Selon la Directive Cadre européenne sur l’Eau (DCE), le bon état écologique de tous les milieux aquatiques devra être atteint d’ici 2015. Cet état s’évalue en grande partie au moyen de paramètres biologiques, eux-mêmes régis par les conditions physico-chimiques et hydromorphologiques des masses d’eau. Pour atteindre les objectifs de la DCE, l’évaluation de l’état physique du réseau hydrographique apparaît comme une phase essentielle alors que cette question relève encore pour certains aspects de la recherche fondamentale. La mise en oeuvre de cette étape à l’échelle du bassin du Rhône entraîne un certain nombre de questions scientifiques auxquelles il est nécessaire de répondre avant d’envisager toute application. En effet, les connaissances dans les domaines de la géomorphologie ou de l’hydrologie sont aujourd’hui suffisantes à l’échelle locale pour envisager de régionaliser ce type d’informations. Cependant le changement d’échelle est à l’origine de contraintes méthodologiques importantes liées notamment à la très grande hétérogénéité des milieux à caractériser.L'objectif de cette thèse est donc double. D’une part, il s’agit de mettre en place des outils géomatiques permettant d’obtenir une vision globale et homogène des caractéristiques physiques du réseau hydrographique. Pour cela, nous proposons (i) de développer une méthodologie d’extraction de l’information à partir de données vectorielles ou rasters, et (ii) de définir des indicateurs pertinents de caractérisation hydrogéomorphologique. D’autre part, ces outils et cette méthode ont été testés et appliqués sur le réseau hydrographique du Rhône afin d’évaluer leur efficacité et de proposer des éléments fiables de caractérisation des conditions physiques à large échelle. / According to the Water Framework Directive (WFD), the good ecological status of all aquatic environments should be achieved by 2015. This status is evaluated largely using biological parameters, which are controlled by the physico-chemical and hydromorphological conditions of water bodies. To achieve the objectives of the WFD, assessing the physical condition of the hydrographic network appears to be a prerequisite, yet this issue still requires research of a fundamental nature. This stage in the basin of the Rhône raises a number of scientific issues which it is necessary to answer before considering practical application. In fact, knowledge of geomorphology and hydrology is now sufficient at a local scale and we can envisage applying this information at a regional scale. However, the change of scale results in important methodological constraints linked in particular to the great heterogeneity of environments.This thesis has two objectives. The first one is to implement geomatic tools to obtain an overall and homogeneous characterisation of the physical network. We propose to develop a methodology to extract information. Second, these tools and methodology will be tested and applied to the Rhône River system to evaluate their effectiveness and to provide reliable evidence for the characterization of large-scale physical conditions.

Selon la Directive Cadre européenne sur l'Eau (DCE), le bon état écologique de tous les milieux aquatiques devra être atteint d'ici 2015. Cet état s'évalue en grande partie au moyen de paramètres biologiques, eux-mêmes régis par les conditions physico-chimiques et hydromorphologiques des masses d'eau. Pour atteindre les objectifs de la DCE, l'évaluation de l'état physique du réseau hydrographique apparaît comme une phase essentielle alors que cette question relève encore pour certains aspects de la recherche fondamentale. La mise en oeuvre de cette étape à l'échelle du bassin du Rhône entraîne un certain nombre de questions scientifiques auxquelles il est nécessaire de répondre avant d'envisager toute application. En effet, les connaissances dans les domaines de la géomorphologie ou de l'hydrologie sont aujourd'hui suffisantes à l'échelle locale pour envisager de régionaliser ce type d'informations. Cependant le changement d'échelle est à l'origine de contraintes méthodologiques importantes liées notamment à la très grande hétérogénéité des milieux à caractériser.L'objectif de cette thèse est donc double. D'une part, il s'agit de mettre en place des outils géomatiques permettant d'obtenir une vision globale et homogène des caractéristiques physiques du réseau hydrographique. Pour cela, nous proposons (i) de développer une méthodologie d'extraction de l'information à partir de données vectorielles ou rasters, et (ii) de définir des indicateurs pertinents de caractérisation hydrogéomorphologique. D'autre part, ces outils et cette méthode ont été testés et appliqués sur le réseau hydrographique du Rhône afin d'évaluer leur efficacité et de proposer des éléments fiables de caractérisation des conditions physiques à large échelle.

