Ce travail de thèse vise à reconstituer les conditions paléo-environnementales ayant eu lieu dans la vallée de l’Oisans à partir des archives naturelles représentées par les sédiments lacustres. Par une approche multi-marqueurs, nous visons à reconstituer tout à la fois : i) les fluctuations glaciaires en Oisans; ii) les modifications des activités humaines en montagne et leurs influence sur les flux de matière lors d’événements extrêmes ; iii) comprendre la relation entre changements climatiques, changements d’usage et évolution des aléas en haute montagne. Cette étude a permis de mettre en évidence les changements globaux, regroupant la variabilité climatique et les pratiques humaines, ayant influencés l’érosion autour des lacs de La Muzelle et du lac du Lauvitel durant les derniers millénaires.Les résultats principaux ont montrés que l’érosion du lac de la Muzelle a été largement dominé par l’activité glaciaire notamment avec la présence à certaines époques de fines particules détritiques liées à l’abrasion sous glaciaire. Ces dernières ont révélées une relation aux pluies torrentielles encore jamais observées auparavant, leur présence en période d’extension glaciaire étant synonyme d’une augmentation du nombre de dépôts lacustres de crues. Les activités humaines, en majeure partie représentées par l’utilisation agro-pastorale de l’espace avoisinant les lacs, ne sont clairement identifiables que lors des 300 dernières années au lac de la Muzelle. Le lac de Lauvitel est situé à une altitude moindre, dont la majorité du bassin versant est maintenant une réserve intégrale. Les études palynologiques ont mis en évidence certaines périodes d’activités humaines plus marquées. Les événements extrêmes enregistrés dans les sédiments dulac regroupent d’une part les crues, dont l’enregistrement permet une comparaison régionale de l’occurrence de ces événements et de mettre en évidence les changements de circulations atmosphériques à l’échelle des Alpes. D’autre part, les avalanches de neige lourde, dont peu d’enregistrements sont disponibles dans la bibliographie. Nous les avons identifiés grâce à l’utilisation du CT scan l’élaboration d’une nouvelle méthodologie basée sur la différence de densité relative des sédiments. Le comptage et la quantification des apports de matériel détritique grossier aux seins d’une matrice de sédiment lacustre fin, a permis d’identifier les apports liés à cet aléa au cours du temps. Nous avons ensuite reconstitué les événements d’avalanche de neige lourde déposés dans le lac de Lauvitel sur les derniers 3500 ans, dont l’occurrence intervient préférentiellement lors des périodes de retraits glaciaires. / This doctoral thesis aims to a paleo-environmental reconstitution of the Oisans valley based on the natural archive of lake sediments. From a multi-proxy approach, we aim to reconstruct: i) Glacial fluctuation reconstruction in Oisans valley; ii) human activities evolution in mountain area and their influences on sediment fluxes especially during extreme events; iii)understand the relationship between climate change, use of mountain lands and natural hazard.Through this study, we identified processes of global change, comprising natural climate variability and human practices, which affected erosion patterns around Lakes Muzelle and Lauvitel during the last millennia. Main results have shown that erosion in the lake Muzelle watershed was dominated in the past by glacial activity, in particular with the presence of fine detrital particles related to subglacial abrasion. They were identified to have a relationship never observed before; during glacial extension their presence is triggering a higher number of flood deposits. At this location, human activities were identified through agro-pastoral activities and more precisely by the coprophilous fungi spore counting, revealing cattle presence since 300 years. Lake Lauvitel is located at lower altitude, which most of the watershed is now situated in an Integral Reserve. Palynological investigations lead to identification of periods of higher human activities in the valley. Extreme events recorded in Lake Lauvitel sediment are on the one hand torrential floods, which allowed a comparison with other reconstructions highlighting changes in the climatic settings in the Alps. On the other hand, wet avalanches deposits were identified with the use of a CT scan and the development of a new methodology based on relative density differences in the sediment. The counting and the quantification of coarse detrital matter within the lacustrine fine sediment matrix allowed income identification of this hazard though time. We then reconstructed wet avalanches events deposited in Lake Lauvitel during the last 3500 years, which occurrence is preferentially during glacial retreats.

