Texte remanié de: Thèse de doctorat--Géographie--Paris 10, 2003. Titre de soutenance : Impacts environnementaux et enjeux territoriaux des transferts d'eau inter bassins en Afrique du Sud. / Bibliogr. p. 265-290.

Dans le contexte d'un environnement soumis à des pressions humaines de plus en plus importantes, l'évaluation de la qualité écologique des milieux naturels est devenue un enjeu scientifique, politique et sociétal majeur. Au début des années 2000, les méthodes de bio-évaluation existantes se sont révélées insuffisantes au regard des exigences affichées par la Directive Européenne Cadre sur l'Eau de maintenir ou recouvrer le bon état écologique pour les masses d'eau continentales. En parallèle de cette prise de conscience politique de la nécessité d'une amélioration des méthodes de bio-évaluation, un certain nombre d'auteurs ont plaidé pour une prise en compte explicite des caractéristiques biologiques et écologiques des espèces (i.e. leurs « traits ») de façon à mieux comprendre les processus de mise-en-place et d'organisation des communautés en relation avec les caractéristiques de leur habitat. Le but principal de ce travail de thèse a été d'étudier comment les approches « traits », à plusieurs échelles d'organisation biologique, peuvent permettre d'améliorer la bio-évaluation des cours d'eau Français. Pour cela, nous avons étudié dans un premier temps l'application sur les communautés benthiques de l'approche « traits bio-écologiques potentiels » pour l'évaluation (i) de la qualité écologique, (ii) des risques d'altération et (iii) du degré d'homogénéisation fonctionnelle des cours d'eaux. Ensuite, nous avons exploré le potentiel de nouveaux traits (i.e. isotopiques, stoechiométriques et protéomiques) pour la caractérisation des réponses biologiques des invertébrés benthiques soumis à des pressions anthropiques 'simples' (i.e. acidification et contamination organique). Nos résultats ont démontré que les traits bio-écologiques potentiels permettaient d'améliorer de manière significative l'évaluation du statut écologique des cours d'eaux et des pressions anthropiques qu'ils subissent, à large échelle spatiale (e.g. sur les réseaux nationaux de suivi de la qualité de l'eau). Les analyses isotopique et stoechiométrique ont permis également, sur des problématiques plus locales, de relier des informations sur des traits biologiques (régime alimentaire et développement) aux transferts de nutriments et de matière organique réalisés par les communautés benthiques au sein des systèmes lotiques. Enfin, l'analyse protéomique réalisée le long d'un gradient d'acidification ouvre des perspectives intéressantes pour la mise en place d'un « système expert » précoce des effets d'une détérioration de la qualité de l'eau sur les invertébrés benthiques / In a global change context, ecosystems are subjected to more and more severe human pressures. In this context, optimizing the biomonitoring of natural ecosystems has become a major scientific, political and societal issue. In the early 2000th, most of the freshwater bioassessment methods did not succeed in fulfilling the requirements of the European Water Framework Directive, for efficiently evaluating the ecological status of rivers with the main objective to maintain or to reach the good ecological status for all the water bodies. In the same time, a major advance in community ecology was the explicit consideration of the biological and ecological attributes of species (i.e. their ?traits?) to better explain the role of habitat characteristics in community assembly. The main goal of this PhD work was to establish how trait-based approaches, at different biological scales, could enhance the bioassessment of French streams. We have first focused on the utilization of potential bio-ecological traits of macrobenthic communities for (i) evaluating the ecological quality of rivers, (ii) assessing the risk of significant alteration of benthic assemblages by specific pressure categories and (iii) appraising the human pressure-drived functional homogenization process in benthic communities. We examined the potential of new traits (derived from stable isotopy, stoichiometry and proteomics) for depicting the benthic invertebrate responses to 'simple' anthropogenic pressures (i.e. acidification and organic contamination). We have demonstrated that using potential bio-ecological traits efficiently enhances the ecological monitoring of wadeable rivers, at large spatial scale (e.g. on National survey networks). The stable isotope and stoichiometry analyses, when applied at reach scale, have allowed to link biological traits (i.e. diet and development) to ecological functions provided by macrobenthic communities, such as nutriment and organic matter flows in rivers. Finally, the proteomic analysis, performed along an acidification gradient, has brought out very interesting perspectives for the development of an integrative ?expert system? that early detects the biological effects of water quality alteration on benthic invertebrate assemblages

