Ce travail de recherche vise à caractériser les propriétés hydrodynamiques des sols des Cévennes, une zone de moyenne montagne du sud de la France connue pour être sujette à des crues à cinétique rapide, appelées « crues éclair ». Il s'agit donc de déterminer les paramètres relatifs à la conductivité hydraulique et à la rétention en eau du modèle de Mualem-van Genuchten, leur variabilité spatiale à l'échelle du versant ou du petit bassin, et les facteurs qui expliquent cette variabilité spatiale. Il s'agit également d'évaluer la perméabilité du sous-sol constitué d'une roche plus ou moins altérée, et d'en déduire des informations sur les processus de saturation des sols pouvant être à l'origine de ruissellement.Les propriétés hydrodynamiques des sols et du sous-sol ont été estimées par modélisation inverse de la teneur en eau sols, à partir d'une station pilote sur le site de Sumène et d'un réseau de 50 stations de mesure répartis sur 4 versants granitiques (site de Valescure) et 2 versants schisteux (site de Tourgueille). La station pilote comprend 3 sondes de mesure installées à 20, 40, 60 cm de profondeur, et les stations installées sur les versants comprennent chacune 2 sondes de mesure installées à des profondeurs variables allant de 15 à 45 cm. Les teneurs en eau du sol ainsi que les précipitations ont été mesurées en continu au pas de temps 15 min sur les différents sites. La procédure de modélisation inverse est basée sur l'algorithme génétique multi-objectif NSGA-II. Cette procédure a été appliquée pour chaque station, en considérant que le sol d'épaisseur variable constitué de la superposition de 2 horizons, surmontant un troisième horizon figurant la roche altérée sous-jacente. Au total, quinze paramètres doivent être calibrés pour chaque station, et sont estimés à partir de périodes sélectionnées correspondant aux épisodes de pluie les plus importants. Les processus d'évapotranspiration ont été considérés comme négligeables au cours de ces épisodes. L'analyse des propriétés de rétention et de conductivité obtenues a mis en évidence la très forte conductivité hydraulique des sols étudiés, de l'ordre de 1000 à 2000 mm/h, et leur faible rétention en eau. Les teneurs en eau à saturation estimées s'échelonnent de 0.30 à 0.60 cm3.cm-3, traduisant une grande hétérogénéité locale. On retrouve cette forte variabilité pour l'estimation des profondeurs de sol qui varient de 31 à 120 cm. Pour l'horizon représentant le sous-sol, les perméabilités sont très contrastées, avec des valeurs de conductivités hydrauliques variant de quelques unités à plus d'une centaine de mm/h. Les stations présentant les sols les moins profondes et des sous-sols moins perméables génèrent des zones saturées qui se développent à la base du profil de sol, comme ça a été observé et simulé lors des épisodes pluvieux les plus intenses. Si les propriétés des sols apparaissent très variables d'une station à une autre et d'un versant à un autre, les résultats n'ont pas montré d'organisation particulière de cette variabilité spatiale. La position de la station sur le versant n'apparaît pas être déterminante pour les porosités, les profondeurs, les perméabilités et les rétentions en eau des sols ; les distributions de ces propriétés, calculées à l'échelle des différents versants, ne semblent pas reliées aux grands traits du paysage : géologie, orientation, végétation. / This research work aims to characterize soil hydrodynamic properties of the Cévennes area, a low mountain region known to be prone to flash floods. We thus chose to estimate hydraulic conductivity and water retention properties of the Mualem –van Genuchten model and their spatial variability at the hillslope scale and between multiple hillslope profiles. The objectives are also to evaluate the weathered bedrock permeability, and consequently to enhance our understanding of the soil saturation processes.The soil and bedrock hydrodynamic properties were estimated by inverse modelling of soil moisture from a pilot station and a network of 50 stations distributed on 4 granitic hillslope and 2 schist hillslope. The pilot station was instrumented with 3 soil moisture sensors located at 20, 40 and 60 cm deep whereas the hillslope stations were instrumented with 2 soil moisture sensors located variably from 15 to 45 cm deep. Both soil moisture and precipitation were recorded with a 15 min time step for every station. The inverse modelling procedure is based on the multi-objective genetic algorithm NSGA-II. This procedure was used for every station considering a variably deep soil composed by 2 layers surmounting a 100 cm deep third layer representing the weathered bedrock. Fifteen parameters were calibrated for every station, and were estimated from small selected rainfall periods of 1 to 15 days