La Loire est un des principaux hydrosystèmes fluviaux français. Les îles font partie intégrante du paysage fluvial et tout particulièrement du corridor anastomosé de la Loire moyenne, d'où l'appellation de la Loire des îles. La thèse s'intéresse au fonctionnement méconnu de ce système fluvial. Les îles de la Loire sont à la fois des traceurs morphologiques du réajustement fluvial et des témoins des usages et pratiques par les sociétés du fleuve. L'approche morphologique se consacre ainsi à l'évolution du fleuve depuis le 19ème siècle à travers différentes échelles d'analyse spatiale et temporelle. Sous un Système d'Information Géographique (SIG), il a été possible de suivre l'évolution du lit fluvial depuis 1850 et d'analyser en détail les mécanismes et les rythmes de formation des îles. Les îles ne sont pas des formes entièrement stabilisées et peuvent être considérées comme des formes fluviales de réajustement aux perturbations environnementales (facteur déclenchant : arrêt de la navigation ; facteurs aggravants : absence de grande crue, incision du lit, déclin de l'agriculture, extractions de granulat). Le paysage de la Loire des îles est encore en transition et annonce la tendance à une chenalisation unique dominée par la forêt alluviale. Cette approche à échelle moyenne est complétée par une approche plus fine focalisée sur l'évolution saisonnière et inter-annuelle des îles et des bras secondaires. Des Modèles Numériques de Terrain (MNT) et des profils en travers comparatifs intégrés au SIG permettent alors de quantifier précisément les processus d'érosion et de sédimentation en fonction de l'année hydrologique. Les îles sont les sites privilégiés du piégeage sédimentaire et accentuent le déficit sédimentaire enregistré depuis le milieu du 20ème siècle. Les bras secondaires présentent de grands contrastes entre eux et permettent encore le transit sédimentaire. Cependant, la végétalisation de certains bras s'accélère et compromet leur pérennité. Les budgets sédimentaires des unités fluviales ont donc été établis à différents pas de temps. Cette thèse apporte au final des éléments indispensables à une gestion du fleuve.

La plaine semi-aride du Tensift au centre du Maroc est une région confrontée à des difficultés croissantes en terme de gestion de l'eau (pluviométrie faible et irrégulière, croissance des besoins sous l'effet de la démographie galopante et l'extension des zones irriguées). Dans ce contexte et dans le cadre du projet SudMed, l'objectif de la thèse est de décrire, dans l'espace (à la résolution kilométrique) et sur de longues périodes temporelles (la décennie), le fonctionnement hydrique des agro-systèmes irrigués de la plaine du Tensift (~3000 km²). La méthodologie développée repose sur le contrôle de modèles agro-météorologiques par des données satellites issues de capteurs optique à large champ (données MODIS de 2000 à 2006). Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'occupation du sol, connaissance préalable à la quantification des besoins en eau des cultures. Etant donné la résolution spatiale de MODIS (250 m), nous avons eu recours à des méthodes de désagrégation, qui ont permis d'identifier et de cartographier les trois principales classes d'occupation du sol: zones non irriguées, cultures annuelles, plantations arborées. Dans une deuxième partie, nous avons utilisé cette information pour spatialiser un modèle de bilan hydrique, en étudiant tout particulièrement les termes d'évapotranspiration et d'irrigation. L'évaluation du modèle est effectuée par comparaison: (1) aux données collectées sur les parcelles d'expérimentation du projet SudMed; (2) à des cartes établies à l'aide d'images à haute résolution spatiale et temporelleFORMOSAT-2 et (3) aux volumes d'eau des barrages distribués par l'office agricole régional. Cette étude ouvre des perspectives pour l'estimation des volumes d'eau d'irrigation transitant par les différents réseaux d'irrigation, et en particulier ceux prélevés dans la nappe phréatique du Tensift.

