L’objectif de cette thèse est de développer, tester et valider des méthodes, techniques et outils permettant de traiter et décomposer les hydrogrammes en temps sec et en temps de pluie, dans le but de comprendre, de représenter et de prédire les dynamiques liées à ces composantes de débits sur des bassins versants urbanisés. Les données en continu de temps sec recueillies sur ces deux bassins versants Chassieu et Ecully ont été traitées à partir de la méthode de traitement des signaux bruités par ondelettes, puis analysées. L’utilisation de ces méthodes et l’analyse des données en continu a permis de mettre en évidence des composantes périodiques intra et inter journalières dans les débits mesurés. Ces composantes ont ensuite été caractérisées puis ont servi de base pour l’élaboration d’une typologie des hydrogrammes de temps sec relatif à chaque site d’étude. Des méthodes, techniques et outils de traitement, d’analyse de séries de données et de calage de modèles pluie-débit ont également été utilisés et deux modèles pluie-débit ont été proposés pour représenter : (i.) la composante liée aux eaux de ruissellement pour les deux sites d’études et (ii.) la composante d’eaux parasites d’infiltration événementielle. La typologie des hydrogrammes de temps sec ainsi que les modèles de production de flux d’eaux en périodes pluvieuses ont été implémentés dans une plate-forme de modélisation hydrologique appelée « Hydrobox ». Les débits simulés ont ensuite été confrontés aux débits mesurés. Les résultats de comparaison montrent l’intérêt de prendre en compte la signature particulière portée par chaque composante dans le but d’améliorer la compréhension et la représentation des dynamiques liées aux processus hydrologiques intervenant sur des bassins versants urbanisés. / The objective of this thesis is to develop, test and validate methods, techniques and tools which can process and decompose hydrographs in order to understand, represent and predict the dynamics associated with these flow components in urbanized watersheds. The development of the methodology is based on rainfall and runoff data including qualitatives measures of the flow rate (conductivity, pH and turbidity) continuously acquired as part of the Field Observatory for Urban Hydrology (OTHU) for two watersheds in Lyon: Django Reinhardt (Chassieu) and Ecully. The continuous data collected in dry weather period from these two watersheds were analyzed using wavelets transforms. These methods combined to signal treatments analysis helped to reveal periodic component in the measured flows. These components were then characterized and used as a basis for developing a typology of hydrographs of dry weather period for each study site. Methods, techniques and tools for processing and analyzing of data sets and calibrating of rainfall-runoff models have been used to propose two models which represent respectively: (i) the component related to the runoff contribution for the two study sites and (ii.) the component related to parasitic water infiltration. The typology of hydrographs for dry weather period, the rainfall-runoff model and the infiltration-inflow model were implemented in a platform for hydrological modeling called “Hydrobox”. The simulated and the measured flow values were then compared. The comparison results show the importance of taking into account the particular signature carried by each component in order to improve the understanding and representing the dynamics related to hydrological processes in urbanized watersheds.

Depuis la fin du 19ème siècle, le traitement des vignes par des fongicides cupriques a engendré une augmentation de la teneur en cuivre (Cu) dans les sols viticoles, ainsi que dans les écosystèmes aquatiques en aval. Cette thèse vise à mieux comprendre le devenir de ce Cu dans un agrosystème basé sur l’étude du fractionnement isotopique du 65Cu/63Cu. Les résultats montrent que durant 4 à 5 décennies de culture de vignes, les sols en surface se sont enrichis en Cu de 9 à 28 fois par rapport au fond géochimique et que les minéraux argileux jouent un rôle important dans l’accumulation du Cu. Lors des événements pluvieux, ~1% du Cu appliqué est mobilisé, essentiellement lié à des argiles. Le bassin d’orage récoltant les lames ruisselantes retient en moyenne 68% du Cu dissous et plus de 92% du Cu particulaire. Les ratios isotopiques du Cu dans le bassin indiqueraient la sorption du Cu dissous dans les sédiments, ainsi que la réduction du Cu(II) in situ due à des processus biogéochimiques. / Since the end of the 19th century, the use of copper (Cu)-based fungicides has resulted in increased Cu concentrations in vineyard soils, but also in downstream aquatic ecosystems. The aim of the thesis was to better understand the fate of this Cu in an agrosystem based on assessing Cu isotope fractionation (65Cu/63Cu). The results have shown that the surface vineyard soils have become enriched in Cu from 9 to 28 times compared to the background level during 4 to 5 decades of vine-growing and that clay minerals were the major Cu sorbing phases in the soils. During rainfall, runoff mobilized ~1% of the applied Cu during the, mainly associated with clays. The stormwater wetland collecting the runoff retained in average 68% of the dissolved and more than 92% of particulate Cu. Cu isotope ratios measured in the wetland suggested dissolved Cu sorption to the sediments and in situ reduction of Cu(II) due to biogeochemical processes.

