Distributed hydrological models have been used for decades to calculate and predict the movement of water and energy within watersheds. These models have evolved from relatively simple empirical applications into complex spatially distributed and physically-based programs. However, the evolution of distributed hydrological models has not involved the improvement of the numerical methods used to calculate the redistribution of water and energy in the watershed. Because of this, many models still use numerical methods that are potentially inaccurate. In order to simulate the transport of water and energy in a hydrological model, typical numerical methods employ an operator splitting approach. Operator splitting (OS) essentially breaks down the set of coupled ordinary differential equations (ODEs) that define a hydrological model into separate ODEs that can be solved individually. The dominant operator splitting method in surface water models is the ordered series approach. Because the ordered series approach treats parallel hydrological processes as if they happen in series, it is prone to errors that can significantly reduce the accuracy of model results. The impact that operator splitting errors have upon hydrologic model results is, to date, unknown. Using a new distributed hydrological model, Raven, the impact of operator splitting errors is investigated. Understanding these errors will lead to better numerical methods for reducing errors in models and to shed light on the shortcomings of hydrological models with respect to numerical method choice. Alternative numerical methods - the explicit Euler and the implicit iterative Heun methods - are implemented and assessed in their ability to minimize errors and produce more accurate distributed hydrological models.

Distributed hydrological models have been used for decades to calculate and predict the movement of water and energy within watersheds. These models have evolved from relatively simple empirical applications into complex spatially distributed and physically-based programs. However, the evolution of distributed hydrological models has not involved the improvement of the numerical methods used to calculate the redistribution of water and energy in the watershed. Because of this, many models still use numerical methods that are potentially inaccurate. In order to simulate the transport of water and energy in a hydrological model, typical numerical methods employ an operator splitting approach. Operator splitting (OS) essentially breaks down the set of coupled ordinary differential equations (ODEs) that define a hydrological model into separate ODEs that can be solved individually. The dominant operator splitting method in surface water models is the ordered series approach. Because the ordered series approach treats parallel hydrological processes as if they happen in series, it is prone to errors that can significantly reduce the accuracy of model results. The impact that operator splitting errors have upon hydrologic model results is, to date, unknown. Using a new distributed hydrological model, Raven, the impact of operator splitting errors is investigated. Understanding these errors will lead to better numerical methods for reducing errors in models and to shed light on the shortcomings of hydrological models with respect to numerical method choice. Alternative numerical methods - the explicit Euler and the implicit iterative Heun methods - are implemented and assessed in their ability to minimize errors and produce more accurate distributed hydrological models.

Pour fournir des simulations fiables, les modèles hydrologiques nécessitent usuellement le calage de leurs paramètres sur des données de débit. Toutefois, ces dernières sont limitées et la plupart des bassins versants sont non jaugés. Des méthodes alternatives regroupées sous le terme de 'régionalisation' sont alors nécessaires pour estimer les paramètres des modèles. La thèse propose de combiner les trois méthodes les plus classiques afin de régionaliser les paramètres d'un modèle distribué sur deux grands bassins versants français : la Loire à Gien et la Durance à Cadarache. À partir des trois méthodes de régionalisation, le degré de spatialisation est adapté aux différents paramètres du modèle d'après leurs caractéristiques et leur rôle hydrologique. In fine, l'approche multi-méthode et multi-motif proposée (i) réduit considérablement le nombre de degrés de liberté du modèle, (ii) améliore la représentation de la variabilité physique du bassin et (iii) améliore très nettement les performances des simulations. En contexte non jaugé, la spatialisation des paramètres permet un gain d'environ 10 %, l'approche multi-méthode et multi-motif apportant en particulier un gain d'environ 7 % par rapport à une méthode de régionalisation unique. Malgré ces gains, l'impact de la spatialisation des forçages météorologiques demeure 6 fois plus important que spatialisation des paramètres. / To provide reliable simulations, hydrological models usually require the calibration of their parameters over streamflow data. However, the latter are limited and most of the catchments remained ungauged. Consequently, alternative methods termed ‘regionalization’ are needed to estimate model parameters. The thesis proposes to combine the three classical methods in order to regionalize the parameters of a distributed model over two large French catchments: the Loire catchment at Gien and the Durance catchment at Cadarache. On the basis of the three regionalization methods, the degree of spatialization is adapted to the different model parameters according to their characteristics and their hydrological role. In fine, the proposed multi-method and multi-pattern approach (i) significantly reduces the number of degrees of freedom, (ii) improves the representation of the catchment physical variability, and (iii) significantly improves the performance of the simulations. In the ungauged context, the parameter spatialization allows an improvement of about 10%, and in particular, the multi-method and multi-pattern povides an improvement of about 7% compared to a single regionalization method. Despite these improvements, the impact of the climatic input spatialization remains 6 times greater than th parameter spatialization.

