungen anhand steigender Grundwasserstände im tiefen Aquifersystem nach dem Extremunwetter im November 2011 (Zyklon Keila) eindeutig nachgewiesen werden. Die Analyse der 36Cl- und 4He-Konzentrationen zeigt, dass die tiefen Grundwasser im zentralen Najdgebiet bis 550 000 Jahren alt sein können. Das bedeutet allerdings, dass die über 14C Daten berechneten Grundwasseralter mit ca. 20 000 Jahren für das zentrale Najdgebiet und bis zu 35 000 Jahren für den nördlichen Najd, die Grundwasseralter deutlich unterschätzen. Die abnehmenden 36Cl und ansteigenden 4He Konzentrationen zeigen den erwarteten Trend in Grundwasserfließrichtung und können als aussagefähige Tracer für die Bewertung der Verweilzeiten und Alter des fossilen Grundwassers der Najd-Region angesehen werden. Mit Hilfe des Partickeltrackings wurden die Grundwasseralter, basierend auf den Isotopentracern, im Grundwassermodel simuliert. Die Porosität wurde dabei für das Aquifesystem mit Werten zwischen 15 und 20 % bestimmt. Die generierten Parameter und das gewonnene Systemverständnis sind eine wichtige Basis für zukünftige 3D-Modellstudien welche die Verfügbarkeit der Wasserresourcen im Najd untersuchen werden. Weitere Anwendungen für das in dieser Studie aufgebaute 2D-Modell sind Untersuchungen zum Paläoklima und dessen Einfluss auf das Grundwassersystem.

Deteriorating water quality in the face of a rising demand for agricultural products triggered interest in the groundwater resources of the Najd dessert, an arid region of southern Oman. Groundwater in this area usually is abstracted from one of the largest aquifers on the Arabian Peninsula, the Umm Er Radhuma aquifer. Increased discharge stands in contrast to limited precipitation: the monsoon is an annual event but it is regionally limited; cyclones infrequently occur within the range of three to seven years. Both are possible sources for groundwater recharge in the Najd. With these preconditions in mind, the present study investigates recharge to the Najd groundwaters as part of an active flow system and evaluates the mean residence time in the deep groundwaters. The tools of choice are a groundwater flow model combined with environmental isotope tracer data. The two-dimensional flow model replicates the characteristics of the aquifer system from the potential recharge area in the south (Dhofar Mountains) to the discharge area in the north (Sabkha Umm as Sammim). The south-to-north gradients and the observed artesian heads in the confined aquifer are reproduced. Simulation results indicate that changes between wet and dry periods caused transient responses in heads and head gradients lasting for several thousand years. Based on the used parameters the model calibration indicated, that a recharge rate of around 4 mm a−1 is sufficient to reproduce current groundwater levels. Since rising groundwater levels were documented after cyclone Keila in November 2011, modern recharge evidently occurs. 36-Cl concentrations and dissolved-helium concentrations indicate that the deep groundwaters in the central Najd are up to 550,000 years old. Thus, radiocarbon values indicating groundwater residence times for the central Najd up to 20,000 years and the northern Najd up to 35,000 years underestimate the groundwater residence times and seem to have been strongly affected by mixing during sampling. Decreasing 36-Cl and increasing 4-He concentrations confirm the expected trend in the direction of groundwater flow and prove to be more robust tracers for age dating of Najd groundwaters. Backward pathline tracking was used to simulate the groundwater