L'altimétrie radar a été initialement développée pour contribuer à l'étude de la dynamique des eaux océaniques. Elle a permis d'avoir des résultats significatifs sur les océans, en particulier à cause de leur vaste étendue et de leur homogénéité. Les succès obtenus sur les océans ont poussé plusieurs chercheurs à investiguer l'utilisation de l'altimétrie satellitaire pour la caractérisation des eaux et des surfaces continentales. Jusque-là, des résultats encourageants ont été rapportés par certaines études sur l'hydrologie des mers intérieures, des grands lacs et fleuves et des zones inondables. Dans cette thèse, nous évaluons l'apport de l'altimétrie satellitaire dans l'analyse des variations des niveaux d'eau dans le Delta Intérieur du fleuve Niger au Mali, en Afrique de l'Ouest. Classé parmi les sites de la Convention Ramsar sur les zones humides, le Delta intérieur joue un rôle de premier plan pour le Mali et l'ensemble de la sous-région, à la fois aux niveaux socio-économique et environnemental. Le Delta est caractérisé par une période de crue, pendant laquelle une superficie de plus de 20 000 km2 de terre reste inondée. L'eau se retire complètement pendant la période de décrue. Cette dynamique crue-décrue conditionne pratiquement l'ensemble des activités humaines dans la région et influence significativement les processus écologiques. D'où l'intérêt scientifique de mieux la comprendre. Cet intérêt est aussi justifié par la fragilité du Delta face aux changements climatiques et à la désertification. Les données d'altimétrie considérées dans l'étude proviennent des satellites Topex/Poseidon (1992-2005) et Envisat (2002-2009). Les données ont été corrigées des effets environnementaux. Afin de pouvoir élaborer des séries temporelles incluant les données provenant des deux satellites, nous avons analysé leur période de chevauchement (2002-2005). Cette analyse a révélé une bonne corrélation entre les deux séries de mesures (R[indice supérieur 2] = 0,76), et un biais systématique d'environ 89 cm. Les mesures Envisat ont alors été corrigées pour les ramener au même niveau que Topex/Poseidon, permettant ainsi de produire des séries temporelles sur 17 ans (1992-2009). Suite à cette analyse, nous proposons un algorithme de retraitement de forme d'onde qui intègre le coefficient de rétrodiffusion à l'échelle du temps de pénétration de l'onde dans un milieu en présence de végétation. L'idée ici c'est de tenir compte de l'hétérogénéité d'un milieu comme le Delta, qui peut être couvert de végétation. Pour cela, nous introduisons dans l'équation de la forme d'onde, le coefficient de rétrodiffusion estimé à partir du modèle dit des nuages d'eau, pour créer un nouvel algorithme appelé algorithme des nuages d'eau. Cet algorithme a été appliqué sur les données Envisat, mais également sur OSTM/Jason-2. Les résultats de l'algorithme ont été validés avec des mesures in situ de la Direction Nationale de l'Hydraulique du Mali et aussi avec des mesures acquises lors d'une campagne de terrain conduite entre août et octobre 2009. Les écarts observés sont généralement faibles (< [+ ou -] lm ). L'algorithme des nuages d'eau a été comparé à d'autres algorithmes existants. Il montre surtout une forte corrélation avec Ice-1 (R[indice supérieur 2] = 0,84). Finalement, nous analysons l'influence des précipitations sur les variations de niveaux d'eau obtenues. Trois sources de précipitations provenant de mesures satellitaires ou des réanalyses de modèles ont été considérées dans trois bassins d'alimentation (bassin du Fouta-Djalon en amont, bassin du Bani et le bassin intérieur au Mali). L'analyse révèle l'importance des précipitations, particulièrement dans le bassin du Fouta-Djalon. En effet, environ 70% des sites analysées [i.e. analysés] dans le Delta montrent une corrélation relativement forte (R[indice supérieur 2] > 0,40) avec les cumuls de précipitations dans les bassins considérés.