Les matières organiques dissoutes (MOD), en tant que sources de nutriments ou potentiels vecteurs de pollution, sont impliquées dans de nombreuses problématiques environnementales. Bien qu'elles fassent l'objet de nombreuses études depuis plusieurs décennies, les mécanismes gouvernant leur solubilisation et leur transfert depuis les sols vers les systèmes aquatiques demeurent sujets à discussion. En s'appuyant sur l'étude de la composition moléculaire des MOD par hydrolyse et méthylation assistée par température et couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse (HMT-CPG-SM), cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension de leurs mécanismes de solubilisation et de transfert à l'échelle d'un bassin versant agricole. Ce travail s'est appuyé sur le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan, Observatoire de Recherche en Environnement AgrHys) afin d'observer les processus mis en jeux à deux échelles temporelles différentes. A l'échelle de la crue, ce travail a permis de préciser l'impact des conditions hydrologiques spécifiques sur la dynamique des MOD. A l'échelle annuelle, l'utilisation conjointe de la signature isotopique du carbone (δ13C) et de la composition moléculaire des MOD a permis de préciser les mécanismes de transfert de MOD impliqués à l'échelle du versant. L'utilisation de la HMT-CPG-SM s'est avéré un outil adéquat pour l'étude de la dynamique des MOD. L'ensemble des résultats ainsi obtenus ont permis de souligner l'importance des conditions hydrologiques et en particulier de la dynamique de nappe dans les processus de solubilisation et de transfert des MOD. / Dissolved organic matter (DOM), as sources of nutrient or pollutant dissemination pathway are implied in numerous environmental issues. Although DOM have been the subject of numerous studies for several decades, the mechanisms implied for their solubilization and their transport from soils to aquatic systems are still a matter of discussion. Based on DOM molecular composition determined using thermally assisted hydrolysis and methylation –gas chromatography – mass spectrometry (THM-GC-MS), this thesis aims to provide a better understanding of their solubilization and transfer mechanisms at the scale of an agricultural headwater catchment. This work was conducted on the experimental headwater catchment of Kervidy-Naizin (France, Environmental Research Observatory AgrHys) in order to determine the processes implied at two temporal scales. At the scale of a rain event, this work has clarified the impact of hydrological conditions on the DOM dynamics. At annual scale, the use of carbon isotope signature (δ13C) and DOM molecular composition allowed to clarify the DOM transfer mechanisms at the slope scale. The use of THM-GC-MS appears to be a suitable tool for the study of DOM dynamics. The results thus obtained allowed to highlight the role of hydrological conditions and in particular the water-table level in the solubilization and transfer of DOM.

Les retenues collinaires sont des aménagements hydrauliques largement rencontrés en Afrique du Nord, et plus généralement dans les zones arides et semi-arides de la planète. Ils visent à la fois la conservation en eau dans les bassins versants amont et la rétention des matériaux issus de l'érosion afin d'éviter l'envasement des grands barrages en aval. L'implantation et la gestion de l'eau mobilisée par les retenues collinaires doit s'appuyer sur une connaissance de leur fonctionnement hydrologique. Or ce fonctionnement est encore peu connu, en particulier les processus et l'intensité des flux des échanges retenue-souterrain, constituent une question très ouverte. L'objectif de ce travail est de quantifier et d'analyser le fonctionnement des échanges retenue-souterrain sur un bassin versant agricole. L'étude a été menée sur la retenue collinaire du bassin versant expérimental de Kamech, appartenant à l'ORE OMERE. Dans la première partie de ce travail, une approche de bilan hydrologique a été développée et a permis de montrer que les échanges retenue-souterrain sont dominés par l'infiltration, qui représente environ 79 % des pertes à la retenue collinaire et dépasse largement les pertes par évaporation qui ne représente que 21 %.En revanche, l'analyse croisée des dynamiques hydrologiques dans la retenue et dans la nappe au voisinage de la retenue a mis en évidence des échanges qui se produisent dans les deux sens : des échanges dominés par un flux d'infiltration avec la nappe au pied du barrage, par contre, les échanges avec la nappe latérale des versants se produisent dans les deux sens mais restent très fugaces. Les résultats préliminaires de l'approche de modélisation développé dans ce travail a permis de souligner la complexité des échanges retenue-souterrain et montre que la relation entre la hauteur d'eau dans la retenue et le flux d'infiltration n'est pas univoque et présente des comportements différents entre la phase de montée et la phase de descente du niveau d'eau dans la retenue. / Hill reservoirs are hydraulic infrastructures widely used in North Africa, generally in arid and semi arid zones of the planet. These infrastructures are used for both water