ages. The tracking results show that a total porosity value between 15 and 20 % is consistent with the range of the observed chlorine-36 and heliumbased ages. The results and parameters obtained in the present study provide the basis for future 3D-groundwater models designed to evaluate the water resources available to the Najd’s agricultural complex. In addition, the developed 2D-model allows for studies of paleoclimate scenarios and their influence on the groundwater regime. / Ein steigender Bedarf nach landwirtschaftlichen Produkten - und damit Wasser - bei gleichzeitiger Abnahme des verfügbaren Wassers in Qualität und Menge in den bisherigen Anbaugebieten, führt zu einer intensiven Nutzung der Grundwasserressourcen der ariden Najd-Region in der Provinz Dhofar, im Süden des Sultanats Oman. Als Quelle dienen die Grundwasservorräte des Umm Er Radhuma-Aquifers, einer der Hauptaquifere auf der arabischen Halbinsel. Der steigenden Nutzung stehen mit dem jährlichen Monsoon, der regional limitiert ist, und unrgelmässigen, zwischen 3 und 7 Jahren auftretenden Unwettern (Zyklonniederschlag) nur begrenzte Niederschlagsmengen als Quellen für eine mögliche Zufuhr von Wasser (Grundwasserneubildung) zum Aquifersystem gegenüber. Der Ansatz der vorliegenden Arbeit besteht darin, mit Hilfe eines Grundwassermodells und der Einbeziehung von Umweltisotopen das tiefe und zur Nutzung geförderte Grundwasser in der Najd-Region als Teil eines aktiven Fließsystemes zu untersuchen und mittlere Verweilzeiten des Grundwassers abzuleiten. Ein 2D-Grundwassermodell entlang einer Fließlinie vom Dhofar Gebirge im Süden zur Sabkha Umm as Sammim im Nordosten wurde entwickelt. Das Modell reproduziert den Süd-Nord-Gradienten als auch den aufwärts gerichteten Gradienten mit höheren Grundwasserständen in den tiefen Grundwasserleitern. Die Simulationen zeigen, dass der Wechsel von ariden und humiden Phasen (wenig bzw. viel Grundwasserneubildung) zu Veränderungen der Grundwasseroberfläche führt die mehrere tausend Jahre anhalten können. Das kalibrierte Grundwassermodel zeigt, dass mit einer Neubildungsrate von 4 mm a−1 die natürlichen Grundwasserverhältnisse im Najd abgebildet werden können. Dass eine moderne Grundwasserneubildung stattfindet, konnte mittels Loggermessungen anhand steigender Grundwasserstände im tiefen Aquifersystem nach dem Extremunwetter im November 2011 (Zyklon Keila) eindeutig nachgewiesen werden. Die Analyse der 36Cl- und 4He-Konzentrationen zeigt, dass die tiefen Grundwasser im zentralen Najdgebiet bis 550 000 Jahren alt sein können. Das bedeutet allerdings, dass die über 14C Daten berechneten Grundwasseralter mit ca. 20 000 Jahren für das zentrale Najdgebiet und bis zu 35 000 Jahren für den nördlichen Najd, die Grundwasseralter deutlich unterschätzen. Die abnehmenden 36Cl und ansteigenden 4He Konzentrationen zeigen den erwarteten Trend in Grundwasserfließrichtung und können als aussagefähige Tracer für die Bewertung der Verweilzeiten und Alter des fossilen Grundwassers der Najd-Region angesehen werden. Mit Hilfe des Partickeltrackings wurden die Grundwasseralter, basierend auf den Isotopentracern, im Grundwassermodel simuliert. Die Porosität wurde dabei für das Aquifesystem mit Werten zwischen 15 und 20 % bestimmt. Die generierten Parameter und das gewonnene Systemverständnis sind eine wichtige Basis für zukünftige 3D-Modellstudien welche die Verfügbarkeit der Wasserresourcen im Najd untersuchen werden. Weitere Anwendungen für das in dieser Studie aufgebaute 2D-Modell sind Untersuchungen zum Paläoklima und dessen Einfluss auf das Grundwassersystem.