Le calcium est le cinquième élément le plus abondant de la Terre silicatée. Son intérêt découle de son abondance dans la croûte terrestre et de l'existence d'une grande quantité de minéraux le contenant. Un fractionnement maximum, dont les causes précises ne sont pas connues, de 1,3 ‰ par u.m.a a été mesuré à ce jour. Le travail réalisé durant ce doctorat s'intègre à ces nouvelles études sur les isotopes du Ca.<br />Un protocole de mesure permettant de s'affranchir du fractionnement instrumental a tout d'abord été développé au Centre de Géochimie de la Surface. Après séparation chimique sur résine échangeuse d'ions, les compositions isotopiques en Ca ont été déterminées au spectromètre de masse à thermo-ionisation par une technique employant un double spike. L'expression des rapports isotopiques du Ca sous forme de delta requiert l'emploi d'un matériel de référence. Aucun standard international n'existant pour les isotopes du Ca, le standard carbonaté SRM 915a du NIST a été proposé. L'eau de mer, seul échantillon commun à la majorité des études antérieures, a été calibré en fonction de ce standard carbonaté et utilisé pour ce travail.<br />Ce protocole a ensuite été appliqué à l'étude du bilan océanique du Ca. L'étude d'eaux continentales a permis de contraindre le flux de Ca arrivant aux océans. Il en résulte une variabilité limitée de δ44Ca (0,5 ‰) à l'embouchure des grands fleuves et pour les eaux hydrothermales. Aucune relation n'a en outre été observée entre δ44Ca et la lithologie ou le climat des bassins versants étudiés. Ceci a permis de calculer une composition isotopique moyenne en Ca arrivant aux océans égale à -1,1 ± 0,2 ‰ et de suggérer sa constance au cours du temps. Il résulte de cette valeur que l'océan actuel est à l'état stationnaire par rapport aux isotopes du calcium. L'étude du δ44Ca de phosphates marins du Miocène et du Pléistocène, qui reflètent la paléo-variation de l'eau de mer au cours du temps, a montré que cela n'a pas toujours été le cas par le passé. Ainsi, à 22 Ma, une incursion du δ44Ca vers des valeurs plus positives suggère que l'intensité des flux entrants et sortants a varié, mais non leur signature isotopique.

Les régions polaires représentent actuellement les régions mondiales où les changements liés au réchauffement climatique se manifestent de manière particulière et souvent spectaculaire. Notre capacité actuelle à comprendre les modes naturels de la variabilité climatique dans ces zones, ainsi que les impacts directs ou indirects de l'activité anthropique sur ces modes, reste encore relativement limitée. Ainsi, la nappe glaciaire Antarctique et ses composantes (atmosphère, océan, glace de mer) restent encore mal représentées dans les modèles climatiques actuels, contribuant notamment à de fortes incertitudes sur les projections climatiques futures et l'évolution associée du niveau des océans. La poursuite des études sur l'équilibre ou non (et l'évolution future) du bilan de masse (surface et total) des différents secteurs du continent Antarctique, par rapport au réchauffement climatique actuel, s'avère donc primordiale. Dans le cadre de ce manuscrit, je propose de contribuer à réduire les incertitudes du Bilan de Masse de Surface (BMS) Antarctique, permettant d'aborder une optimisation de la cartographie actuelle de ce dernier que ce soit avec les modèles climatiques ou les cartes d'interpolation de BMS.