conservation in the catchment scale and to reduce siltation of downstream dams. The implementation and the management of water resources mobilized in this infrastructure must be based on knowledge of their hydrological functioning. However, the hydrological functioning of this system is not very known, especially the water flux exchange processes and intensity between the reservoir and the subsurface is still an open question.The main purpose of this study is to quantify and analyse the hydrological functioning of the reservoir-subsurface exchange processes for an agricultural catchment. This study was conducted on the hill reservoir of the experimental observation site of Kamech belonging to the OMERE observatory. In the first part of this study, we develop a water balance approach to estimate reservoir-subsurface exchange flux. The results of this approach shows that reservoir-subsurface exchange flux is dominated by infiltration that represent about 79% of the water outflow, and largely exceeds the water loss by evaporation that represents only 21 % of the total water outflow. However, the cross-analysis of the hydrological dynamics of the hill reservoir and the aquifer in the vicinity of the reservoir revealed that infiltration can occur in both directions: reservoir-subsurface exchange dominated by infiltration with the aquifer located in the foot of the dam, however the water exchange with the lateral aquifer of the hill reservoir can occur in both directions but remain very fleeting. The preliminary results of the modeling approach developed in this work has highlighted the complexity of reservoir-subsurface exchange flux. In fact, the relationship between water level in the hill reservoir and the infiltration flux is not unique and can present different behavior between the rise and decrease phase of the water level in the hill reservoir.

L’archipel du Cap Vert constitue de 10 iles volcaniques appartient a la zone sahelienne qui s’etend de l’atlantique jusqu’a la mer rouge. Depuis, plusieurs decennies le Cap Vert est affecte par la desertification causee en grande partie par la recession climatique et l’erosion des sols. Ces facteurs, associes a la forte pression anthropique sur les ressources, a l’orographie accidentee et a des pluies tropicales parfois diluviennes, provoquent de serieuses pertes du patrimoine foncier. Cependant, depuis son Independance en 1975, le Gouvernement a mene un vaste programme d’arborisation, de restauration des terres et d’amenagement des cours d’eau. Pourtant, tres peu de recherches ont ete menees pour evaluer les actions de protection et de conservation des sols et des eaux. Par consequent, il n’existe quasiment pas de donnees sur la problematique de la degradation des terres ni de bilans. Dans le cadre de ce travail, nous avons etudie les differents facteurs qui controlent l’erosion hydrique des sols. Nous avons plus particulierement cherche a differencier les effets des activites humaines, notamment agricoles, de ceux des facteurs climatiques comme les precipitations et la generation des ecoulements. Nous avons egalement etabli les premiers bilans d’exportations de matieres en suspension et en solution dans le contexte de l’archipel du Cap Vert. L’etude a ete menee a l’echelle de trois bassins versants de l’ile de Santiago Cap-Vert. Ces trois bassins versant (Longueira, Grande et Godim) sont localises dans la partie centrale de l’ile de Santiago et representatifs des divers modes d’occupation du sol et des differents climats de l’ile. Il existe un gradient climatique entre les trois bassins versants. En effet, Longueira qui presente une superficie de 4,18 km2, une pente moyenne de 47 %, se localise dans une zone humide couverte a 69 % par une foret et une surface agricole de 17 %. Grande avec une superficie de 1,87 km2, se localise en zone sub humide pour une pente moyenne de 50 %, il est essentiellement agricole. Godim, avec une superficie de 2,0 km2, se localise en zone semi aride, il est particulierement agricole et sa pente moyenne est de 32 %. Pour ces trois bassins versants, les ecoulements de crue a l’exutoire ont ete mesures et echantillonnes de 2004 a 2009. Le bassin versant de Longueira a fait l’objet d’un suivi plus pousse, notamment en termes de frequence d’echantillonnage et de suivi des ecoulements hors crue. Sur chaque echantillon nous avons procede a la determination de la concentration des matieres en suspension ainsi qu’a l’analyse des elements majeurs. Les resultats obtenus montrent que l’erosion mecanique dans les 3 bassins versants est caracterisee par une forte variabilite spatiale et temporelle. Sur la periode 2005-2009, le bilan moyen annuel pour les bassins versants de Longueira, Grande et Godim est de : 4266, 157 et 10,1 t.km2.an-1 respectivement. La saison humide 2006 a ete la plus erosive pour l’ensemble des trois bassins versants et particulierement dans Longueira avec 2 crues exceptionnelles qui ont genere une concentration moyenne de matieres en suspension superieure a 100 g/l. En revanche, les saisons 2005 et 2008 ont ete dans l’ensemble peu erosives car les concentrations moyennes ne depasserent pas 20 g/l. Par ailleurs, il n’y a pas eu de lames