L'aquifère du Trarza s'étend sur environ 40 000 km2 dans le sud-ouest mauritanien, entre le fleuve Sénégal au sud, l'Océan Atlantique à l'ouest et les formations métamorphiques de la chaîne des Mauritanides au nord et à l’est ; il est contenu dans les sédiments du Continental Terminal et du Quaternaire. L’objectif de cette thèse est d’étudier avec une double approche géochimique (ions majeurs, 18O, 2H, 14C, 13 C) et hydrodynamique les processus de recharge de la nappe en réponse aux changements environnementaux. Les campagnes de terrain menées entre 2010 et 2012 ont significativement complété les rares mesures anciennes. Le niveau de la nappe ne semble pas avoir connu d’évolution significative durant les cinquante dernières années malgré un pompage localement important. L’écoulement général des eaux souterraines de la nappe se produit du sud vers le nord, c'est-à-dire du fleuve Sénégal vers la dépression au nord de Boutilimit où la nappe est à plus de 30 m sous le niveau de la mer. Le croisement des approches hydrodynamique et géochimique a montré que, dans cette zone semi-aride, la dynamique de la nappe est influencée par les multiples changements actuels et anciens de l'environnement (depuis les transgressions quaternaires et les paléotracés du fleuve jusqu'aux différents barrages régulant le cours du fleuve Sénégal). La nappe est principalement alimentée par l’infiltration latérale des eaux de surface du fleuve Sénégal et dans une moindre proportion par les précipitations. La minéralisation des eaux souterraines reste largement influencée par les résidus des transgressions quaternaires. L'évaporation marque fortement les eaux de surface avant et durant leur infiltration. Des calculs encore très préliminaires faits par différentes méthodes indépendantes suggèrent une recharge annuelle inférieure ou égale à 5 % des précipitations, soit de 5 à 10 mm. / The Trarza aquifer covers about 40 000 km2 in the south-western Mauritania in a semi-arid environment, located between the Senegal River in the south, the Atlantic Ocean to the west and the metamorphic chain of Mauritanides in the north and east. The Trarza aquifer is made of Quaternary and Continental Terminal sediments. The objective of this work is to combine geochemical (majors ions, 18O, 2H, 14C, 13 C) and hydrodynamical approaches for identifying the groundwater recharge in response to current and past environmental changes. The field survey carried out from 2010 to 2012 significantly supplemented the limited older measurements. The water table levels appeared quite stable over the last fifty years despite important local pumping. The groundwater flows occurs from south to north, i.e. from the Senegal River to a depression north of the Boutilimit where the piezometric level is more than 30 m below the sea level. Combining geochemical and hydrodynamical approaches revealed that the dynamics of the aquifer is influenced by many changes in both current and former environment (from Quaternary transgressions and palaeobeds of the Senegal River to the dams now regulating the river flow). The main source of the aquifer recharge is lateral infiltration from the Senegal River, and precipitation to a lesser extent. Mineralization of groundwater is largely influenced by the residues of Quaternary transgressions. The important effect of evaporation on surface waters before and during their infiltration is strongly marked geochemical signature. Preliminary calculations performed with several independent methods suggest that the annual recharge rate from precipitation is up to 5 %, i.e. from 5 to 10 mm.

La dernière décennie est marquée par l'émergence, au nord comme au sud de la Méditerranée, de nombreux organismes portant dans leur appellation le terme « observatoire ». Le transfert de ces dispositifs de l'astronomie aux sciences humaines et sociales et leurs usages protéiformes requièrent un retour sur leurs fondements historiques, théoriques et méthodologiques. Cette exploration est le point de départ d'une recherche sur l'articulation entre observatoires, intelligence territoriale et développement durable dans le contexte aride du sud-tunisien. Ainsi les défis, les exigences et les mutations des sociétés rurales de Menzel Habib (Gabes) sont-ils nombreux et profonds. Devant la désertification et la dégradation continue qui affectent la dynamique de développement de ce territoire aride se pose, entre autres, la question sur les capacités de l'observatoire de Menzel Habib à générer la concertation et la valorisation des interactions territoriales. En ce sens, nos travaux constatent l'existence, dans bien des cas, d'un décalage entre les capacités d'évolution de l'observatoire et l'utilisation qui en est faite en matière de communication entre les différents acteurs territoriaux. Il ressort de cette recherche, inscrite dans le programme de recherche Langages, Objets, Territoires et Hospitalités (LOTH), que les thématiques du développement durable et de l'intelligence territoriale sont susceptibles de se rejoindre et de se compléter dans le cadre de projets locaux des observatoires socio-économiques et environnementaux. Cette dynamique de développement nécessite toutefois une mutualisation de l'information couplée à une démarche de confiance, de participation, de communication et de concertation territoriale. Aussi proposons-nous l'application d'un processus d'intelligence territoriale adapté (PITA) qui s'inscrit dans une voie prospective d'intégration des nouvelles attitudes susceptibles d'être au fondement d'un nouveau rapport de gouvernance rurale.