Dans ce travail, nous avons adapté et mis en oeuvre le modèle de neige CROCUS pour le calcul et la reconstruction du bilan de masse des glaciers alpins. Le bilan de masse est calculé au pas horaire à partir des données de température, vitesse du vent, humidité, précipitations, rayonnement infra-rouge, rayonnement solaire direct et diffus et nébulosité. Il est spatialisé sur l'ensemble de la surface du glacier avec un pas horizontal de 200 m. Les données météorologiques pour la validation du modèle proviennent du modèle SAFRAN. La glace de glacier a été introduite dans CROCUS (albédo, rugosité), et la chaîne SAFRAN/CROCUS a été validée à partir de mesures de terrain et de reconstructions photogrammétriques du bilan de masse de surface et d'images satellite de la ligne de neige. Le bilan de masse pour la période 1981-2004 est reconstruit pour les glaciers de St Sorlin et d'Argentière, en bon accord avec les données disponibles.<br /><br />Le modèle permet de tester la sensibilité du bilan de masse des glaciers aux paramètres météorologiques. Pour des amplitudes de variations des paramètres météorologiques compatibles avec un changement climatique réaliste (prévisions climatiques de type IPCC), la température se révèle le paramètre dominant, et la sensibilité de l'altitude de la ligne d'équilibre est de 125 m.K-1, ou même 160 m.K-1 si la variation concomitante du rayonnement infra-rouge est prise en compte. L'impact de la variabilité des paramètres et des combinaisons de paramètres entre eux n'est pas négligeable par rapport à l'impact d'un changement de la moyenne météorologique (tendance).<br /><br />Des simulations longues de bilan de masse ont été effectuées sur la période 1800-2165, en utilisant des résultats de simulations climatiques réalisées par plusieurs modèles de circulation générale dans le cadre de l'IPCC AR4. D'après le modèle, le glacier de St Sorlin devrait disparaître avant 2100.

Cette étude a pour objectif la caractérisation du fonctionnement hydrologique d'une toposéquence sahélienne de l'ouest Nigérien. Des études antérieures menées en zone sahélienne ont montré que les caractéristiques de la surface du sol (type de croûte, microrelief, densité de végétation), réunies dans la notion d'état de surface. sont déterminantes dans les mécanismes de l'infiltration et du ruissellement dans cette région. On cherche à quantifier les mécanismes de redistribution horizontale de l'eau de pluie (partition infiltration/ruissellement et transfert de l'eau en surface) à l'échelle de la toposéquence, sous l'influence de la répartition spatiale des états de surface. Les données expérimentales issues de parcelles de ruissellement (100 m²), représentatives d'un type d'état de surface, montrent que l'infiltration est faible sur les zones à encroûtement permanent (sol nu de plateau, jachère) ; le ruissellement y représente 50 et 25 %, respectivement, de la pluie annuelle. Sur les surfaces cultivées, la destruction des croûtes par le sarclage et leur reconstitution ultérieure induisent une forte variabilité temporelle de l'infiltration, et le ruissellement est estimé à moins de 12 % de la pluie. A l'échelle de la toposéquence, on montre que l'infiltration est limitée aux premiers mètres du sol, excepté dans les zones d'accumulation d'eau (végétation de plateau, zone d'épandage des crues, ravine) dans lesquelles la lame infiltrée peut dépasser 2 à 3 fois la pluie annuelle. Le stockage d'eau dans le sol est nul d'une saison à l'autre sur l'ensemble des sites étudiés et seules les zones d'accumulation d'eau sont susceptibles d'alimenter le drainage profond en direction de l'aquifère. Pour compléter les résultats expérimentaux et quantifier les transferts d'eau en saison des pluies à l'échelle de la toposéquence, le modèle hydrologique SWATCH (distribué, à bases physiques) a été modifié pour simuler l'infiltration par une approche bi-couche des transferts (croûte/sol sous-jacent). Le modèle est tout d'abord calé à l'échelle de la parcelle, supposée représentative des processus de versants. Les paramètres du modèle définis sur les parcelles (i.e. pour chaque état de surface) sont ensuite affectés aux unités à état de surface homogène définies sur les bassins par cartographie. Cette représentation simplifiée du milieu permet une reconstitution satisfaisante des crues observées à l'exutoire des bassins après calage des paramètres du transfert en chenal. La lame infiltrée en profondeur sous le plus grand des bassins (0,9 km²) en fin de saison des pluies est évaluée par modélisation à 12 % de la pluie, mais une partie de cette eau, non quantifiée, s'évapore en saison sèche et l'on estime que la fraction qui draine vers l'aquifère est faible. La contribution de ce type de toposéquence à la recharge annuelle de la nappe semble donc marginale par rapport à celle des mares, étudiée par ailleurs.