De nombreux écosystèmes forestiers subissent les effets de l'acidification d'origine anthropique, à travers ses effets délétères sur la biodiversité et le fonctionnement de ces écosystèmes. Pour contrer ces effets, des amendements calco-magnésiens peuvent être utilisés pour améliorer les caractéristiques physico-chimiques des sols et des cours d'eau afin de restaurer l'état sanitaire des forêts et le fonctionnement des cours d'eau. En particulier, il a été démontré que les amendements, pouvaient permettre la reprise de la décomposition des litières, qui est un processus clé dans le fonctionnement des cours d'eau forestiers. Dans ce contexte, le premier objectif de cette étude était d'étudier si les amendements calco-magnésiens, à travers leurs effets sur les caractéristiques des sols, pouvaient induire des changements au sein des communautés microbiennes des sols. Le deuxième objectif était d'identifier quels facteurs pouvaient être responsables, à l'échelle microbienne, du ralentissement de la décomposition des litières dans les cours d'eau acidifiés. Les résultats ont montré que des amendements raisonnés et à grande échelle pouvaient avoir un effet durable sur les communautés bactériennes des sols. Les principaux changements taxonomiques ont notamment révélé que le ratio entre Proteobacteria et Acidobacteria était supérieur dans les sols amendés par rapport à leurs témoins, confirmant que ce ratio pouvait être un indicateur de l'amélioration de la qualité des sols. Les résultats obtenus dans la seconde partie de ce travail ont révélé que la diversité d'espèces sporulantes d'hyphomycètes aquatiques était fortement altérée dans les cours d'eau acidifiés, alors que la diversité fongique, analysée par méthodes moléculaires n'était pas affectée. Ces dernières ont révélé une plus faible proportion d'hyphomycètes aquatiques et une plus importante proportion de champignons d'origine terrestre sur les feuilles exposées dans un cours d'eau impacté. L'analyse des activités microbiennes a permis de mettre en évidence que l'aluminium était un facteur pouvant entrainer la diminution de la décomposition des feuilles, ce métal induisant notamment une limitation en phosphore pour les micro-organismes décomposeurs. Ces effets pourraient en retour avoir des répercussions sur les niveaux trophiques supérieurs et sur tout le fonctionnement de l'écosystème / Many terrestrial and freshwater forested ecosystems are affected by anthropogenic acidification, which can led to deleterious effects on biodiversity and ecosystem functioning. To counteract acidification, liming can be used to improve soil and water physicochemical characteristics in order to restore tree health and headwater stream functioning. In particular, liming has been shown to enhance leaf litter breakdown, which is a key ecosystem process in headwater streams. In this context, the aims of this study were, first to investigate if liming, through its effects on soil chemical characteristics, could induce changes on soil microbial communities, and second to identify what factors could be responsible, at the microbial level, of reduced leaf litter breakdown in acidified headwater streams. Results showed that moderate large-scale liming can induce sustainable changes in soil bacterial communities. Major taxonomic changes revealed notably that the ratio between Proteobacteria and Acidobacteria was higher in limed soils compared to their control counterparts, confirming that this ratio could be a microbial indicator of soil quality improvement. Results obtained in the second part of this work showed that sporulating aquatic hyphomycete diversity on leaves was strongly impaired in acidified streams, whereas fungal diversity investigated by molecular analyses was not depressed. The latter showed a lower proportion of aquatic hyphomycetes and a higher proportion of terrestrial fungi on leaves when exposed in an acidified stream compared to a circumneutral one. Microbial activity analyses bring out that Al may be an important factor that could reduce microbial leaf litter processing, this metal inducing notably a P limitation for microbial decomposers. These effects may in turn have repercussions on higher trophic levels and whole ecosystem functioning