L'objectif scientifique de la thèse est de progresser dans la modélisation hydrologique spatiale régionale dans le contexte de crues éclairs qui représentent l'une des catastrophes naturelles les plus destructrices dans la région Méditerranéenne. L'accent est mis sur les questions de mise à l'échelle des bassins versants et la dérivation des équations et des modèles applicables aux bassins de milieu simplifiées de grande taille pour mieux décrire l'hétérogénéité du paysage et de la complexité du processus. Telles sont les questions clés pour faciliter le modèle mis en place dans le contexte de l'ensemble du bassin versant et d'essayer son application dans les bassins non jaugés trop. Pour répondre à ces questions, une modélisation hydrologique spatiale simplifiée sur les sous-bassins versants est d'abord proposé où les paramètres sont essentiellement tirées de l'information disponible (surtout cartographique). La méthode de Kirchner (WRR, 2009) qui suppose que le débit à la sortie est la seule fonction de stockage du bassin versant, est spécifiquement étudiée dans le cadre des bassins versants Méditerranéens. L'étape suivante consiste à créer un nouveau modèle hydrologique SIMPLEFLOOD distribué sur la base de « top down » méthodologie de Kirchner dans la plateforme de modélisation JAMS. Les paramètres du modèle simple sont estimés à des endroits calibrés et une régionalisation se fait en fonction de la géologie. Le bassin versant est discrétisé en sous-bassins versants d'environ 10 km2. La dernière étape consiste à procéder à un couplage de données avec le modèle hydraulique MAGE 1D développé à IRSTEA HHLY tenir compte des effets de propagation de la rivière sur les hydrogrammes simulés. Le couplage est externe, ce qui signifie que les sorties du modèle hydrologique dans le système de modélisation de JAMS deviennent les entrées du modèle MAGE hydraulique. Les sorties sont les débits qui sont transférés dans le modèle de MAGE soit comme flux latéraux (provenant des terres adjacentes) et /ou entrées d'eau locales. L'application de la thèse est le bassin versant de l'Ardèche (2388 km ²), qui est l'un des sites pilotes français pour le programme international HyMeX (cycle hydrologique dans l'expérience de la Méditerranée, http://www.hymex.org/). La thèse proposée contribue également au projet FloodScale (multi-échelle d'observation hydrométéorologique et de modélisation pour la compréhension et simulation des crues éclairs (http://floodscale.irstea.fr/). L'application de la méthodologie Kirchner (2009) montre que les résultats de simulation des débits sont bonnes pour les bassins de granit, trouvés à être caractérisée principalement par des processus excès de ruissellement et d'écoulement sous la surface de saturation. L'hypothèse simple de système dynamique fonctionne particulièrement bien dans des conditions humides (pics et les récessions sont bien modélisés). D'autre part, la performance du modèle est moins bien représentée à l'été et les périodes de sécheresse où l'évapotranspiration est large et observations de bas-débits sont inexactes. Dans le bassin versant de l'Ardèche, les précipitations simulées correspondent bien à de stations de jaugeage observés et données de réanalyse SAFRAN pendant les périodes de non-végétation. Le modèle doit encore être amélioré pour inclure une représentation plus précise de l'évapotranspiration réelle, mais fournit un résumé satisfaisant du fonctionnement du bassin versant pendant les périodes humides et d'hiver. Le couplage du modèle hydrologique obtenue avec le modèle hydraulique MAGE 1D fournit des résultats satisfaisants mais les résultats sont si réciproques comme dans le cas du modèle hydrologique ou une équation d'onde cinématique simple pour le routage des flux existe. On peut dire que dans les situations ou débordement de la rivière est significative, le couplage serai crucial. / The scientific objective of the thesis is to progress in regional spatial hydrological modeling in the context of flash floods that represent one of the most destructive natural hazards in the Mediterranean region. Emphasis is put on catchment scaling issues and derivation of simplified equations and models applicable to basins of medium to large size to best describe landscape heterogeneity and process complexity. These are the key issues in facilitating the model set up in the context of the whole catchment and trying its application in ungauged catchments too. To address these issues, a simplified spatial hydrological modeling over sub-catchments is first proposed where parameters are essentially derived from available information (cartographic utmost). For this purpose, the Kirchner (WRR, 2009) method that assumes that discharge at the outlet is only a function of catchment storage is specifically studied in the context of Mediterranean catchments. The