D'un point de vu général, l'épuisement prévisible des énergies fossiles, la nécessité de lutter contre le réchauffement climatique, la prise de conscience pour la sauvegarde de l'environnement et enfin la prise en compte du développement durable dans les politiques énergétiques ont mis les énergies renouvelables au cœur d'un enjeu stratégique pour l'avenir de notre planète. Mais pour la République de Djibouti qui connaît actuellement une croissance économique annuelle de 3,5%, il est presque vital d'exploiter son potentiel en matière d'énergies renouvelables pour assurer sa croissance économique, réaliser des économies de devises et atteindre dans un premier temps les objectifs de développement humain du Millénaire dont le calendrier est fixé à 2015. Malheureusement, le pays connaît la même situation énergétique des pays d'Afrique subsaharienne où l'énergie est abondante mais l'électricité est rare ! En effet, la balance énergétique actuelle du pays est fortement déficitaire. Les 97% des besoins énergétiques de la population (majoritairement urbaine à plus de 85%) sont satisfaits par les importations des produits pétroliers et 90% des ménages Djiboutiens utilisent le kérosène comme combustible domestique. Le taux de couverture du réseau électrique est très bas, de l'ordre de 30%. Seulement 0,2 % de la production électrique (avec une capacité totale installée de 130 MW) est faite à partir d'une unique source d'énergie renouvelable (l'énergie solaire photovoltaïque). Et pourtant, le pays dispose d'un important potentiel en énergies renouvelables. Au niveau de l'énergie solaire photovoltaïque (PV), le potentiel solaire techniquement exploitable est évalué à 1535 GWh/jour. Au niveau de l'énergie éolienne, l'estimation du potentiel actuellement exploitable est de 8 MW et pourtant aucune forme d'énergie éolienne (que ce soit le grand ou le petit éolien) n'est exploitée dans le pays. Au niveau de l'énergie géothermique, le potentiel techniquement exploitable est actuellement estimé entre 350 et 650 MWe. Le potentiel économiquement exploitable pour la seule région d'Assal-Ghoubbet est supérieur à 150 MWe, très largement supérieur aux besoins actuels du pays. Au niveau de l'énergie marémotrice, un potentiel non encore évalué existe et pourrait être exploité au niveau de la passe du Goubbet. La planification énergétique que nous proposons pour le moyen long-terme se base sur l'intégration de l'une des énergies renouvelables potentielles et plus particulièrement la plus noble d'entre-elles : la géothermie. En effet, la géothermie possède des atouts que les autres formes d'énergies renouvelables n'ont pas : elle est une énergie de base, indépendante du climat, susceptible d'être exploitée à la fois pour la production de la chaleur et la production électrique. Le schéma électrique que nous proposons est le suivant : A l'horizon 2015, nous estimons que la demande électrique se situera aux alentours de 165 MW. De ce fait, nous préconisons 74,5% d'énergies fossiles (avec une option substituable en période chaude par l'électricité importée depuis l'Ethiopie à hauteur de 30,3%) et 25,5% d'énergies renouvelables (dont 18,2% de géothermie, 6,8% d'éolien et 0,5% de solaire)

Les pompes à chaleur disposant d'une source froide sur l'air extérieur sont moins performantes les jours de grand froid, là où les besoins de chauffage sont les plus élevés. Le déclenchement d'une énergie d'appoint d'origine électrique est souvent nécessaire pour couvrir l'ensemble des besoins de chauffage, ce qui réduit les performances globales de l'installation. De plus, des cycles de dégivrage sont nécessaires sur certaines plages de températures afin d'éliminer la formation de givre sur l'échangeur extérieur, contribuant à réduire les performances du système. Ces comportements ont des conséquences sur la gestion de l'électricité, où les pics de demande coïncident généralement avec les températures extérieures les plus froides. Ces constats sont le point de départ d'une réflexion visant à améliorer les