Le transport de contaminants, l’altération des roches ainsi que les grands cycles biogéochimiques sont contrôlés par les temps de séjour de l’eau. Ces temps de séjour représentent le temps de transit durant lequel l’eau « voyage » dans un bassin versant. Contraindre ces temps de transit est donc un enjeu essentiel pour quantifier l’impact de l’homme sur la qualité de l’eau en rivières et dans les aquifères et pour évaluer la résilience des écosystèmes aquatiques continentaux. Cependant, les rivières comme les nappes phréatiques sont constituées d’un mélange d’eau de différents âges (une distribution des temps de transit ou des temps de résidence) qui varie avec le temps, en fonction des aléas météorologiques et climatiques, rendant difficile leur caractérisation ainsi que leur prédiction. Dans cette thèse, nous inférons ces temps de résidence à l’aide de traceurs géochimiques et de modèles guidés par les données. Nous montrons comment cette connaissance permet de quantifier l’altération des roches cristallines. Nous développons ensuite un cadre original de modélisation à base physique, capable de représenter la variabilité saisonnière et interannuelle des débits et des temps de transit mesurés en rivière. Nous montrons comment le processus de battements de nappes et son interaction avec les couches perméables du sol mène à la génération d’un ruissellement qui explique les fluctuations saisonnières de qualité de l’eau en rivières, traduites par des mesures de silice dissoute. Enfin, nous esquissons un cadre général de représentation de la réactivité à l’échelle du versant capable de rendre compte des processus biogéochimiques. En effet, représenter la dégradation des éléments réactifs (oxygène, nitrates, carbone) permettra d’évaluer les mesures de réduction d’intrants agricoles, de prédire l’évolution long terme de ces solutés en rivières, et donc leur potentiel d’eutrophisation ainsi que d’évaluer des mesures pour réconcilier agriculture et environnement. Cette réactivité apparaît comme le dernier maillon manquant pour comprendre, mesurer et prédire, les impacts anthropiques sur la zone critique. / Groundwater travel time controls contaminant transport, weathering processes and biogeochemical cycles. Groundwater travel time is a fundamental descriptor characterizing the transit time of water inside the catchment, from precipitation events to the streams. Quantifying these transit times is pivotal to predict the impact of anthropogenic pressure and assess freshwater ecosystems resilience. However, streamwater and groundwater are a mixture of water of different ages (the transit time and the residence time distribution), which vary according to climatic forcings. This makes difficult its characterization and prediction. Here we infer residence times with geochemical tracers and data-driven models. We show how this can be constrained by silicate weathering at the catchment scale. We then develop a novel process-based framework, which can model discharge and transit time seasonal and interannual variabilities. We identify water table fluctuations, its interaction with permeable soil layers and the resulting subsurface stormflow generation as a key process for seasonal water quality variations described by dissolved silica measurements. Finally, we draw a reactivity framework to represent biogeochemical processes. Indeed, evaluating reactive solute degradation is needed to assess the efficiency of reducing fertilizer loads, to predict the long term evolution of in stream solute concentrations and the eutrophication potential of freshwater bodies. Modeling the reactivity at the catchment scale is the missing link to understand, quantify and predict the effect of anthropogenic pressure on the critical zone.