d’eau ecoulees pour les saisons 2005 et 2007 pour le bassin de Godim. Sur le bassin de Longueira, l’etude des phenomenes d’hysteresis permet de caracteriser chaque crue et de montrer que l’evolution temporelle des exportations de matieres en suspension au cours de la saison est fortement influencee par les activites agricoles. En effet, la premiere crue provoque l’exportation massive des sediments disponibles et localises dans le lit du cours d’eau. En consequence, la seconde est moins exportatrice de sediments. etc / The archipelago of Cape Verde comprises 10 volcanic islands and belongs to the Sahelian zone stretching from the Atlantic to the Red Sea. Since several decades, Cape Verde is affected by desertification caused largely by climatic recession and soil erosion. These factors, coupled with high population pressure on resources, rugged topography and torrential tropical rains, cause serious losses of lands. However, since its independence in 1975, the Government conducted an extensive program of afforestation, soil and water conservation. Nevertheless very little research has been conducted to evaluate the actions of protection and conservation of soil and water. Therefore, there is no data on the problem of land degradation or budget. As part of this work, we studied the various factors that control soil erosion by water. Specifically, we sought to differentiate the effects of human activities including agriculture, those climatic factors such as rainfall and runoff generation. We also established the first mass budget of suspended and dissolved load in the context of the archipelago of Cape Verde. The study was conducted across three watersheds of the Santiago Island, Cape Verde. These three watersheds (Longueira, Grande and Godim) are located in the central part of the island and are representative of various types of land use and of the different climates of the island. There is a climatic gradient between the three watersheds. Indeed, Longueira which covers an area of 4.18 km2, an average slope of 47 % is localized in a humid zone and covered to 69 % by forest and the agricultural area is 17 %. Grande with an area of 1.87 km2, is localized in sub humid zone for an average slope of 50 %, it is mainly agricultural. Godim, with an area of 2.0 km2, is localized in semi arid, it is particularly agriculture and its average slope is 32 %. For these three watersheds, flood flows at the outlet were measured and sampled from 2004 to 2009. Watershed Longueira has been further monitoring, particularly in terms of sampling and monitoring of flood flows out. On each sample we determined the concentration of suspended sediment and we analyzed dissolved major elements. The results show that mechanical erosion in the three watersheds is characterized by high spatial and temporal variability. Over the period 2005-2009, the average annual budget for Longueira, Grande and Godim watersheds is: 4266, 157 and 10.1 t.km2.an-1 respectively. The wet season 2006 was the most erosive for all three watersheds, particularly in Longueira with 2 exceptional floods that have generated an average concentration of suspended sediment exceeding 100 g/l. In contrast, the seasons 2005 and 2008 have been generally low erosive because mean concentrations did not exceed 20 g/l. Moreover, there was no runoff for the seasons 2005 and 2007 for the watershed of Godim. In Longueira watershed, the study of hysteresis phenomena can characterize each flood and show that the temporal evolution of suspended sediment yield during the season is strongly influenced by agricultural activities. Indeed, the first flood caused the massive export of sediment available and located in the bed of the watercourse. Accordingly, the second exported less sediment. One month after the first rains, weeding activities decreased the density of vegetation cover and deconstruct the superficial soil, which again caused a very strong export of sediments during the third run off. The results of the chemical erosion in the watershed of Longueira indicate that the budget of chemical erosion rate is 45 t.km-2.an-1 with a strong temporal variability. Indeed, the wettest seasons of 2006 and 2007 are the most export of dissolved load, whereas 2005 had a low export. The use of model mixtures EMMA (End-Members Mixing Analysis) shows that the interflow and deep, feeding the streams in dissolved elements are the main factors of chemical erosion. etc