performances des pompes à chaleur et à contribuer à la limitation des pointes de demande en électricité, en couplant la source froide de la pompe à chaleur avec des sources d'air tempérées intégrées au bâtiment. Certains dispositifs intégrés aux maisons individuelles peuvent contribuer à augmenter la température de la source froide des pompes à chaleur, comme par exemple un comble perdu ou une véranda, ou encore un vide sanitaire ou un échangeur air-sol. D'autres sources peuvent également être envisagées comme l'air vicié d'un système de ventilation, ou des capteurs solaires hybrides à air. L'utilisation de ces sources peut permettre à la pompe à chaleur de fonctionner à des températures plus favorables, permettant de réduire sa consommation, d'améliorer ses performances saisonnières, et de fournir une chaleur à plus haute température mieux adaptée aux besoins plus élevés des bâtiments existants. Une approche globale par modélisation est utilisée dans le cadre de cette thèse afin d'apporter des éléments de réponse aux possibilités de récupération de chaleur par voie thermodynamique. Ce rapport présente en détail l'ensemble des modèles utilisés, concernant les sources utilisables et les pompes à chaleur. Différentes configurations de couplage sont ensuite étudiées sur une maison type, et pour différents climats.

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L'entité formée par les villes de La Paz et El Alto est l'agglomération urbaine la plus importante de la Bolivie. Comme dans toutes les grandes villes, la gestion des ressources en eau représente un défi de taille à relever. Les décisions stratégiques concernant la gestion de l’eau revêtent une importance capitale du fait de l’importance de ces deux villes sur le plan national. De telles décisions doivent être prises en tenant compte d’interactions complexes entre facteurs environnementaux, légaux et sociétaux. Citons notamment, les conditions particulières du milieu telles que la géographie, la dynamique des ressources en eau, l'infrastructure existante et à prévoir, les lois sur la propriété des ressources et surtout l’état des connaissances actuelles et de la recherche sur l'ensemble des variables et des enjeux de la gestion de l’eau. Dans cette thèse, nous présentons une analyse des variables et des enjeux de la gestion de l'eau comme un outil utile pour déterminer les bases de l’application de la GIRE (Gestion Intégrée des Ressources en Eau). Cette analyse nous permet à la fois de diminuer les incertitudes qui existent sur chacune de ces variables mais aussi d’établir les relations de dépendance entre elles et de conclure à l’importance relative de chacune de ces variables dans le bilan de l’offre et de la demande en eau. Cette analyse représente également un outil de diagnostic des systèmes en eau existants pouvant être utilisé pour la planification future de la gestion de l’eau. En suivant cette démarche, les décisions à prendre sur la gestion de l’eau tant dans le cadre de la planification stratégique que dans celui de l’utilisation quotidienne de l’eau se baseront sur des connaissances approfondies, permettant de diminuer les risques d’erreur. Nous présentons comme résultats de cette recherche, plusieurs conclusions concernant les variables telles que les précipitations, la dynamique de l’apport du bassin versant, le rôle des glaciers dans cet apport, la démographie, la consommation en eau, les pertes dans les systèmes ainsi que l’analyse réalisée sur les contraintes qui pèsent sur les futures sources en eau des villes de La Paz et d’El Alto. La prise en compte de l’ensemble de ces aspects dans le cadre du bilan de l’offre et de la demande en eau nous apporte comme résultats : l’influence relative de chaque variable, l’analyse et les moments clés de la gestion de l'eau (temps de la gestion) et une proposition pour sa mise en oeuvre. Par l’application des modèles utilisés et des nouvelles méthodes suggérées dans ce travail, nous proposons de nouveaux outils pour la gestion quotidienne de l’eau.