La densification actuelle de l'urbanisation conduit à un changement d'occupation du sol et du réseau de drainage en zone péri-urbaine. L'écoulement est concentré dans des fossés ou des réseaux d'assainissement et ainsi accéléré. Ces phénomènes peuvent avoir des conséquences importantes pour les nappes et les cours d'eau, comme par exemple l'aggravation des crues et des sécheresses et l'altération de la qualité chimique et/ou biologique du milieu. Sous la pression réglementaire (Directive Cadre Européenne sur l'Eau) et la demande sociale, les gestionnaires sont donc confrontés à des choix complexes en terme d'aménagement. Ainsi, il est nécessaire de mettre au point des méthodes et des modèles capables de quantifier l'impact de l'augmentation de l'urbanisation sur la vulnérabilité des hydro-systèmes péri-urbains. Dans ce travail, nous formulons l'hypothèse qu'une modélisation hydrologique spatialisée continue, prenant explicitement en compte les objets des paysages périurbains (parcelles urbaines, agricoles, forestières, haies,..) et les éléments déterminant les chemins de l'eau (topographie, mais aussi réseaux d'assainissement ou de routes) peut aider à comprendre et hiérarchiser le rôle des différents objets du paysage sur la réponse hydrologique. Pour ce faire, le modèle distribué PUMMA (Peri-Urban Model for landscape Management) adapté aux bassins versants péri-urbains, a été développé dans le cadre de cette thèse. Il consiste en une intégration du modèle existant URBS, décrivant des processus hydrologiques urbains à l'échelle d'une parcelle cadastrale, dans la plate-forme de modélisation LIQUID, qui contient déjà des modules représentants des processus hydrologiques en zone rurale. PUMMA a également été complété par de nouveaux modules simulant les déversoirs d'orage, les bassins de rétention et le transfert du ruissellement de surface. Le modèle suit une approche orientée objet dans laquelle le paysage est divisé en mailles irrégualières, correspondant aux parcelles cadastrales en zone urbaine et aux unités de réponse hydrologiques (HRUs) en zone rurale. Afin de pouvoir appliquer le modèle à l'échelle d'un bassin versant, des méthodes automatiques pour la préparation des données géographiques ont été mises au point. De plus, une méthode a été développée pour déterminer les contours de bassins versants péri-urbains, en distinguant les surfaces contributives de temps sec et humide. Le modèle a été appliqué au bassin versant de la Chaudanne, un sous-bassin de l'Yzeron, situé en zone péri-urbaine lyonnaise pour deux années en conditions contrastées (sèche et humide). Les paramètres du modèle ont été spécifiés à partir des observations disponibles et des données de la littérature. Les résultats montrent un comportement du modèle réaliste et une aptitude à représenter les comportements différents en période sèche et humide, en lien avec des degrés de saturation des sols différents, même si les pics de débits d'été sont en général surestimés. Différents tests de sensibilité sur certains processus/paramètres montrent l'importance des processus urbains sur la réponse hydrologique du bassin, comme en particulier la génération de ruissellement de surface par les surfaces imperméables et naturelles urbaines, le drainage de l'eau du sol par les réseaux d'assainissement et les connexions entre les îlots urbains et le réseau hydrographique naturel et artificiel. L'épaisseur des sols et la conductivité hydraulique à saturation latérale jouent aussi un rôle important sur la dynamique du débit de base. Nous montrons aussi le potentiel du modèle pour tester différents scenarii d'aménagement ou de gestion des eaux pluviales. / Urban expansion mainly affects peri-urban areas. These areas are subject to rapid modifications such as an increase of impervious areas or concentration of runoff in sewer systems. These changes have an impact on local hydrology and can induce floods, pollution or decrease of groundwater resource. Modelling tools allowing a quantification of the sensitivity of peri-urban catchments to urbanization are therefore useful in this context. The hypothesis underlying this PhD is that a continuous distributed hydrological model, taking explicitly into account the spatial organization of the landscape (urban, agricultural, forest areas, hedges,..) and the water pathways, as determined by topography but also roads and sewer networks, can help to understand and hierarchize the role of various landscape elements on the hydrological response of small hydrosystems. We therefore designed the Peri-Urban Model for landscape MAnagement (PUMMA) simulating the rainfall-runoff processes both in urban and in rural areas. For this, the urban model URBS was integrated into the LIQUID modelling framework already containing modules describing hydrological processes in rural areas. Additionally, three process modules were developed describing sewer overflow devices, overland flow as well as retention basins and lakes. PUMMA follows an object-oriented approach. The landscape is discretized into cadastral parcels in urban areas and irregular hydrological response units in rural areas. In order to apply PUMMA to the catchment scale, automatic methods were developed for the pre-processing of the geographical data. Furthermore, a method for the delineation of suburban catchments including the separation into dry and wet weather contributing areas was developed. The model was then applied to the Chaudanne catchment, a sub-basin of the Yzeron, located in the peri-urban area of Lyon, France. The model was run continuously for two contrasting years (dry and humid) using parameters values taken from observations and the literature. Although summer peak discharge is often overestimated, the results show that, the model is able to simulate realistically the observed discharges and in particular different responses under dry and wet conditions, controlled by the soil saturation. Sensitivity tests to various processes/parameters showed the importance of the urban influenced processes on the hydrological response, in particular surface runoff generation on impervious and natural urban surfaces, infiltration into the sewer system and the connexion of urban areas to the natural hydrographic network. Soil depth and lateral saturated hydraulic conductivity were also found influential on the base flow dynamics. We finally showed the model potential for the evaluation of various rain water management scenarios.