A l'approche des échéances fixées par la Directive Cadre européenne sur l'Eau (DCE 2000), les actions de restauration se sont multipliées sur les cours d'eaux européens. Cependant, peu d'études ont été menées en parallèle pour évaluer les bénéfices apportés par de telles opérations aux biocénoses. En outre, bien que l'évaluation de la qualité écologique des cours d'eau soit de plus en plus alimentée par des approches fonctionnelles (dont l'utilisation des traits biologiques des invertébrés benthiques est un axe majeur), les retours d'expériences des opérations de restauration sont majoritairement basés sur les réponses taxonomiques des communautés aquatiques. Les objectifs de ce travail de thèse sont (i) de caractériser et de comparer les réponses spécifiques des communautés macrobenthiques à différentes actions de restauration physico-chimique et hydromorphologique et (ii) d'évaluer la pertinence de différentes approches basées, soit sur la taxonomie, soit sur les traits biologiques, dans le diagnostic de récupération des communautés d'invertébrés benthiques. Pour répondre à ces objectifs, deux sites d'un même cours d'eau méditerranéen, le Vistre (Gard), ont été étudiés. Le premier a fait l'objet de travaux de restauration hydromorphologique en 2004 et les réponses des assemblages d'invertébrés ont été étudiées simultanément sur six stations restaurées et trois stations non restaurées (canalisées) de 2008 à 2010. Sur le deuxième site, situé 5 km en aval, nous avons suivi la dynamique de récupération des communautés benthiques suite à une levée de pression physico-chimique (réduction des apports en azote et phosphore) imputable à l'arrêt du rejet d'une ancienne station d'épuration (STEP) et la mise en service d'une nouvelle STEP plus performante, 1 km en aval. Il a été montré que les indices basés sur des critères taxonomiques réagissent rapidement à la réduction des apports en nutriments mais ne traduisent pas une reprise complète du fonctionnement des communautés d'invertébrés. Au contraire les métriques basées sur les traits biologiques des invertébrés mettent en évidence une récupération biotique plus progressive qui n'atteint toutefois pas les valeurs attendues dans des conditions dites « de référence ». L'évaluation de la récupération des communautés d'invertébrés basée sur les profils de traits biologiques affiche également une meilleure corrélation avec les caractéristiques hydromorphologiques des stations en fonctions des travaux de restauration qu'elles ont, ou non, subis. L'utilisation des traits biologiques permet en outre de fournir des explications mécanistes aux processus de récupération des communautés d'invertébrés. Dans un contexte de pressions multiples, les réponses des communautés d'invertébrés ont souligné la nécessité d'agir à la fois sur la qualité physico-chimique de l'eau et le fonctionnement hydromorphologique du cours d'eau pour améliorer la qualité globale du système et permettre une récupération optimale des communautés. Les enseignements tirés de l'étude du Vistre ont été examinés afin de (i) dégager des implications concrètes pour le développement d'un outil d'évaluation du gain écologique par des opérations de restauration et (ii) soumettre des éléments d'aide à la décision dans le choix des actions de restauration à mener, et l'optimisation de leur suivi / The implementation of the European Water Framework Directive (WFD, 2000) has promoted the rapid development of many stream restoration programmes. However, very few studies have tried to improve the understanding of how anthropogenic pressure mitigation efforts contribute to the ecological recovery of streams. Moreover, available feedbacks have mainly focused on the taxonomic responses of aquatic communities. Nowadays, the assessment of stream ecological quality is increasingly driven by functional approaches, including the use of biological traits of benthic invertebrates. The main goal of my PhD work has been to characterize the specific responses of benthic macroinvertebrate communities to different restoration actions implemented to reduce nutrient inputs or to improve stream hydromorphological conditions, and to compare such actions using different approaches (taxonomic and functional). Two sections of the Vistre River (south France) were studied. On a 3 km-long river section, we have surveyed the invertebrate assemblage recovery during a four year period including the commissioning of a new Waste Water Treatment Plan (WWTP) equipped with biological treatment capable of significantly reducing N, P, and C inputs in the River. Five