La qualité des services écosystémiques qu'offrent les lacs est liée à la structure et au fonctionnement de leur écosystème. Protéger leur masse d'eau est devenu un objectif global qui requiert une meilleure compréhension de leur fonctionnement, un suivi et une évaluation de leur qualité. Expliquer les hétérogénéités spatio-temporelles des variables physico-chimiques et du phytoplancton est un problème récurrent rencontré en écologie et en hydrobiologie. Comprendre la dynamique de ces hétérogénéités est aussi un prérequis essentiel pour évaluer, protéger et restaurer objectivement les écosystèmes lacustres. En ce qui concerne la surveillance, les hétérogénéités spatio-temporelles introduisent des incertitudes sur la représentativité des mesures par rapport à l'entièreté de la masse d'eau qui est donc discutable et doit être vérifiée. En Europe, la directive cadre sur l'eau (DCE) initiée en 2000 définit un cadre pour la gestion et la protection des eaux. La classification des masses d'eau en fonction de leur état écologique est un point important dans l'implémentation de cette directive. Pour les lacs et les retenues, l'évaluation de cet état écologique est basée sur des paramètres biologiques, physico-chimiques et hydromorphologiques. Les indicateurs liés au phytoplancton et aux paramètres physico-chimiques sont calculés à partir de quatre prélèvements réalisés pendant la période d'activité biologique pour une année sur un plan de gestion de six ans. Dans ce contexte, la modélisation tridimensionnelle (3D) et la prise en compte des forçages qui conduisent aux hétérogénéités spatio-temporelles est une condition préalable nécessaire tant en limnologie appliquée que théorique. Cette thèse aborde la complexité du fonctionnement des lacs et la capacité des modèles 3D à reproduire leur fonctionnement. L'apport de la modélisation 3D est présenté i) pour la compréhension du fonctionnement de lacs de différentes tailles, ii) couplée aux observations satellitaires, pour l'étude de l'influence des forçages par le vent et de l'hydrodynamique sur l'abondance et la distribution spatiale de phytoplancton, iii) dans le cadre de la DCE, pour l'évaluation des incertitudes d'une évaluation de l'état écologique d'un plan d'eau. Pour cela, deux modèles 3D ont été créés et analysés, un pour le lac de Créteil (42~ha) et un autre pour le Léman (580~km$^2$). Celui du lac de Créteil a été validé à partir de données à hautes fréquences acquises en trois points du lac. Il reproduit correctement son hydrodynamique complexe, sa structure thermique, l'alternance entre les périodes de stratification et les épisodes de mélange, ainsi que les ondes internes. Le modèle du Léman a été validé en utilisant des données mensuelles et bimensuelles en deux stations de prélèvement du lac. Il reproduit aussi correctement son hydrodynamique et la variabilité saisonnière de paramètres physico-chimiques et biologiques. Les résultats des simulations mettent en avant les mécanismes physiques et hydrodynamiques responsables de l'apparition de sites où la biomasse de phytoplancton observée est plus élevée. Dans le cadre de la DCE, ces résultats montrent aussi une variabilité spatiale importante des sous-états écologiques basés sur les différents paramètres qui dépendent du choix des dates des campagnes de mesure et du point d'échantillonnage. Ces résultats ont aussi été utilisés pour estimer la représentativité d'une station de prélèvement. Les résultats de cette thèse i) confirment que le fonctionnement des plans d'eau de toute taille est complexe et que les processus physiques génèrent des hétérogénéités spatio-temporelles, ii) suggèrent que le vent et l'hydrodynamique influencent significativement l'abondance et la distribution spatiale du phytoplancton et que iii) ces hétérogénéités peuvent biaiser notre estimation du statut écologique des plans d'eau dans le cadre de la DCE / The quality of ecosystem services provided by lakes is related to the ecosystem structure and functioning. Protecting water bodies is therefore a global goal that requires a better understanding of their function, a monitoring and a water quality assessment. Explaining spatio-temporal heterogeneities of physico-chemical parameters and phytoplankton has been a recurrent ecological and hydrobiological issue. Understanding the dynamics of these heterogeneities is an essential prerequisite for objectively assessing, protecting and restoring freshwater ecosystems. Moreover, three-dimensional (3D) and taking into account and drivers of these heterogeneities are essential prerequisites for theoretical and applied limnology. Concerning the monitoring, spatio-temporal heterogeneities are responsible of uncertainties on the representativeness of the data versus the whole lake which might be questionable and needs to be verified. In Europe, the Water Framework Directive (WFD) initiated in 2000 defines a framework for managing and protecting water bodies in Europe. The classification of water bodies into ecological status is a key issue for the implementation of that framework. For lakes and reservoirs, the assessment of this status is based on biological, physico-chemical and hydro-morphological indicators. Physico-chemical and phytoplankton indicators are calculated based on four observations at an unique sampling station over the growing season, this evaluation being assessed one year for a six-year management plan. In this context, this thesis focuses on the complexity of lakes functioning and the capability of three-dimensional (3D) models to reproduce their functioning. The contribution of 3D models is presented i) for understanding the functioning of lakes of different sizes, ii) coupled to satellite observations, for studying of the influence of wind forcing and hydrodynamics on phytoplankton abundance and spatial heterogeneities, iii) in the context of the WFD, for assessing uncertainties in the lake ecological status assessment. To do that, two 3D models have been created and analyzed, one for Lake Créteil (42 ha) and another for Lake Geneva (580 km2). Lake Créteil 3D model was validated by using high frequency data recorded at three stations. It reproduces well the complex hydrodynamic functioning of