Aux Antilles, la disponibilité limitée des ressources en contexte insulaire et l'activité agricole à aux niveaux d'intrants fragilisent les ressources en eau. Dans les zones bananières à forts niveaux d'intrants, des phénomènes de pollution des eaux sont particulièrement marqués, notamment du fait de l'usage d'un pesticide, la chlordécone. La connaissance du fonctionnement des systèmes hydrologiques à l'échelle du bassin versant représente un enjeu primordial pour pouvoir estimer l'exposition de l'écosystème aux pollutions et pour prévoir l'évolution des contaminations dans le temps. L'objectif de la thèse a été de développer une modélisation mécaniste représentant les processus hydrologiques de surface et souterrains à l'échelle d'un bassin versant sur substrat volcanique, sous climat tropical humide, situé en zone bananière en Guadeloupe. En premier a été développé un modèle parcellaire de bilan hydrique adapté au cas des cultures bananières. Il a pour originalité de prendre en compte l'importante redistribution de pluie opérée par le couvert bananier et d'en simuler les effets en matière d'intensité et d'hétérogénéité intra-parcellaire sur les termes du bilan hydrique. Les résultats d'analyse de sensibilité montrent que la redistribution de la pluie augmente le ruissellement de surface ainsi que la percolation, en cohérence avec les observations de terrain, mais impacte peu ou temporairement l'évapotranspiration et l'humidité du sol. Le calage du modèle sur des données expérimentales indiquent une performance améliorée de la simulation du ruissellement par rapport à un modèle ignorant le mécanisme de redistribution. En second, le bassin versant expérimental de Féfé (17.8 ha) a fait l'objet d'une approche de modélisation intégrant processus hydrologiques de surface et souterrains basée sur un chaînage itératif des modèles MHYDAS et MODFLOW. Confrontée à une année hydrologique de mesures de débits à l'exutoire et de piézométries, l'approche de chaînage de modèles de surface et souterrain apparaît pertinente. Une limite majeure est toutefois la non prise en compte de la zone non saturée dans le processus de recharge des aquifères. L'analyse des simulations et de leurs écarts avec les données observées conforte plusieurs hypothèses issues des analyses expérimentales : un ruissellement de surface fortement hortonien, une contribution majeure des écoulement souterrains au débit à l'exutoire. Elle indique toutefois également une indétermination des processus majeurs lors des périodes de fortes pluies. Différentes hypothèses sont proposées qu'il conviendra d'évaluer dans des travaux futurs. Ce travail constitue une première étape pour évaluer les chemins d'écoulement majeurs et les dynamiques des contaminations par les produits phytosanitaires dans un milieu volcanique tropical sous culture bananière. / In the French West Indies (FWI), limited resources supply on island and farming with extensive uses of pesticides have damaged water resources. In environments under intensive banana production, water pollution can be of particular concern, with regards to the use of chlordecone, an insecticide to control the banana weevil. Understanding the hydrological behaviour of a catchment is a challenge in assessing the exposure of the ecosystem to pollutions and in predicting the long-term contamination dynamics. This thesis aimed at developing a model to simulate de surface and underground hydrological processes at the catchment scale on volcanic deposits in a humid tropical area covered by banana plantations in Guadeloupe. First, we developed an original water budget model at the plot scale, adapted to the banana canopy. It takes into account the high rainfall redistribution by banana cover and simulates the effects of modified rainfall intensities and within-plot heterogeneities on the water balance components. The sensitivity analysis showed that rainfall redistribution promotes surface runoff and percolation, in accordance with the field observations, but influences little or only temporarily the average field evapotranspiration and soil moisture. The model calibration tested on experimental data indicated improved runoff production performances compared to a model without rainfall redistribution. Secondly, the Féfé experimental catchment (17.8 ha) was studied with a linked iterative modelling approach (of MHYDAS and MODFLOW) that includes surface and underground hydrological processes. Tested against a year of outlet discharge and water table depth measurements, the linked modelling approach seems appropriate. However, the main limit of this approach was that it does not consider the transfer through the unsaturated zone when simulating the aquifers' recharge. The analysis of the results and of the differences between measured and simulated variables supported the hypothesis, from experimental analyses, that: the surface runoff is mainly Hortonian, groundwater flow is the main contributor to runoff at the catchment outlet. However, there was still uncertainty concerning the main processes during wet periods. Various hypotheses were suggested and should be investigated in future studies. This work represents a first step towards the evaluation of the major flow paths and contamination dynamics of pesticides on volcanic deposits in a humid tropical area covered by banana plantations.