kilometres upstream, a 2 km-long reach was morphologically restored, including remaindering work, riparian vegetation planting and pebble input. Invertebrate assemblages were assessed simultaneously on six restored sites and three canalized, non-restored sites during three years. Our results have shown that among the metrics that reflect community recovery to nutrient input reduction, those based on taxonomic criteria respond faster than trait-based ones, but do not imply a complete recovery of invertebrate community functioning. Community recovery assessment based on biological traits has demonstrated also a better correlation with site hydromorphological characteristics which varied with restoration works. Moreover, trait-based approach allows a better explanation of the functional mechanisms that occur in benthic assemblages after chemical water quality or hydromorphological characteristic improvement. In a multi-stressor context, invertebrate community responses to different restoration actions have underlined the need for acting on both water chemical quality and hydromorphological environment to improve global stream quality and to allow convenient biological community recovery. Lessons from the Vistre River study have been examined to (i) identify practical implications for the development of an assessment tool for evaluating the ecological gain provided by restoration actions, and (ii) give elements to help managers in optimizing the definition and monitoring of restoration actions

L’objectif de la thèse est, tout d’abord, d’identifier et caractériser la trajectoire spatio-temporelle d’un petit cours d’eau périurbain de faible énergie, à travers l’exemple francilien de la Mérantaise (Essonne-Yvelines). Ces objets d’étude sont, en effet, trop souvent négligés par la communauté scientifique alors même que les enjeux environnementaux de restauration et de préservation écologique, préconisés depuis plusieurs décennies par la DCE, y sont importants (impacts de l’urbanisation et des aménagements anciens). Une approche croisée géohistorique et hydromorphologique a permis de reconstituerl’évolution passée et actuelle de la rivière : la vallée a été fortement aménagée depuis le Moyen-Âge par des équipements hydrauliques modestes mais ayant affecté plus de 80% du linéaire. Les moulins à eau ont été abandonnés au cours du 20ème siècle, libérant partiellement le chenal. Désormais, la trajectoire actuelle, marquée par des ajustements morphologiques significatifs récents, est moins commandée par les aménagements anciens que par les pressions anthropiques actuelles qui touchent le bassin versant(urbanisation, réseau de transports et de drainage, intensification de l’agriculture). Enfin, cette thèse est également l’occasion de s’interroger sur le caractère écologiquement pertinent et hydromorphologiquement durable des travaux de restauration des milieux aquatiques. Ce travail doctoral propose, par ailleurs, de considérer les opérations de restauration comme de nouveaux équipements de la rivière répondant à des besoins socio-politiques nouveaux et participants pleinement de la trajectoire fonctionnelle de la rivière. / The objective of this research is, first of all, to identify and characterize the spatio-temporal trajectory of a small low energy periurban river, through the example of the Merantaise River located in the Seine Basin. These objects of investigation are too often neglected by the scientific community even though the environmental issues of ecological restoration politics, advocated for several decades by the WFD, are important (impacts of urbanization and ancient watermills). An interdisciplinary geohistorical and hydromorphological approach allowed to reconstruct the past and present evolution of the river: the valley has been heavily developed since the Middle-Ages by modest hydraulic equipment but has beenaffected on more than 80% of the channel. Water mills were abandoned during the 20th century, partially clearing the channel. Nowadays, the current trajectory is marked by recent significant morphological adjustments and is less controlled by old hydraulical structures than by current anthropogenic pressures affecting the watershed (urbanization, transport and drainage network, intensification of agriculture). Finally, this thesis is also an opportunity to question the ecologically relevant and hydromorphologically sustainable nature of ecological restoration. This doctoral work also proposes to consider restoration operations as new river facilities responding to new socio-political needs and fully participating of the river's functional trajectory.