the lake, its thermal structure, the alternation between thermal stratification episodes and mixing events, and internal waves. Lake Geneva 3D model was validated by using monthly and bimonthly data at two stations. It reproduces also properly the hydrodynamic functioning of the lake and the seasonal variability of biological and physico-chemical parameters. Simulation results highlight physical and hydrodynamic mechanisms responsible for the occurrence of seasonal hot-spots in phytoplankton abundance. In the context of the WFD, simulation results show also a strong spatial variability of lake ecological status depending on the timing of the four sampling dates as well as the location of the sampling station. These results were also used to assess to representativeness of sampling stations. The results of this thesis suggest that i) the functioning of lakes of different sizes is complex and physical processes generates spatio-temporal heterogeneities, ii) wind and hydrodynamics influence the abundance and the spatial distribution of phytoplankton et iii) spatio-temporal heterogeneities can bias our evaluation of lake ecological status in the WFD

L’ichtyofaune est encore peu utilisée en bioindication sur les plans d’eau, alors que la demande des gestionnaires est forte, notamment dans le contexte de la mise en œuvre de la Directive Cadre Européenne sur l’Eau. L’objectif de cette thèse est d’analyser la réponse de l’ichtyofaune à diverses pressions anthropiques, afin de définir des variables biologiques de bioindication et construire un indice rendant compte de l’état écologique des lacs naturels et des retenues français. Plusieurs questions sont successivement abordées.En première analyse, les possibilités de sélection de métriques répondant à des pressions s’exerçant sur le bassin versant sont explorées par une approche typologique. L’analyse consiste à effectuer des classifications des plans d’eau, puis à établir, au sein de chaque groupe homogène d’un point de vue environnemental, des régressions linéaires entre les métriques candidates et les pressions. Les résultats montrent la pertinence de l’ichtyofaune en bioindication sur ces milieux, mais mettent en exergue des limites à cette approche typologique. Ainsi, afin de tester la possibilité de construction d’un bioindicateur commun aux lacs naturels et aux retenues, une méthode alternative dite « site spécifique » a ensuite été développée. Une modélisation statistique a été appliquée pour contrôler l’effet de l’environnement naturel sur les communautés piscicoles lacustres. Cette analyse montre que les métriques piscicoles répondant aux pressions sont différentes entre les deux types de milieux. La dernière étape, explique le développement d’un indicateur, construit sur le principe de la mesure d’un écart à la référence, en se basant sur une approche de type statistique par hindcasting. Cette méthode encore peu utilisée permet de s’affranchir de la sélection de sites de référence en France en modélisant les conditions biologiques de référence, i.e., telles qu’elles seraient en l’absence de pression anthropique. Les caractéristiques des communautés piscicoles des sites non perturbés sont ensuite comparées à celles des sites plus ou moins impactés par des pressions anthropiques. Ont été considérées ici les pressions s’exerçant à l’échelle du bassin versant et localement sur les plans d’eau. Suivant ce protocole, un indice poisson lacustre issu de la combinaison de métriques répondant conjointement à des pressions anthropiques globales et locales est proposé pour les lacs naturels et pour les retenues.Les avancées de ce travail et les perspectives sont ensuite discutées au regard du contexte européen de la gestion des milieux aquatiques. / Fish communities remain underused in the domain of lentic ecosystem bioindication, even though water managers need such tools in the current context of the Water Directive Framework. The objective of this thesis was to analyse the fish communities’ response to various anthropogenic pressures, in order to define the candidate biological variables in bioindication and to develop an index to evaluate the ecological status of French natural lakes and reservoirs. Several questions are raised.First of all, the means available to select fish-based metrics responding to catchment-scale anthropogenic pressures are analysed using a typological approach. This analysis consists in classifying lentic ecosystems using classifications, and then, within each homogenous group of ecosystems identified based on environmental criteria, performing linear regressions between candidate fish-based metrics and anthropogenic pressures. The results clearly show that fish communities could be used as good bioindicators for the lentic ecosystems, but they also underline the limits of typological approaches.To test how a bioindicator shared by natural lakes and reservoirs could be developed, an alternative site-specific method was subsequently developed. Statistical modeling was applied to control the natural environmental effects on lentic fish communities. This analysis shows that fish-based metrics responding to catchment-scale anthropogenic pressures differ in the two types of lentic ecosystems.The last part reports the development of an index, based on the reference condition approach, using a hindcasting statistical approach. This method, still infrequently used, enables one to sidestep the problem related to the selection of reference sites in France. Furthermore, this method allows modeling biological reference conditions, i.e. conditions without anthropogenic pressures. Fish communities’ characteristics are then compared for both undisturbed sites and sites that are more or less impacted by anthropogenic pressures. Both catchment-scale and local anthropogenic pressures were considered in this analysis. Following this protocol, a lake fish-based index resulting from the combination of metrics that respond jointly to global and local anthropogenic pressures was developed for natural lakes and reservoirs. Finally, the advances made as a result of this research and its perspectives are discussed with regards to the European context of aquatic ecosystem management.