next step is to create a new distributed hydrological model based on the data driven methodology of Kirchner within the JAMS modeling framework. The parameters of the simple model are estimated at the gauged locations and a regionalization is done according to geology. The catchment is discretized into sub-catchments of about 10 km2. The final step is to proceed with data coupling with the MAGE 1D hydraulic model developed at HHLY to consider river propagation effects on the simulated hydrographs. The coupling is external, meaning that outputs from the hydrological model in JAMS modeling system become inputs to the hydraulic model MAGE. Outputs are discharge rates in the reach network that are transferred into the MAGE model as either lateral flows (coming from adjacent land) and/or local inflows. The case study of the thesis is the Ardèche catchment (2388 km²), which is one of the French pilot sites for the HyMeX international program (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment, http://www.hymex.org/). The proposed thesis also contributes to the FloodScale project (Multi-scale hydrometeorological observation and modeling for flash floods understanding and simulation, http://floodscale.irstea.fr/ ). The application of the Kirchner (2009) methodology shows that resulting discharge simulation results are good for granite catchments, found to be predominantly characterized by saturation excess runoff and sub-surface flow processes. The simple dynamical system hypothesis works especially well in wet conditions (peaks and recessions are well modeled). On the other hand, poor model performance is associated with summer and dry periods when evapotranspiration is high and operational low-flow discharge observations are inaccurate. In the Ardèche catchment, inferred precipitation rates agree well in timing and amount with observed gauging stations and SAFRAN data reanalysis during the non-vegetation periods. The model should further be improved to include a more accurate representation of actual evapotranspiration, but provides a satisfying summary of the catchment functioning during wet and winter periods. The coupling of the resulting hydrological model with the MAGE 1D hydraulic model provides satisfying results. However, the results show that the timing and magnitude of simulated discharge with coupled model is as good as by the hydrological model with a simple kinematic wave equation for flow routing. We argue that in situations when there is a significant overflow in the floodplain the interest of the coupling with the hydraulic model becomes crucial.

Les régions méditerranéennes sont particulièrement soumises au risque de crues rapides. Ces crues sont provoquées par des pluies intenses pouvant être stationnaires et qui affectent des bassins versants à la topographie marquée et aux temps de réponses courts. Ces crues peuvent être très violentes, dévastatrices voire meurtrières. Il est donc important de disposer de systèmes de prévision adaptés pour l'anticipation des pluies et des débits des cours d'eau méditerranéens. Le système couplé ISBA-TOP a été particulièrement conçu pour simuler la réponse hydrologique de bassins versants à dynamique rapide. Il s'agit d'un couplage entre le modèle de surface ISBA et une version du modèle hydrologique TOPMODEL adaptée aux crues rapides. Une première étape du travail de thèse a été d'évaluer l'apport d'une meilleure représentation des processus hydrologiques dans le sol pour la simulation des débits avec ISBA-TOP. Une version d'ISBA-TOP basée sur la version diffusive d'ISBA (ISBA-DF qui découpe verticalement les colonnes de sol en de multiples couches) a donc été comparée à la version originale d'ISBA-TOP qui utilisait l'approche ISBA-3L où 3 couches de sol sont représentées. Sur un échantillon d'une vingtaine de cas d'étude, on montre une légère amélioration des simulations de débits avec la nouvelle version d'ISBA-TOP. Cette nouvelle version permet de s'affranchir du calage de deux paramètres gérant la répartition verticale de l'eau dans les colonnes de sol qu'il était nécessaire de réaliser pour chacun des bassins étudiés. La simulation de petits bassins versants non jaugés, pour lesquels on ne dispose pas d'observations pour réaliser le calage des paramètres, peut donc être envisagée. Il n'en reste pas moins que la modélisation hydrologique avec ISBA-TOP (comme avec tout autre modèle) reste entachée d'incertitude. La seconde partie de cette thèse vise à identifier ces incertitudes et à les quantifier. Dans le cas des crues rapides, les données de précipitation utilisées en entrée du modèle hydrologique constituent la source majeure d'incertitude mais elle n'est pas la seule. La connaissance des conditions initiales d'humidité des sols est également incertaine et le modèle hydrologique, lui-même, est entaché