Les émissions de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4) et le cycle du carbone dans la retenue de barrage de Petit-Saut et la rivière Sinnamary (Guyane Française) ont été étudiés dans le but de développer un modèle couplé hydrodynamique-biogéochimie. Le développement de ce modèle a nécessité l'étude de trois processus contrôlant ces émissions : (i) la production de CO2 et de CH4 lors de la dégradation de la matière organique (MO) des sols et de végétaux, (ii) l'oxydation aérobie du CH4 dans la colonne d'eau du barrage et (iii) les processus d'échange gazeux à l'interface air-eau.<br />Sur 10 ans, les émissions atmosphériques se sont avérées très significatives, notamment les trois premières années ayant suivies la mise en eau, puis décroissent au cours du temps. Tandis que 50% des émissions de CO2 ont lieu à la surface du lac, les émissions de CH4 sont principalement localisées en aval des turbines. <br />Les émissions atmosphériques résultent de la dégradation de la MO (sol et biomasse issus de la forêt tropicale) immergée lors de la mise en eau et leur diminution au cours du temps découle de l'épuisement du stock de MO. Au terme de 10 ans, 20% du stock de carbone a été minéralisé et émis vers l'atmosphère sous forme de CO2 et de CH4. L'oxydation aérobie du CH4 transforme plus de 95% du CH4 diffusant depuis l'hypolimnion en CO2 dans la colonne d'eau du lac et 40% du CH4 entrant dans la rivière à l'aval. A l'échelle du barrage ce processus est responsable de l'oxydation de 90% du CH4 produit et de 30% des émissions totales de CO2. Le CH4 et le CO2 qui atteignent les eaux de surface du barrage sont émis vers l'atmosphère par flux diffusifs. L'étude de ce processus de transfert gazeux à l'interface air-eau montre que, en milieu tropical, les flux diffusifs sont accélérés par les fortes températures et les phénomènes pluvieux.<br />Le modèle est basé sur le modèle hydrodynamique SYMPHONIE 2D et les modules biogéochimiques développés dans le cadre de cette étude à partir des données cinétiques des processus étudiés. Les profils verticaux simulés de température, d'oxygène, de CO2 et de CH4 sont bien reproduits. Ce modèle pose les bases d'un outil opérationnel de modélisation pour la retenue de Petit Saut ainsi que pour d'autres réservoirs en milieu tropical.

Au cours du 20ème} siècle, les enregistrements marégraphiques suggèrent une hausse du niveau de la mer de 1.8 mm/an. Plus récemment, les observations spatiales indiquent une hausse de 3.3 mm/an sur la période 1993-2009. Cette augmentation au cours du temps est attribuée au réchauffement global de la planète enregistré depuis plusieurs années maintenant. Durant cette thèse, nous analysons les observations et les causes de la hausse moyenne globale du niveau de la mer. Nous estimons les variations stériques du niveau de la mer grâce aux données du projet international Argo et, les variations de masse des océans liés aux apports d'eau des continents à l'aide des mesures de la mission GRACE. Une autre étude se concentre sur la variabilité du stock d'eaux continentales des plus grands bassins hydrologiques de la planète, à l'aide des données GRACE, et l'impact de cette composante à la hausse du niveau de la mer. Puis, nous analysons l'impact de la variabilité interannuelle du stock d'eaux continentales aux variations du niveau de la mer sur diverses périodes. Enfin, nous étudions le bilan des contributions climatiques à la hausse observée du niveau de la mer sur la période altimétrique totale et pour les années récentes. Dans une deuxième partie, nous étudions les variations régionales du niveau de la mer. Nous établissons dans un premier temps, les causes de la variabilité régionale du niveau de la mer et nous interprétons le signal résiduel issu de la différence entre le niveau de la mer observé et l'expansion thermique des océans. Nous étudions ensuite les variations passées des structures régionales du niveau de la mer sur les dernières décennies (1950-2003). Le but est de reconstruire les variations passées du niveau de la mer en 2-D et ainsi d'avoir une connaissance plus approfondie de l'évolution régionale du niveau moyen des mers. Ce travail a pour objectif ultime de contraindre les modèles climatiques couplés utilisés par l'IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) pour prédire l'évolution future du niveau de la mer au cours du 21ème siècle. Cette analyse nous permet de détecter un signal basse fréquence dans la variabilité régionale du niveau de la mer que nous observons non seulement dans les données in situ mais aussi dans les modèles climatiques couplés.