En Lorraine, environ 7000 ha d’étangs sont exploités pour la production piscicole. Le présent travail a été consacré à la compréhension des mécanismes de transfert des micropolluants dans les étangs en mettant l'accent sur trois questions : (1) évaluer l'ampleur de la contamination métallique des étangs (n=45) ; (2) évaluer l'influence des étangs (n=3) sur les concentrations, le risque de toxicité et les flux de pesticides; (3) évaluer l'importance relative des voies de transfert des PCB vers le poisson. (1) Les enrichissements calculés soulignent des contaminations généralement faibles à modérés à l’exception des étangs localisés dans la Vôge et de deux étangs localisés dans la Woëvre. Cet enrichissement est plus prononcé pour le Cd et semble être lié à la richesse du sédiment en matière organique et carbonates (perte au feu). (2) Dans les cours d’eau de tête de bassin versant sur lesquels s’inscrivent ces trois étangs de barrage, les concentrations les plus élevées étaient généralement réduites de plus de 90% entre l'amont et l'aval de l'étang. Le risque de toxicité, évalué par la méthode de l'unité toxique, était atténué en aval des étangs. Lorsqu’on considère les flux de pesticides, les résultats obtenus suggèrent que, selon les substances considérées, les charges en pesticides sont réduites de 10 à 100% entre l'amont et l'aval de l'étang. (3) Les résultats montrent que le sédiment contaminé n’a pas d’impact sur la biodisponibilité orale des trois congénères de PCB chez la carpe commune. L’effet géosorbant du sédiment, qui explique son rôle de réservoir environnemental de PCB, paraît insuffisant dans les conditions du tractus digestif de la carpe commune, pour éviter un transfert vers le poisson / In the Lorraine Region, about 7,000 ha of ponds are exploited for fish production. The present work was dedicated to the understanding of micropollutants transfer mechanisms in freshwater fishponds focusing on three issues: (1) evaluate the extent of fishpond (n=45) exposure to trace metals (2) evaluate the influence of fishponds (n=3) on concentrations, potential toxicity and mass flows of pesticides; (3) evaluate the relative importance of transfer pathways of PCBs to fish. (1) The enrichments measured were generally low to moderate with the exception of the sites located in the Vôge and two sites located in the Woëvre. Enrichment was particularly high for Cd and seemed related to the loss of ignition. No relationship between enrichment and land use could however be observed. (2) High pesticide concentrations were generally reduced by more than 90% between upstream and downstream location. The risk of toxicity, evaluated under the toxic unit approach was attenuated downstream of the ponds. When considering the flow of pesticides, the results suggest that, depending on the substances in question, 10 to 100% of the loads of pesticides are retained in fishponds. (3) The oral transfer of polychlorinated biphenyls (PCBs 138, 153, and 180) from a contaminated sediment to a benthic fish (carp) was studied by the in vivo relative bioavailability method. The results show that the contaminated sediment has no effect on the oral bioavailability of the three PCB congeners in common carp. The geosorbing effect of sediment, which explains its role as an environmental reservoir of PCBs, seems insufficient under the conditions of the digestive tract of the common carp, to prevent transfer to fish

Les crues « éclair » parfois dévastatrices qui touchent les bassins versants méditerranéens du Sud de la France sont difficiles à anticiper. Leur prévision passe par l'utilisation de modèles pluie-débit, dont l'efficacité est encore limitée par les incertitudes liées notamment à la variabilité spatiale des pluies méditerranéennes et à la caractérisation de l'état hydrique initial des hydrosystèmes. Dans le cas de bassins karstiques, à ces incertitudes s'ajoutent celles liées à la dynamique des aquifères et à leur rôle sur la formation des crues. La première partie de ce travail de thèse propose un modèle pluie-débit horaire, distribué, événementiel et parcimonieux pour reproduire les crues « éclair » à l'exutoire du bassin karstique du Lez (Montpellier) de 114 km2. Le modèle est évalué non seulement sur la qualité des simulations de débits mais aussi sur la qualité de son initialisation obtenu grâce à une relation entre sa condition initiale et divers indicateurs de l'état hydrique de l'hydrosystème. Calibré sur 21 épisodes de crues, le modèle fournit des simulations satisfaisantes, et sa condition initiale est significativement corrélée à l'indice d'humidité Hu2 du modèle SIM de Météo-France ou à la piézométrie dans l'aquifère du Lez. Les pluies mesurées par radar en début d'automne sont de bonne qualité et conduisent à une amélioration des simulations de débit et de l'estimation de la condition initiale du modèle. En revanche, les pluies mesurées par radar en fin d'automne sont de moindre qualité et n'améliorent pas les simulations. Face aux incertitudes liées à la paramétrisation du modèle ou à l'estimation des pluies radar, la deuxième partie du travail de thèse analyse l'apport de l'assimilation des débits observés pour corriger en temps réel les paramètres les plus sensibles du modèle et notamment sa condition initiale ou les pluies radar en entrée du modèle. La procédure d'assimilation de données a été mise en place à l'aide du coupleur PALM, qui permet de relier modèle hydrologique à l'algorithme d'assimilation. La correction de la condition initiale du modèle permet généralement d'améliorer les prévisions (sous hypothèse de pluie future connue); la correction de la pluie a des effets similaires. Néanmoins les limites de cette correction sont atteintes dans le cas où le modèle ne reproduit pas de façon satisfaisante la partie initiale de montée des eaux, ce qui pourra être amélioré par la suite. Finalement, ce travail de thèse montre que la complexité d'un bassin