Ce travail présente et évalue quelques développements méthodologiques de changement d'échelle dans la description des échanges d'eau et d'énergie à la surface des continents. L'étude est motivée par deux objectifs principaux : i) évaluer l'impact dans la modélisation des Transferts Sol-Végétation-Atmosphère (TSVA) de l'hétérogénéité des couverts végétaux et de la variabilité des caractéristiques de l'interface SVA, et ii) proposer des méthodes de transfert des formalismes et des paramètres de l'échelle locale vers l'échelle régionale. Dans un premier temps, nous avons cherché une représentation adéquate de l'hétérogénéité à très petite échelle de la couverture végétale. Les couverts épars sont souvent décrits au moyen de modèles TSVA « double-source » où le substrat et la végétation épigée sont couplés dynamiquement et organisés en deux couches superposées. Un indice de rugosité a été utilisé pour discriminer le taux d'éparsité à partir duquel une description « mosaïque », où substrat et végétation fonctionnent comme de simples sources juxtaposées horizontalement, devient nécessaire. Une Analyse Statistique a ensuite été conduite à l'échelle du paysage et à l'aide du modèle SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer model) pour évaluer la sensibilité sur la saison puis l'année des diverses composantes du cycle de l'eau aux variations des paramètres de l'interface SVA. Quelques règles d'agrégation des paramètres pour relier les paramètres locaux à un paramètre « effectif » représentatif de la région ont été vérifiées ou invalidées par cette méthode. Pour régionaliser la représentation mono-dimensionnelle verticale, les distributions spatiales déterministes et stochastiques du modèle SiSPAT ont enfin été développés puis testés pour un bassin versant Australien au relief peu contrasté. Pour s'affranchir de la complexité analytique du modèle SiSPAT lorsque l'on s'intéresse à la spatialisation des processus, un schéma analytique simple de type capacitif a été construit et partiellement évalué.

Ce mémoire de thèse a pour objet la pénurie en eau. Face aux analyses techniques a-historiques centrées sur la rareté physique de l’eau, nous développons une problématique sociale-contingente pour laquelle les usages de l’eau sont au cœur de l’explication. La première partie correspond à l’étape d’observation. Elle a pour objectif de retracer l’évolution du mode d’usage de l’eau à Almeria (Andalousie) et à Marrakech et Agadir (Maroc) entre la fin du XIXe siècle et aujourd’hui. Considéré comme domaine d’observation, le mode d’usage de l’eau (Arrus) qualifie l’articulation d’un volet « économique », relatif à l’ajustement réciproque de l’offre et des usages finals de l’eau produite (formalisé par des normes-procédures) et d’un volet « institutionnel », relatif aux normes sociales (qualifiées de normes-règles) présidant à la définition des droits de disposition sur les ressources en eau. Pour chacun des trois terrains, cette étape comprend une étude de terrain qualitative combinée à une analyse historiographique et à une analyse textuelle de documents de planification selon la méthode Alceste. Cette étape débouche sur la formulation de quatre faits stylisés chronologiques traduisant la succession de quatre phases constitutives du cycle de vie d’un mode d’usage de l’eau particulier. La deuxième partie est d’ordre théorique. Elle correspond aux étapes de caractérisation et de compréhension. Ces deux étapes reposent sur la mobilisation d’une grille théorique nouvelle élaborée par Billaudot sur la base d’une mise en rapport de l’institutionnalisme de Commons et de l’institutionnalisme sociologique de l’approche interprétative de l’économie des conventions (Boltanski et Thévenot). Qualifiée d’institutionnalisme historique et pragmatique, cette approche se présente comme une perspective d’approfondissement de l’institutionnalisme historique de la théorie de la régulation. Elle a pour objectif d’articuler genèse et fonction des institutions et conduit notamment à associer à chacune des modalités de règlement des transactions de Commons une valeur de référence et un bien supérieur. Ainsi, le mode d’usage de l’eau particulier ayant connu une phase de régime en Espagne et au Maroc au cours de la seconde moitié du XXe siècle est qualifié d’« hydrauliciste ». Il se caractérise par une représentation de l’eau essentiellement comme ressource d’allocation, dont l’abondance obtenue par des infrastructures à haute intensité de génie civil constitue une des prérogatives de l’État « moderne » qui, en aval, régit également son usage. L’identification des principales caractéristiques du mode d’usage « hydrauliciste » permet d’aboutir à la troisième étape, à savoir la compréhension des déterminants de son entrée en crise à partir des années 1980. D’une part, cette crise porte sur l’arrivée à terme des régularités antérieures quant à l’ajustement réciproque de l’offre et des usages finals de l’eau produite : on constate une raréfaction des ressources primaires (on qualifie cet aspect de « crise de la régulation »). D’autre part, elle correspond à la remise en question du cadre institutionnel qui soutient le volet économique (on constate une « crise du fondement du régime »). Ainsi, les normes sont partiellement disqualifiées par un double processus de délocalisation en faveur d’une décentralisation de la gestion de l’eau. De plus, le caractère non soutenable du mode d’usage antérieur conduit à l’émergence d’aspirations écologistes concrétisées par la proposition de nouvelles normes d’usage. Le registre de socialisation écologique pour lequel l’eau est comprise comme un milieu de vie se renforce. Au final, nous aboutissons à l’identification d’un nouveau mode d’usage actuellement en vigueur. Nous montrons qu’il ne procède pas d’une rupture paradigmatique mais correspond à un « régime de crise ». / This PhD dissertation focuses on water scarcity. Contrary to a-historical and technical analyses centred on physical water shortage, we develop a social-contingent approach in which water use is fundamental. Observing is the first step. It is based on an empirical analysis of the evolution of the water use mode in Almeria (Andalusia) and in Marrakech and Agadir (Morocco) between the end of the 19th century and today, thanks to fieldwork coupled with a historiographical analysis. The water use mode (ARRUS) —as our observation domain— typifies the articulation of two components: an “economic” component, related to the reciprocal adjustment of supply and final uses of produced water (formalised by technical norms: “procedure-norms”) and an “institutional” component, related to social norms (“rule-norms”) which frame the rights to own, appropriate and use water resources. This step enables us to state four chronological stylised facts that define four stages of the living cycle of a particular water use mode. The next two steps are theoretical and deal with the analytical results obtained in the first step. They require a new theoretical grid designed by BILLAUDOT. This grid proposes to link historical institutionalism, i.e. Regulation theory and COMMONS, and the sociological institutionalism of the interpretative approach of the Economics of conventions (BOLTANSKI & THÉVENOT). This double critical appropriation aims at articulating the genesis and function of institutions and, more particularly, it enables us to link each of COMMONS’ transactions with a reference value and a superior common good targeted. Thus the second step aims at characterising the particular water use mode stamped “hydraulicist” which experienced a regime phase in Spain and in Morocco during the second half of the 20th century. It features a representation of water primarily as an allocation resource. Abundance, obtained via highly-intensive civil engineering infrastructures, is one of the “modern” State’s prerogatives, which also regulates the downstream use of water. The identification of this particular water use mode’s main characteristics leads to the third step, i.e. the understanding of the crisis determinants. On the one hand this crisis involves the termination of previous regularities concerning the reciprocal adjustment of supply and the final uses of produced water: a shortage of primary water resources appears. On the other hand the institutional framework that supports the economic component is questioned. Thus norms are partially disqualified by a double process of relocation in favour of water management decentralization. From a theoretical standpoint, this implies the withdrawal of the “collective-nation” value, in favour of the “freedom-competition” value associated with “bargaining”. In addition the unsustainability of the previous water use mode has led to the emergence of environmentalist claims, which demand the implementation of new water use norms. The ecological socialisation register, for which water is understood as a living environment, is then strengthened. Finally after having shown how water scarcity, understood as the failure of the “hydraulicist” water use mode, results from a complex process, we conclude by identifying a new water use mode. We show how it tries to address the limitations of the previous mode. Nevertheless, it actually does not imply a paradigm shift but corresponds to a “crisis regime”.