L’application de la Directive Cadre sur l’Eau et l’obligation de surveillance de la qualité de l'eau pour la consommation humaine et les activités industrielles entraînent une forte demande pour des systèmes d’évaluation et de suivi de la qualité de l’eau. Le projet de recherche MIGR'HYCAR (http://www.migrhycar.com) a donc été mis en place pour répondre à un besoin opérationnel et à un défaut d'outils d'aide à la décision adaptés face aux déversements d'hydrocarbures en eaux continentales (rivières, lacs et estuaires) qui représentent plus de 50% des déversements accidentels en France. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de ce projet et a pour but l’étude du comportement des nappes d'hydrocarbures en milieu contrôlé pour les eaux continentales. A cet effet, il propose une approche expérimentale à l’échelle laboratoire pour étudier les phénomènes agissant sur une nappe d'hydrocarbures déversée : dissolution, étalement, évaporation et volatilisation. Les données expérimentales réunis ont permis de constituer une base de données de référence, qui servira de support aux outils de modélisation mathématique de dérive de nappe d'hydrocarbures développés dans le cadre de ce projet. / The application of the European Water Framework Directive on water quality for human consumption and industrial activities creates a need for water quality assessment and monitoring systems. The MIGR'HYCAR research project (http://www.migrhycar.com) was initiated to provide decisional tools for risks connected to oil spills in continental waters (rivers, lakes and estuaries), which represent more than 50% of accidental spills in France. This work joins within the framework of this project and aims at the study of the behavior of hydrocarbons in a controlled environment for continental waters. For that purpose, the work proposes an experimental approach at laboratory scale to study the phenomena acting in oil spill: dissolution, spreading, evaporation and volatilization. The experimental data allowed establishing a reference database, which will serve as support in tools of oil spill modeling within the framework of this project.

Les eaux continentales sont des sources de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2)et de protoxyde d’azote (N2O). Dans le but de préciser leur importance dans le bilan global des émissions de gaz à effet de serre (GES), de nombreuses études ont été réalisées afin de quantifier les différents flux de carbone et d’azote les parcourant. Ces flux sont perturbés par la mise en place de barrages sur le lit des fleuves. Peu d’études présentent des bilans de carbone et d’azote complets (apports, exports, flux vers l’atmosphère et enfouissement) pour les lacs de barrages, et elles concernent uniquement des écosystèmes boréaux et tempérés. Suite à la création d’un barrage, de la matière organique (MO) est mise en eau (sols et forêts), elle se dégrade rapidement les premières années suivant la mise en eau puis plus lentement par la suite. L’état de dégradation de la MO et la principale source de GES dans un lac de barrage près de 20 ans après la mise en eau sont souvent méconnus. L’étude réalisée 18 ans après la mise en eau du lac de Petit Saut (Guyane Française) est la première étude où les principaux éléments des cycles du carbone et de l’azote d’un lac de barrage hydroélectrique, et de son fleuve en aval, situé en climat équatorial et dont la création a entraîné la mise en eau de forêt primaire, sont étudiés près de 20 ans après la mise en eau. Cette étude se base sur (i) la mesure mensuelle de la qualité des eaux et des concentrations en carbone et azote en amont, dans, et en aval du lac de barrage, (ii) la mesure et/ou le calcul des différents flux de GES vers l’atmosphère, (iii) des données de la signature isotopique et de l’état de dégradation de la MO en amont, dans, et en aval du lac, (iv) des prélèvements de sédiments et de troncs d’arbres ennoyés en 1994 et (v) des incubations d’eau du fleuve, de sédiments et de troncs d’arbres du lac. L’ensemble des données collectées au cours des 12 mois de campagnes réalisées en 2012 - 2013 nous a permis de déterminer que (i) les sols inondés sont toujours des sources significatives de GES contrairement aux troncs d’arbres ennoyés, (ii) dans le lac 84 % des émissions de CH4 et 51 % des émissions de CO2 ont lieu dans la zone littorale (< 10 m de profondeur), (iii) 54 % du CO2 produit dans le fleuve en aval provient de la dégradation de la MO apportée par le lac. Cette étude nous a aussi permis de réaliser des bilans de carbone et d’azote à Petit Saut et un bilan des émissions de chacun des GES émis (CH4, CO2, N2O) près de 20 ans après la mise en eau. / Inland waters are sources of methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O). In order to define their importance in the global balance of greenhouse gases (GHG) emissions, numerous studies have been conducted to quantify the different fluxes of the carbon and nitrogen browsing them. These fluxes are modified by the creation of dams on river beds. Few studies present full carbon and nitrogen balances (inputs, outputs, fluxes to the atmosphere and sequestration) for reservoirs, and they concern only boreal and temperate ecosystems. The creation of a dam floods organic matter (OM) (soils and forests), which is rapidly degraded the first years following the impoundment and thereafter more slowly. The state of degradation of the OM and the main source of GHG in a reservoir nearly 20 years after impoundment are often unknown. The study conducted 18 years after the impoundment of the Petit Saut Reservoir (French Guiana) is the first study where the main elements of carbon and nitrogen cycles of an hydroelectric reservoir, and its river downstream, located in equatorial climate and which creation resulted in the flooding of primary forest, are studied nearly 20 years after impoundment. This study is based on (i) a monthly measurement of water quality and carbon and nitrogen concentrations upstream, in, and downstream of the reservoir, (ii) measurements and/or calculations of the different fluxes of GHG through the atmosphere, (iii) data of the isotopic signature and of the state of degradation of OM upstream, in, and downstream of the reservoir, (iv) sediments and 1994’s flooded tree trunks sampling and (v) incubations of downstream river water, sediments and tree trunks from the reservoir. All the data collected during the 12 months of campaigns carried out in 2012 - 2013 allowed us to determine that (i) flooded soils are still significant sources of GHG unlike flooded tree trunks, (ii) in the reservoir 84 % of CH4 emissions and 51 % of CO2 emissions occur in the littoral zone (< 10 m depth), (iii) 54 % of the CO2 produced in the river downstream of the dam come from the degradation of the OM provided by the reservoir. This study also allowed us to achieve carbon and nitrogen balances in Petit Saut and emission balance of each GHG emitted (CH4, CO2, N2O) nearly 20 years after impoundment.

Alors que depuis un peu plus de 2000 ans, le niveau moyen de la mer a peu varié, ce niveau s'est élevé d'environ 2 mm/an au cours du 20ème siècle. Cette hausse soudaine est attribuée au réchauffement climatique d'origine anthropique enregistré depuis plusieurs décennies. Depuis une douzaine d'années, on mesure de façon globale et précise les variations du niveau de la mer grâce aux satellites altimétriques Topex/Poseidon et Jason-1. Ces observations indiquent une hausse moyenne globale d'environ 3 mm/an depuis 1993, valeur sensiblement plus grande que celle des dernières décennies. <br />Diverses observations disponibles depuis peu nous ont permis de quantifier les contributions des divers facteurs climatiques à la hausse observée du niveau de la mer : expansion thermique de la mer due au réchauffement des océans, fonte des glaciers de montagne et des calottes polaires, apport d'eau des réservoirs continentaux. Le bilan de ces nouvelles observations nous permet d'expliquer en partie la hausse observée du niveau de la mer. En particulier, nous montrons que l'expansion thermique des océans n'explique que 25% de la hausse séculaire du niveau de la mer enregistrée par les marégraphes depuis 50 ans, tandis qu'elle contribue à la hauteur de 50% à la montée du niveau marin au cours de la dernière décennie. Parallèlement, des études récentes estiment que la fonte des glaciers de montagne et des calottes polaires pourraient contribuer pour environ 1 mm/an à l'élévation du niveau de la mer au cours de la dernière décennie. <br />De plus, la forte variabilité régionale des vitesses d'évolution du niveau de la mer révélée par les observations altimétriques de Topex/Poseidon résulte en grande partie de l'expansion thermique. Nous mettons également en lumière l'importante variabilité spatio-temporelle décennale de l'expansion thermique des océans au cours des 50 dernières années, qui semble dominée par les fluctuations naturelles du climat. De plus nous posons pour la première fois la question du lien qui existe entre les fluctuations décennales de l'expansion thermique des océans et la contribution climatique des eaux continentales au niveau de la mer. Enfin, une analyse préliminaire des observations gravimétriques de la mission spatiale GRACE sur les océans nous permet d'évaluer les variations saisonnières du niveau moyen de la mer liées aux variations du bilan de masse d'eau des océans.