karstique peut être représentée efficacement à l'aide d'un nombre réduit de paramètres, pour simuler les débits, et contribue à l'amélioration des outils opérationnels pour la prévision des crues. / The sometimes devastating flash floods which affect the Mediterranean watersheds of the South of France are difficult to anticipate. Flood forecasting requires the use of rainfall-runoff models which are limited in their efficiency by uncertainty related to the spatial variability of Mediterranean rainfall and the characterization of the initial hydric state of the system. In karstic catchments, these uncertainties are added to those due to aquifer dynamics and their role in flood genesis. The first part of this work will present a distributed event-based parsimonious hourly rainfall-runoff model in order to reconstruct flash flood events at the outlet of the 114 km2 Lez Catchment (Montpellier). The model is evaluated not only for the quality of the simulations produced, but for the quality of its parameter initialization obtained using a relationship between the initial condition and various hydric state indicators of the system. Calibrated using 21 flood episodes, the model produces satisfactory simulations and its initial condition is significantly correlated with the Hu2 soil humidity index of the Météo-France model or piezometers measuring the Lez aquifer. Radar rainfall data measured in early fall are of good quality and lead to improved discharge simulations and an improved estimation of the model initial condition. However, rainfall measured by radar in late fall are of poor quality and do not improve the simulations. Confronted with the uncertainty related to model parametrization or the estimation of radar rainfall, the second part of this dissertation analyzes improvements achieved by assimilating observed discharge measurements in order to perform real-time corrections to the most sensitive model parameters and notably the initial condition and the radar rainfall input to the model. The data assimilation procedure was implemented with the help of the PALM coupling software which allows for the linking of the hydrological model with the assimilation algorithm. Correcting the initial condition allowed for, on average, the improvement of forecasting (under a known future rainfall hypothesis); correcting the rainfall had similar effects. Nevertheless, the limits of this approach are reached when the model is unable to satisfactorily reproduce the rising limb of the hydrograph, a problem which may be addressed by future research. Finally, this body of work demonstrates that the complexity of a karstic catchment can be efficiently represented with a reduced number of parameters in order to simulate discharges and contribute to the improvement of operational tools for flood forecasting.

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Cette recherche vise, dans un premier temps, à améliorer la connaissance du fonctionnement de l’aquifère du Rhin Supérieur entre Bâle et Lauterbourg, sur une période de temps présent (janvier 1986 à décembre 2002), puis, dans un deuxième temps, à évaluer l’impact du changement climatique sur l’aquifère. Pour obtenir ces résultats, nous avons utilisé le modèle hydrogéologique HPP-INV (Chardigny, 1997) pour le calage de différents paramètres par méthode inverse, pour évaluer le fonctionnement de l’aquifère du Rhin Supérieur en temps présent. Ce modèle, associé à un modèle hydrologique que nous avons développé pour l’occasion, nous a permis de calculer les évolutions piézométriques et de débits dans les rivières pour les 2 horizons futurs par rapport la période de temps présent. Nous avons d’abord caractérisé l’aquifère et défini son fonctionnement. Au niveau de la hauteur piézométrique et du débit dans les rivières de plaine, nous avons identifié le mois de février comme le mois des hautes eaux et le mois de septembre comme celui des basses eaux. A l’inverse, le Rhin suit un régime nivo-glaciaire, soit une période d’étiage en hiver et une période de pointe durant l’été. Nous avons également mis en évidence l’importance des échanges nappe-rivières dans le fonctionnement de l’aquifère, qui représentent 59 % du débit entrant et 87 % du débit sortant par rapport à la nappe phréatique. L’impact du changement climatique sur l’aquifère est ensuite étudié selon 3 scénarios d’émission de gaz à effet de serre développés par le GIEC (Groupement d’experts Intergouvernementaux sur l’Evolution du Climat) : un scénario optimiste, un scénario pessimiste et un scénario intermédiaire. Ces 3 scénarios d’émissions de gaz à effet de serre ont permis la création de 9 scénarios météorologiques, utilisés pour les prévisions sur 2 horizons futurs par rapport au temps présent (août 1961 à juillet 2000) : un futur proche (août 2046 à juillet 2065) et un futur lointain (août 2081 à juillet 2098). Nous avons déterminé que pour la période de futur proche, l’évolution piézométrique calculée dépend du scénario météorologique. En effet, certains scénarios prévoient un abaissement non significatif du niveau de la nappe, alors que d’autres prévoient une élévation. Enfin, un dernier prévoit une élévation du niveau