Les changements climatiques et la surexploitation des ressources naturelles dans les zones arides ont conduit à la dégradation et au déclin de la couverture végétale. Pour restaurer ces écosystèmes, les plantations d'espèces agroforestières à usages multiples sont recommandées. Cependant, la production en pépinière de ces types d'arbres à l'aide de semences ou de techniques de multiplication végétative est confrontée à plusieurs problèmes, tels que l'utilisation de substrats avec des propriétés physico-chimiques défavorables et souvent contaminés avec des pathogènes. Pour cette thèse, deux espèces agroforestières à haute valeur socioéconomique ajoutée, Ceratonia siliqua et Argania spinosa, ont été produites respectivement par graines et par boutures. Une approche novatrice et simple a été développée pour produire des substrats de croissance par compostage de branches broyées d'Acacia cyanophylla, Acacia cyclops et Eucalyptus gomphocephala. Les propriétés physico-chimiques (pH, conductivité électrique, capacité d’échange cationique, masse volumique, porosités, conductivité hydraulique et diffusion des gaz) de ces trois composts et du substrat standard tourbe-vermiculite ont été évaluées et leurs effets sur la croissance des semis de Ceratonia ont été étudiés. Les analyses en composantes principales ont montré que la composition chimique des substrats est reproductible et prédictible à partir de leurs matières organiques premières. Les composts d’Acacia ont permis aux semis de produire des systèmes racinaires bien développés. L’excès du drainage était négativement corrélé avec les variables de croissance, tandis que la disponibilité en eau et la porosité d'air étaient positivement corrélées. Le champignon endophyte Pestalotiopsis clavispora, responsable de la mortalité des boutures d’Argania, a été identifié et des mesures de prévention et de lutte ont été évaluées. Ces résultats permettraient d'améliorer la qualité des plants et leur protection contre les agents pathogènes en pépinière. La généralisation de l'approche de compostage décrite ici pour les pays disposant de ressources limitées dans les régions arides est prometteuse. / Climate change and the overexploitation of natural resources in arid zones have led to the degradation and decline of vegetative cover. To restore the ecological functions and services provided by these ecosystems, planting multipurpose agro-forestry species that are adapted to arid climates is increasingly recommended. However, nursery production of these types of tree species using seeds or vegetative propagation techniques faces several problems, such as the widespread use of substrates with inadequate physicochemical properties that are unfavorable to growth and that can lead to high rates of infection by pathogens. For this thesis, two high-value agroforestry species, Ceratonia siliqua and Argania spinosa, were produced from seeds and cuttings, respectively. A simple, innovative approach was developed for producing growing media in arid regions from ground branches of Acacia cyanophylla, Acacia cyclops, and Eucalyptus gomphocephala. The physico-chemical properties (pH, electrical conductivity, cation exchange capacity, density, air and water porosity, hydraulic conductivity, gas diffusion) of these three substrates as well as of a standard peat-vermiculite substrate were evaluated and their influence on the growth of Ceratonia seedlings was assessed. Principal components analyses showed that the chemical composition of the substrates is reproducible and can be predicted from its raw organic materials. Acacia composts produced seedlings with well-developed root systems. Excessive drainage was negatively correlated with growth variables, while water availability and air porosity were positively correlated. As well, the endophytic fungus Pestalotiopsis clavispora (Atkinson) Steyaert, responsible for the mortality of Argania cuttings before rooting, was identified and different preventive and control measures were evaluated. These results should be useful for improving nursery substrates, seedling quality, and protection against pathogens during the nursery production of trees in arid regions. The generalisation of the composting approach described here to countries with limited resources in arid regions is promising.