Parmi les nombreux effets des événements d'inondations fluviales, les atteintes aux personnes, les dégradations de biens et les perturbations d'activités constituent des dommages que les politiques de gestion du risque d'inondation visent à réduire. Ces dommages résultent d'un aléa naturel modifié par action anthropique, des enjeux exposés et des ressources mises en œuvre face à l'événement. <br />La première partie de ce mémoire propose un cadre conceptuel pour l'estimation des dommages comme élément d'aide à la décision, notamment dans une perspective économique intégrant le risque et l'incertitude. <br />La deuxième partie considère l'échelle élémentaire de l'habitat, et se base sur des enquêtes réalisées sur différents sites auprès des ménages sinistrés. Après une analyse de l'occupation des zones inondables, on caractérise les composantes du facteur humain, et en particulier les réponses à l'annonce de crue et à la montée des eaux. Ces réponses et leurs effets sur les dommages sont étudiés par des techniques d'analyses de données, qui intègrent d'autres facteurs significatifs. <br />La troisième partie du mémoire traite de l'estimation des dommages sur une aire géographique, par des approches de modélisation. À partir d'une analyse conceptuelle de ces modélisations, est défini puis développé un modèle informatisé d'estimation des dommages sur un secteur inondable. Ce modèle local exploite, selon des procédures descriptives explicites, toutes informations et expertises existantes. Il est mis en œuvre sur 245 secteurs, à partir d'une base de données constituée sur les grandes vallées du bassin de la Loire. Une procédure de simulation permet de quantifier les incertitudes sur les estimations de coûts, en analysant les contributions des différentes sources d'incertitude. À échelle régionale, on analyse les effets des cohérences spatiales des crues et des sources d'incertitudes. <br />La quatrième partie conclut sur les méthodes développées et propose des perspectives ultérieures de recherches.

De nombreux travaux menés durant les quinze dernières années ont permis de montrer le potentiel de l'altimétrie satellitaire radar pour le suivi du niveau des eaux continentales (mers intérieures, lacs, zones d'inondations et grands

Etant donné que la gestion du bois est effectuée dans le cadre de l'entretien des cours d'eau, l'analyse de la motivation à intervenir sur le chenal et les berges des rivières se trouve au cœur de cette étude. La première partie montre combien le bois flottant est devenu un objet de dissension. Les discours défendus par les acteurs de la rivière varient selon leurs intérêts et leurs objectifs. En tant qu'objet social, le bois en rivière est géré au moyen de trois structures de sens collectif : les embâcles de bois comme risque pour les riverains, les usagers et les infrastructures riveraines ; les (macro)déchets flottants comme contrainte pour les activités productives ; les débris ligneux comme atout écologique. Ces différents arguments ont donné une structure bipolaire au schéma informatif qui est sous-jacent à l'attitude envers le bois en rivière. Toutefois, pour satisfaire les demandes sociales, les législateurs requièrent l'entretien des cours d'eau en tentant de concilier l'exigence sécuritaire et le désir de nature. Le discours juridique s'avère normatif, légitimant et performatif.<br />Dans la deuxième partie, une analyse diachronique souligne que les préoccupations liées au bois en rivière se sont considérablement renouvelées. Les communautés riveraines traditionnelles ont intensément transformé les milieux alluviaux, réduisant les stocks de bois en rivière, diminuant les entrées de bois dans l'hydrosystème et entravant la mobilité des débris ligneux. Constatant l'encombrement des rivières par de nombreux embarras, les autorités n'ont eu de cesse d'en libérer l'écoulement pour favoriser la navigation et le flottage et pour limiter les risques liés aux crues et débordements. L'analyse de la presse quotidienne régionale a également confirmé l'hypothèse selon laquelle la situation actuelle consiste en une phase d'instabilité transitionnelle, marquée notamment par un nombre accru d'embâcles.<br />La troisième partie révèle l'hétérogénéité des cognitions liées au bois en rivière et leur part variable d'un individu à l'autre. Une étude de perception et d'évaluation environnementale a été conduite dans le cadre du paradigme expérimental. Il existe un large consensus transculturel en termes d'évaluation des paysages fluviaux. La rivière idéale est accessible, propre et entretenue. Pour autant, les comparaisons internationales ont permis de relever des contrastes frappants. Les résultats mettent également en valeur le rôle que l'imaginaire collectif et l'éducation environnementale jouent lors de l'entretien, la réhabilitation et l'aménagement des cours d'eau.