d'incertitude de par la `` paramétrisation '' des processus physiques et de par sa structure. Afin d'explorer ces deux sources d'incertitude et de les hiérarchiser, une étude de sensibilité du modèle ISBA-TOP à ses paramètres et à ses conditions initiales d'humidité des sols a été menée. Cette étude de sensibilité a d'abord été conduite pour un cas idéalisé, d'interprétation plus facile, avant de confirmer et d'approfondir les résultats sur des cas réels. Les simulations de débit avec ISBA-TOP se sont avérées particulièrement sensibles à trois des paramètres hydrodynamiques : le contenu en eau à saturation, la conductivité hydraulique à saturation et le taux de décroissance de la transmissivité avec la profondeur. Cette sensibilité, toutefois, est très dépendante des conditions initiales d'humidité des sols. Sur la base des résultats de l'étude de sensibilité, une méthode de perturbation des paramètres du modèle hydrologique a été conçue afin de tenir compte des erreurs de modélisation. Elle est complétée par une méthode de perturbations des conditions initiales en humidité des sols afin de constituer un système de simulation hydrologique d'ensemble. Evalué sur six cas réels, il a été montré que cet ensemble a un apport pour la simulation des débits par rapport à la version déterministe du modèle. / Intense precipitation events in the Mediterranean often lead to devastating flash floods. The affected watersheds are characterized by steep slopes and a short response time. Flash floods can be violent and destructive. Dedicated meteorological and hydrological systems are thus necessary to anticipate those flash floods. The ISBA -TOP coupled system was developed to simulate the hydrological reaction of fast responding rivers. It is a coupling between the ISBA surface scheme and a version of the TOPMODEL hydrological model dedicated to mediterranean flash floods simulation. A first part of the thesis aims at assessing the benefit of a better representation of hydrological processes within the soil for discharge simulation with ISBA-TOP. Moreover, it would allow the use of ISBA-TOP for any watershed even ungauged. A version of ISBA-TOP based on ISBA-DF (the diffusive version of ISBA that discretizes soil columns in multiple layers) has been compared to the original ISBA-TOP that relies on ISBA-3L (with only 3 soil layers). On 18 study cases, better discharge simulations are obtained basically using the new ISBA-TOP version. So this improved representation of hydrological processes in the soil allows to improve discharge simulations and to be confident into the results obtained for small ungauged catchments. The second part of this PhD work concerns the uncertainty that affects ISBA-TOP simulations. For flash floods, rainfall data used to drive an hydrological model are the major source of uncertainty. But initial soil moisture knowledge is also uncertain and the hydrological model himself is affected by uncertainty. The sensitivity of ISBA-TOP model to its parameters and initial soil moisture is investigated to document those two sources of uncertainty. First an academic case is used to verify some preliminary hypotheses and then real cases are studied to properly consider the different data heterogeneities. Discharge simulations with ISBA-TOP are sensitive to three hydro dynamical parameters : the saturated soil water content, the saturated hydraulic conductivity and the rate of decrease of the transmissivity with depth. This sensitivity is found very dependant on initial soil moisture conditions. Perturbation methods varying the 3 parameters that have the highest impact on discharge simulations as well as initial soil moisture allow to design an ensemble prediction system. This ensemble has been assessed for 6 real cases. Using this ensemble-based approach for discharge simulation lead to better results than using the deterministic version. The skill of the ensemble with 30 to 50 members is close to the skill of this ensemble with 100 members whereas it outerperfoms an ensemble with 10 members. The last part of the thesis is the conception of a complete hydrometeorological ensemble prediction system (HEPS). The hydrological ensemble defined in the second part of the thesis is used to take the uncertainty that affects the hydrological modelling and initials soil moisture into account. The uncertainty that affects precipitation fields is sampled using the AROME ensemble prediction system (AROME-EPS). The skill of this complete chain is better than an HEPS based on AROME-EPS and the deterministic version of ISBA-TOP. But both HEPS exhibit a low bias for discharge simulation on the study cases sample. This bias can come from a low bias that is found for the AROME-EPS rainfall forecasts. A simple bias correction applied on rainfall forecasts improves the bias on discharge forecasts.