La forte croissance démographique (~3%.an-1) observée au cours des dernières décennies en Afrique subsaharienne a engendré la conversion de grandes étendues de savane arborée en cultures pluviales ou irriguées et la diminution de la durée des jachères. Afin de déterminer l'impact de tels changements d'usage du sol sur la recharge des nappes phréatiques, la zone non saturée a été investiguée pendant trois ans (2009-2011) pour deux régions du Niger (sud-ouest et sud-est) aux conditions climatiques et géomorphologiques différentes.Une approche expérimentale in-situ a tout d'abord permis de caractériser qualitativement les propriétés de la zone non saturée et les flux hydriques associés (profondeur 0-10 m) pour les principaux usages du sol : savane naturelle ; jachère ; culture pluviale de mil ; et culture irriguée de poivron. Des profils granulométriques et de résistivité électrique apparente ont été réalisés et des suivis temporels de la teneur en eau et du potentiel matriciel du sol ont été mis en place. A partir des résultats et de la synthèse des données ainsi recueillies, deux analyses détaillées ont été proposées.Afin de quantifier le différentiel de recharge diffuse entre une jachère à Guiera senegalensis et une culture pluviale de mil (Pennisetum sp.) au sud-ouest Niger, une modélisation à base physique via le code Hydrus-1D a été appliquée. Dans un premier temps, une inversion basée sur la méthode GLUE a permis d'établir les densités de probabilité pour les paramètres hydrodynamiques de la zone non saturée ; dans un second temps, des simulations pluriannuelles (2 × 100 ans) du drainage profond (0-10 m) lors d'une transition jachère-mil ont été réalisées. Il a ainsi été montré que l'expansion des surfaces cultivées en mil pourrait se traduire par une augmentation du drainage profond, de 20 à 25 mm.an-1 après un délai de 35 à 60 ans.Afin d'étudier les conséquences des mises en culture pluviales et irriguées sur le potentiel de salinisation des sols et des eaux souterraines au sud-est Niger, les concentrations en ions majeurs dissous dans l'eau des pores de la zone non saturée ont été mesurées, puis comparées à la composition géochimique des apports d'eau associés (pluie, eau d'irrigation). Il a été ainsi mis en évidence que la mise en culture pluviale a un effet négligeable sur la qualité des eaux interstitielles et souterraines tandis que l'irrigation est associée à un enrichissement de l'eau de la zone non saturée en solutés qui pourrait induire, à terme, une salinisation de la nappe par lessivage des sols devenus salins/sodiques. / In semiarid sub-Saharan Africa, the rapid population growth (~3%.yr-1) during the past few decades has resulted in land clearing and large-scale conversion from savannah and fallow to rainfed or irrigation crop fields. The traditional duration of fallow has been also shortened. In order to estimate the impact of these land use changes on groundwater recharge, the vadose zone was investigated during three years (2009-2011) for two regions located in Niger (south-west and south-east).A qualitative analysis was first carried out for identifying vadose zone properties and for characterizing the corresponding water fluxes (0-10 m depth) for the main land use types: natural savannah; fallow; rainfed millet crop; and irrigated sweet pepper crop. Grain size and electrical resistivity profiles were established and soil water content and matric potential were monitored. Based on the results of this analysis, two more detailed investigations were performed.In southwestern Niger, in order to estimate changes in diffuse recharge from a fallow with Guiera senegalensis to a rainfed millet crop (Pennisetum sp.), a physically-based modeling with Hydrus-1D code was completed. Probability density functions were first built for the soil hydraulic parameters based on the GLUE approach; then, deep drainage (0-10 m depth) was simulated for a 2 × 100 year time-period including a fallow-millet conversion. It was shown that the increase in millet crop areas could result in an increase in deep drainage from 20 to 25 mm.yr-1 after a delay of 35 to 60 years.In southeastern Niger, in order to assess the impact of rainfed and irrigated cropping development on soil and groundwater salinization, major ion concentrations in pore water of the vadose zone were measured and compared with the geochemical composition of water inputs (rainfall, irrigation). It was shown that rainfed cropping does not affect soil water and groundwater quality whereas irrigation results in an increase of solutes concentrations in soil pore water, which could lead to a groundwater salinization at mid-term through soil leaching.