corresponding to the major rainfall events during the monitoring period. Evapotranspiration has been considered as negligible during those events. The analysis of those retention and conductivity properties shows a very important hydraulic conductivity for the studied soils, ranging from 1000 to 2000 mm/h, and their low retention capacity. The soil saturated water content varies from 0.30 to 0.60 cm3.cm-3, which is a consequence of the important soil heterogeneity at the hillslope scale. We also find that heterogeneity on the estimation of soil depth which varies from 31 to 120 cm. For the weathered bedrock layer, we also found contrasted permeability varying from a few units to a hundred of mm/h. Stations with the shallowest soils and the less permeable bedrock presenting a saturation process at the soil/bedrock contact, as monitored and simulated during the most intense rainfalls. If the estimated soil hydrodynamic properties exhibit important variations at the hillslope scale from a station to another, results showed no specific spatial organization of this variability. The station's position on the hillslope is not decisive to estimate saturated soil moisture, soil depth, soil permeability or water retention capacity. The distribution of those properties, calculated for the 6 studied hillslope is not either correlated to the landscape general characteristic: geology, orientation, land cover.

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger les Recherches présente de manière synthétique les recherches effectuées sur la modélisation par apprentissage statistique de systèmes naturels ou en interaction avec un environnement naturel. La spécificité de l'apprentissage est tout d'abord discutée en relation avec le calage et permet d'introduire les notions d'identification universelle et de dilemme biais-variance qui sont ensuite approfondies dans le mémoire. Ces notions sont illustrées en relation avec la problématique de la synthèse d'un modèle de simulation ou de prédiction. Plusieurs illustrations sont présentées comme l'apprentissage de comportement d'un robot hexapode, la synthèse du contrôleur d'un préhenseur pneumatique et la modélisation d'hydrosystèmes tels les karsts ou les bassins versants rapides. Ces derniers, emblématiques des défis que la science doit permettre d'aborder, ont en commun la disponibilité de bases de données observées depuis plusieurs décennies, la non-linéarité des processus impliqués dans ces phénomènes, la difficulté à mesurer les variables d'état et la présence d'un bruit de mesure considérable. Face à ces difficultés, ce mémoire présente comment les méthodes de régularisation ont été revisitées et propose une démarche originale de modélisation semi physique, les boîtes transparentes, qui permet de valider physiquement le modèle tout en approfondissant la connaissance des phénomènes étudiés.

L'objectif de la thèse est d'améliorer la compréhension des processus hydrologiques lors des événements de crues éclair. Se basant sur un modèle existant (MARINE), l'étude se concentre sur les processus internes au sol. Une étape préliminaire permet, à partir de l'analyse des données, de confirmer l'activité du socle rocheux durant les crues éclair. Une analyse structurelle de MARINE est réalisée, afin de connaître la sensibilité des flux de subsurface aux choix structurels. Une nouvelle modélisation, plus robuste et intégrant explicitement une représentation des roches altérées, est mise en place. Supposant des chemins préférentiels à l'interface sol/roche, le modèle donne une bonne reproduction des bassins sédimentaires. Sur les bassins granitiques, il sous-estime les récessions et, en conséquence, les éventuels seconds pics de crue, montrant la nécessité de représenter des flux significatifs sur ces bassins, y compris dans la zone altérée. / The purpose of this thesis is to improve the knowledge of hydrological processes during flash flood events using rainfall-runoff modelling. The project focuses on hydrological processes occurring into soil and subsoil horizons. A preliminary data analysis corroborates the activity of the weathered bedrock during flash floods. The hydrological response, simulated by the MARINE model, is then investigated to detect the sensitivity of subsurface flow processes to model assumptions. It leads to several modifications of the model structure in order to make it more robust. Moreover a two-layered soil column is implemented to explicitly integrate the activity of the weathered bedrock into the model. Assuming preferential path flows at the soil-bedrock interface, the model performs well on sedimentary watersheds, but underestimate recession curves and second flood peaks on granitic ones, showing the need to simulate as well significantcontribution from the weathered bedrock.