Les modèles hydrologiques sont des outils indispensables pour calculer les débits a l’exutoire des bassins versants, la gestion des aménagements hydrauliques ou encore la prévision et la prévention des inondations. Les précipitations représentent la variable climatique principale à l’origine des débits des cours d’eau qui s’écoulent au sein d’un bassin versant. De ce fait, la réponse hydrologique du bassin est fortement dépendante de la représentativité des données d’entrée de précipitation.Les radars météorologiques, qui permettent aujourd’hui d’accéder a des mesures a haute résolution spatiale et temporelle des champs de précipitation, sont de plus en plus utilises dans le domaine de la prévision, pour le suivi des situations hydrométéorologiques. Cependant, la mesure des précipitations par radar est entachée d’erreurs qui peuvent affecter gravement la qualité des simulations de débit. De ce fait, l’utilisation des données de précipitations a haute résolution spatiale pour la modélisation hydrologique est souvent limitée par rapport a l’utilisation des données pluviométriques.Récemment, Météo-France a développe une réanalyse des lames d’eau au pas de temps horaire, sur une durée de 10 ans, en combinant l’ensemble des données de précipitation radar et pluviométriques : les mesures radars ont été corrigées et étalonnées avec le réseau de mesure au sol horaire et journalier. Dans cette thèse, nous proposons d’étudier l’intérêt de cette nouvelle base de données à haute résolution spatiale pour la modélisation pluie-débit.Dans un premier temps, nous avons développe et valide un modèle hydrologique semi-distribue qui a la capacité de fonctionner pour différentes résolutions spatiales, de la représentation globale jusqu’a une discrétisation spatiale très fine des bassins. Dans un deuxième temps, l’impact de la résolution spatiale des données d’entrée de précipitation sur la simulation des débits a été analysé. L’apport de l’information radar pour l’estimation des précipitations a été évalue par rapport a une utilisation exclusive des pluviomètres, par le biais de la modélisation pluie-débit en termes de précision des débits a l’exutoire des bassins. Enfin, le modèle semi-distribue TGR a été comparé avec le modèle global GRP actuellement opérationnel dans les Services de Prévision des Crues. L’originalité de notre travail réside sur l’utilisation de données d’observation sur un large échantillon de 181 bassins versants français représentant une grande diversité de tailles et conditions climatiques, ce qui nous permet d’apporter un diagnostic robuste et des éléments de réponse sur les problématiques scientifiques traitées. / Hydrologic models are essential tools to compute the catchment rainfall-runoff response required for river management and flood forecast purposes. Precipitation dominates the high frequency hydrological response, and its simulation is thus dependent on the way rainfall is represented. In this context, the sensitivity of runoff hydrographs to the spatial variability of forcing data is a major concern of researchers. However, results from the abundant literature are contrasted and it is still difficult to reach a clear consensus.Weather radar is considered to be helpful for hydrological forecasting since it provides rainfall estimates with high temporal and spatial resolution. However, it has long been shown that quantitative errors inherent to the radar rainfall estimates greatly affect rainfall-runoff simulations. As a result, the benefit from improved spatial resolution of rainfall estimates is often limited for hydrological applications compared to the use of traditional ground networks.Recently, Météo-France developed a rainfall reanalysis over France at the hourly time step over a 10-year period combining radar data and raingauge measurements: weather radar data were corrected and adjusted with both hourly and daily raingauge data. Here we propose a framework to evaluate the improvement in streamflow simulation gained by using this new high resolution product.First, a model able to cope with different spatial resolutions, from lumped to semi-distributed, was developed and validated. Second, the impact of spatial rainfall resolution input on streamflow simulation was investigated. Then, the usefulness of spatial radar data measurements for rainfall estimates was compared with an exclusive use of ground raingauge measurements and evaluated through hydrological modelling in terms of streamflow simulation improvements. Finally, semi-distributed modelling with the TGR model was performed for flood forecasting and compared with the lumped forecasting GRP model currently in use in the French flood forecast services. The originality of our work is that it is based on actual measurements from a large set of 181 French catchments representing a variety of size and climate conditions, which allows to draw reliable conclusions.

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.