de la nappe dans sa moitié Sud et un abaissement dans sa moitié Nord. Pour la période de futur lointain, certaines prévisions présentent un abaissement du niveau de la nappe, plus important pour le scénario climatique le plus pessimiste. Les autres scénarios présentent une élévation globale du niveau de la nappe, très variable selon le scénario météorologique.Concernant le débit dans les rivières, tous les scénarios prévoient la même tendance pour les 2 horizons futurs. Le Rhin présente une diminution du débit estival, soit son débit de pointe, et une augmentation de son débit hivernal, soit son débit d’étiage ; ce phénomène, plus important pour la période de futur lointain que pour la période de futur proche, montre une modification du régime du Rhin vers un régime pluvio-nival. Pour les autres rivières, nous avons observé une diminution du débit d’étiage et une augmentation du débit de pointe, plus importantes pour la période de futur lointain (entre -46% et -8% pour le débit d’étiage, et entre +32% et +94% pour le débit de pointe) que pour la période de futur proche (entre -42% et -6% pour le débit d’étiage, entre +0% et +102% pour le débit de pointe). / This research aims to, firstly, improve the understanding of the functioning of Upper Rhine aquifer between Basel and Lauterbourg during present time (January 1986-December 2002) and, secondly, assess the impact of climate change on the aquifer. To obtain these results, we used the hydrogeological model HPP- INV (Chardigny, 1997) for different parameters calibration by inverse method, to assess the functioning of the Upper Rhine aquifer in present time. Combining this model with a hydrological model that we developed for the occasion, we could calculate changes of piezometric level and flows in rivers for two future horizons of this report time period. We first characterized the aquifer and defined its operation. At the pressure head and flow in lowland rivers, we identified the month of February as the month of high water and September as the low water month. On the opposite the Rhine follows a snow and ice regime, a period of low water in winter and a peak during summer. We also highlighted the importance of exchange water table/river in the functioning of the aquifer, which represent 59% of the inflow and 87% of the outflow compared to the groundwater. The impact of climate change on the aquifer is then studied through three scenarios of greenhouse gas emissions developed by the IPCC (the Intergovernmental Panel on Climate Change): an optimistic scenario, a pessimistic scenario and an intermediate scenario. These three scenarios led to the creation of nine weather scenarios used to forecast 2 future horizons compared to the present time (August 1961-July 2000) : a near future (August 2046 to July 2065) and distant future (August 2081-July 2098). We determined that for the period of the near future, the calculated piezometric evolution depends on the weather scenario. In fact, some scenarios predict an insignificant lowering of the water, while others predict a rise. Finally, one foresees a raise of the water level in its southern half and a reduction in its northern half. For the distant future, some forecasts show a lowering of the water, the most important diminution for the pessimistic climate scenario. Other scenarios show an overall rise of the water level, variable depending on the weather scenario. Concerning the rivers flows, all scenarios predict the same trend for the two future horizons. The Rhine has a reduced summer flow - its peak flow - and an increase in winter flows - its low flow. This phenomenon, more important for the distant future compared to the near future, shows a shift of the Rhine regime to a snow and rain regime. For other rivers, we observed a decrease in low flows and an increase of the peak flow, more important for the distant future period (between -46% and -8% for low flows, and between +32% and +94% for the peak flow) than the near future

Les ressources en eau sont généralement considérées comme l'une des ressources naturelles les plus importantes du développement social, en particulier pour soutenir les usages domestiques, agricoles et industriels. Au cours de la dernière décennie, en raison de l'augmentation des activités humaines, telles que l'urbanisation et l'industrialisation, les impacts sociaux sur l'environnement naturel deviennent de plus en plus intenses. Par conséquent, de nos jours, les problèmes d'eau par rapport à avant deviennent plus compliqués. Pour faire face au problème complexe depuis les années 1970, les gens ont reconnu que le système d'aide à la décision (DSS) présente des avantages évidents. De plus, avec le développement de l'informatique et des techniques web, les DSS sont souvent utilisés pour appuyer la décision locale. Les décideurs pour gérer les ressources naturelles de la région en particulier les ressources en eau. La modélisation hydrologique en charge de la représentation des caractéristiques du bassin versant joue un rôle important dans le système d'aide à la décision environnementale (EDSS). Parmi les différents types de modèles, le modèle hydrologique distribué déterministe est capable