Selon le Groupe International d'Experts sur le Climat (lPCC, 2007), les changements climatiques vont entraîner une intensification du cycle hydrologique à l'échelle globale et un accroissement des précipitations dans certaines régions du monde, notamment celles situées aux latitudes moyennes et élevées. Des changements survenant au niveau de la quantité de précipitation saisonnière ainsi qu'au niveau de l'intensité et de la fréquence des événements extrêmes ont un impact direct sur l'amplitude des écoulements fluviaux saisonniers et sur la période d'occurrence et la fréquence des inondations et des sécheresses. De tels changements auront des impacts significatifs sur les ressources hydriques régionales. Cette étude se concentre sur la validation et l'évaluation des changements projetés au niveau des écoulements fluviaux moyens et au niveau de la période d'occurrence et de la fréquence des écoulements extrêmes, i.e. les écoulements de fort débit (crue) et de faible débit (étiage), pour les bassins canadiens sélectionnés. Cela se fait en utilisant un ensemble de simulations du Modèle régional du climat canadien correspondant au climat actuel (1961-1990) et à un climat futur (2041-2070) basé sur le scénario SRES A2. La validation est effectuée en évaluant les erreurs de performance et celles dues au pilotage, causées respectivement par la dynamique interne et la physique du modèle et par les erreurs associées au pilotage du modèle à ses frontières. Les résultats suggèrent des erreurs de performance positives des écoulements annuels moyens pour les bassins sans régulation situés dans la partie ouest du Canada (toujours supérieur à 30% sauf pour le bassin de l'Athabasca ou la différence n'est que de 4%) en raison d'une surestimation de l'équivalent en eau de la neige (SWE). Les erreurs dues au pilotage sont, en général, plus petites que les erreurs de performance (le coefficient d'habileté S est inférieur à 85% pour 12 des 14 bassins dans le cas des erreurs de performance alors que ce n'est le cas que de 2 bassins pour les erreurs de pilotage) et présentent sauf pour les bassins situés plus au sud, un biais négatif (pouvant aller jusqu'à -25%) La validation des étiages suggère que le modèle a quelques difficultés pour reproduire l'amplitude observée et la période d'occurrence des étiages, tandis qu'au niveau des crues, le modèle reproduit raisonnablement la période d'occurrence, quoique avec quelques différences entre les amplitudes observées et modélisées. En général, les résultats suggèrent une augmentation de l'amplitude de l'écoulement hivernal et un pic de fonte de neige survenant plus tôt (une à deux semaines) pour les bassins situés plus au nord, de même que des changements significatifs quant aux caractéristiques des crues et des étiages. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Changement climatique, crue, étiage, modèle climatique régional, écoulement fluvial.

Les rejets de matières dangereuses dans l'environnement induisent souvent des pollutions accidentelles des cours d'eau qui s'étendent sur plusieurs kilomètres en aval de la source du rejet. Dans l'objectif de proposer un modèle qui prévoit l'étendue de la pollution, une maquette de cours d'eau est conçue spécifiquement en ce sens à partir d'une étude de similitude pour évaluer la dispersion de polluant en champ lointain et valider le modèle unidimensionnel adopté (Equation d'Advection-Dispersion). Les conclusions issues des études menées à petite et à grande échelle, nous ont amené à développer un modèle permettant de prédire les profils asymétriques dans la zone initiale du champ lointain. L'évaluation des performances du nouveau modèle, basé sur une Gaussienne Modifiée par une Exponentielle, montre une faible divergence des estimations par rapport aux observations. Lors de la validation à l'échelle réelle, les trois paramètres essentiels lors d'une gestion de crise (concentrations maximales, temps d'arrivée du pic et de la pollution) sont estimés respectivement avec un pourcentage d'erreur moyen de 51, 13 et 11 %, ce qui semble acceptable. Finalement, un modèle complet de dispersion est proposé pour évaluer l'étendue d'une dispersion accidentelle dans le champ lointain. Il est composé de l'EMG pour la zone initiale du champ lointain et de l'ADE pour le champ lointain établi. Le passage d'un modèle à une autre se fait à partir d'une distance comprise entre 12 et 50 fois la longueur de mélange. En conclusion, le modèle proposé est adapté à la gestion d'une situation d'urgence par la simplicité de son utilisation et le faible nombre de variables d'entrée nécessaires aux simulations.