Dans le but de mieux comprendre les facteurs agissant sur le milieu fluvial à l’échelle plurimillénaire, ainsi que les effets de la dynamique alluviale sur la préservation de l’information archéologique, une étude géoarchéologique a été menée sur quatre fenêtres des vallées de la Loire, de la Saône et du Doubs en Bourgogne (France). À partir de sites de franchissement romains et d’un pont médiéval, retrouvés dans le chenal actuel, puis en étendant les recherches à d’autres secteurs, l’évolution des lits mineur et majeur au cours de l’Holocène a été reconstituée. Des informations de natures diverses, datées et spatialisées, ont été croisées : pour les deux derniers siècles, principalement les plans et vues aériennes contemporains, tandis que les périodes plus anciennes sont abordées grâce aux indices archéologiques, à l’analyse géomorphologique du lit majeur et, principalement, aux archives sédimentaires. Ces dernières ont été analysées du point de vue de la sédimentologie de faciès afin d’identifier les processus à l’origine des dépôts. Les grandes étapes de l’évolution des trois grands cours d’eau étudiés, une fois identifiées et datées, ont été confrontées aux données existantes afin d’interroger l’influence qu’ont pu avoir les fluctuations climatiques et les activités humaines sur la dynamique alluviale. La reconstitution de l’évolution du milieu au cours de l’Holocène permet enfin d’aborder la question de la conservation des données archéologiques en domaine alluvial, propice à l’implantation humaine, mais où l’information est la plupart du temps masquée par une succession de processus taphonomiques. / A geoarchaeological study was led on four sections of the valleys of the Loire, Saône and Doubs rivers (Burgundy, France) in order to point out the factors influencing the alluvial dynamics on a multimillennial scale, and their effects on the preservation of archaeological information. Investigations started by roman and medieval remains of bridges discovered in active channels, were then carried out on larger parts of alluvial plains, and altogether allowed the evolutions of the channels during the Holocene period to be deducted. Various types of information on alluvial characteristics were crossed through time and space: ancient maps and XXth century or aerial photographs for centennial scale, archaeological data, geomorphological analysis, but mostly alluvial deposits for older periods. Facies analyses on fluvial sediments led to the identification and the reconstitution of successive sedimentary environments through time. The main steps of the evolution of the three rivers, after being identified and dated, were compared to previous studies in order to estimate the respective roles of climatic changes and anthropic influence on alluvial dynamics, on this regional scale, during the Holocene. Preservation of archaeological information in fluvial deposits is therefore discussed here, to reach a better understanding of taphonomic issues in such environmennts, which are potentially rich in archaeological remains.

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.

L’objectif est la construction numérique d’un modèle 3D régional de la plaine de Sidi Bouzid permettant la quantification du transfert hydrique et du rôle des crues sur le processus de recharge. Des simulations numériques de l’écoulement ont été réalisées à l’aide de Feflow et validées par des données mesurées in situ. Une conceptualisation des paramètres d’entrée a été réalisée afin de contourner l’absence de données mesurées. L'hétérogénéité de la zone non saturée a un impact significatif sur la variation du flux vertical et la propagation du front d’humidité. Les résultats obtenus en 1D ont été spatialisés à l’échelle de la plaine avec l’objectif de quantifier l’ensemble des flux d’écoulements. L’originalité réside, d’une part, dans la détermination des conditions aux limites appliquées à la surface du sol à partir des hydrogrammes des crues enregistrés et, d’autre part, au modèle conceptuel limitant l’évaporation. Le modèle hydrodynamique a mis en évidence que le bilan hydrique est fortement excédentaire. Les simulations de l’écoulement ont montré que l’approche des épandages de crues au niveau des périmètres surestime la recharge artificielle de la nappe. / The aim of this study is to set up a 3D regional model to quantify water flux in unsaturated-saturated zones and the role of floods on the recharge process. Therefore, numerical flow simulations were conducted using the finite element Feflow that will be validated by measured data. A conceptualization of input parameters was carried out to overcome the absence of measured data. The heterogeneity of the vadose zone have a significant impact on the variation of the vertical flow, the residence time and the propagation of wetting front in the unsaturated zone. The results obtained in 1D were then used to quantify groundwater recharge of the entire area of the study site. The original approach is to derive the time-dependent hydraulic boundary condition of water level at the soil surface of the spreading perimeters by measured flood hydrographs and to develop a limited conceptual model of water uptake by evaporation. The hydrodynamic model showed that the water balance is very important. Flow simulations have shown that the perimeter flooding approach overestimates the artificial recharge of the aquifer.