de décrire l'état réel de la zone d'étude de manière plus détaillée et précise. Cependant, le seul obstacle à la limitation des applications de ce type de modèle est pointé vers le grand besoin de données demandé par sa configuration de modélisation. Dans cette étude d'évaluation de la modélisation hydrologique dans le projet AquaVar, un modèle distribué déterministe (MIKE SHE) est construit pour l'ensemble du bassin versant du Var avec moins d'informations de terrain disponibles dans la zone. Grâce à une stratégie de modélisation raisonnable, plusieurs hypothèses sont conçues pour résoudre les problèmes de données manquantes dans les intervalles de temps quotidiens et horaires. La simulation est étalonnée sur une échelle de temps quotidienne et horaire de 2008 à 2011, qui contient un événement de crue extrême en 2011. En raison des impacts des données manquantes sur les entrées et les observations du modèle, l'évaluation de l'étalonnage de la modélisation n'est pas seulement basée sur des coefficients statistiques tels que le coefficient de Nash, mais aussi des facteurs physiques (p. ex. valeurs maximales et débit total). Le modèle calibré est capable de décrire les conditions habituelles du système hydrologique varois, et représente également le phénomène inhabituel dans le bassin versant tel que les inondations et les sécheresses. Le processus de validation mis en œuvre de 2011 à 2014 dans l'intervalle de temps journalier et horaire confirme la bonne performance de la simulation dans le Var. La simulation MIKE SHE dans Var est l'une des parties principales du système de modélisation distribuée déterministe de l'EDSS d'AquaVar. Après l'étalonnage et la validation, le modèle pourrait être utilisé pour prévoir les impacts des événements météorologiques à venir (par exemple, des crues extrêmes) dans cette région et produire les conditions aux limites pour d'autres modèles distribués déterministes dans le système. La conception de l'architecture EDSS, la stratégie de modélisation et le processus d'évaluation de modélisation présentés dans cette recherche pourraient être appliqués comme un processus de travail standard pour résoudre les problèmes similaires dans d'autres régions. / Water resource is commonly considered as one of the most important natural resources in social development especially for supporting domestic, agricultural and industrial uses. During the last decade, due to the increase of human activities, such as urbanization and industrialization, the social impacts on the natural environment become more and more intensive. Therefore, recently, water problems compared to before become more complicated. To deal with the complex problem, since 1970s, started from the companies, people recognized that the Decision Support System (DSS) has obvious advantages Moreover, with the development of computer science and web techniques, the DSS are commonly applied for supporting the local decision makers to manage the region natural resources especially the water resources. The hydrological modelling in charge of representing the catchment characteristics plays significant role in the Environment Decision Support System (EDSS). Among different kinds of models, the deterministic distributed hydrological model is able to describe the real condition of the study area in more detail and accurate way. However, the only obstacle to limit the applications of this kind of model is pointed to the large data requirement requested by its modelling set up. In this study of hydrological modelling assessment in AquaVar project, one deterministic distributed model (MIKE SHE) is built for the whole Var catchment with less field information available in the area. Through one reasonable modelling strategy, several hypothesises are conceived to solve the missing data problems within daily and hourly time intervals. The simulation is calibrated in both daily and hourly time scale from 2008 to 2011, which contains one extreme flood event at 2011. Due to the impacts of missing data on both model inputs and observations, the evaluation of modelling calibration is not only based on the statistic coefficients such as Nash coefficient, but also effected by some physical factors (e.g. peak values and total discharge). The calibrated model is able to describe usual condition of Var hydrological system, and also represent the unusual phenomenon in the catchment such as flood and drought event. The validation process implemented from 2011 to 2014 within both daily and hourly time interval further proves the good performance of the simulation in Var. The MIKE SHE simulation in Var is one of the main parts of the deterministic distributed modelling system in the EDSS of AquaVar. After the calibration and validation, the model could be able to use for forecasting the impacts of coming meteorological events (e.g. extreme flood) in this region and producing the boundary conditions for other deterministic distributed models in the system. The design of the EDSS architecture, modelling strategy and modelling evaluation process presented in this research could be applied as one standard working process for solving the similar problems in other region.