Les bassins versants du pourtour méditerranéen français sont touchés par des pluies parfois intenses et à fort cumuls, qui peuvent engendrer des crues à cinétique rapide. Les derniers exemples majeurs en date sont ceux de l’Aude en 1999, du Gard en 2002 et du Var en 2010, dont les conséquences furent dramatiques. Ces travaux de thèse visent à évaluer une approche de modélisation complémentaire aux outils dont disposent déjà les Services de Prévision des Crues pour la prévision des crues à cinétique rapide : le couplage de modèles hydrologique et hydraulique, qui est a priori adapté pour la modélisation à l’échelle des grands bassins méditerranéens, de superficies supérieures à 1 000 km² (Ardèche, Cèze, Gardon, Vidourle…). Des éléments de réponses aux 4 questions suivantes sont recherchés : 1) le couplage est-il adapté pour la modélisation des débits atteints lors d’évènements passés, d’importance intermédiaire ? 2) le couplage est-il performant pour la modélisation des débits, cotes atteintes, et extension d’inondation, observés lors d’un épisode majeur? 3) comment envisager d’améliorer la modélisation des apports latéraux non-jaugés au modèle hydraulique, tout en adoptant une démarche adaptée à la prévision ? 4) le couplage est-il performant en prévision ? Le couplage employé combine le modèle hydrologique SCS-LR de la plateforme ATHYS (Bouvier et al., 2004), et le code de modélisation hydraulique 1D MASCARET (EDF-CETMEF, 2011). Il est appliqué au bassin versant du Gardon (2 040 km²), dans le sud de la France. / The French catchments around the Mediterranean Sea are affected by intense rains, which can cause fast and flash floods. The last major events are the one of the Aude river in 1999, of the Gard area in 2002, and of the Var area in 2010, whose consequences were tragic. This PhD intends to assess a modeling strategy complementary to the tools that are already used by the regional flood warning services: the coupling of hydrologic and hydraulic models, which is a priori well-adapted for the modelling of catchments of large-scale areas (larger than 1 000 km²) around the Mediterranean Sea (such as the ones of the Ardèche river, the Cèze river, the Vidourle river, the Gardon river…). The works aim at bringing elements of responses to the following questions: 1) is the coupling adapted to the modelling of floods hydrographs of past events of moderate importance? 2) in case of an extreme event (like in September 2002), is the coupling effective for the modelling of discharges, of water levels, and of flood extension? 3) how can we improve the modelling of ungauged lateral inflows to the hydraulic model, while applying a method adapted to forecasting? 4) Is the coupling efficient at forecasting? The coupling used combines the SCS-LR hydrologic model of the ATHYS platform (Bouvier et al., 2004), and the MASCARET 1D hydraulic model (EDF-CETMEF, 2011). It is applied to the Gardon river basin (2 040 km²), in the South of France.

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements. / The overarching objective in fluvial geomorphology is to explain river morphology and its temporal and spatial evolution. The multiplication of studies led to the realization that geomorphic systems are complex and difficult to understand. The observed river morphology is more than the sum of the individual processes which govern them because of the superimposition of process interactions and non-linear feedback loops at multiple scales. In this context, the goal of this thesis is to explore new avenues of research in order to comprehend more accurately the complexity of gravel-bed river dynamics by using methodological and analytical approaches focusing on the interactions between the flow, transport of sediments as bedload and the bed morphology. This orientation of the thesis is in line with the fact that current paradigms in fluvial geomorphology have not succeeded in explaining adequately the natural variability of the sediment transport and its consequences on the river bedforms. Five avenues are developed in the form of articles based on case studies: 1. The study of the scales of variation of the flow allows us to integrate the turbulent flow structures into flow pulsations at larger scales and to potentially improve our understanding comprehension of bedload sediment transport variability. 2. The quantification of the rates of change of the flow magnitude (acceleration /deceleration) during a flood explains as much the variability of bedload transport fluxes as the flow intensity itself. 3. The use of complementary measurement techniques of bedload processes can reveal new river bed dynamics in gravel-bed rivers: the dilation and contraction of the bed resulting from a flood. 4. The investigation of the generally accepted fact that bedload sediment transport is correlated with the intensity of the morphological changes reveals that the two processes do not relate directly due to their different characteristic scales. 5. The systemic approach of river dynamics based on the use of multivariate analytical techniques is better suited for the study of complex linear and non-linear interactions and feedbacks in the evolution of a river channel. This analysis has shown the importance of the recent history of the morphological changes in response to a flood. The conceptual orientation of this thesis results from a deep reflection on the traditional approaches previously used for several decades in fluvial geomorphology. It is based on a single very extensive data set collected during 21 flood events in a small gravel-bed river, Béard creek (Quebec). The experimental protocol aimed at the simultaneity of processes measurements in order to focus the analysis on the interactions between the flow, the channel morphology and the bedload sediment transport rather than on the individual processes, an approach seldom used in fluvial geomorphology. Each chapter reports on a new concept or a new approach making it possible to resolve some of the issues met in fluvial geomorphology. This work has important implications for the understanding of river bed dynamics and fluvial habitats and is a starting point for new developments.