La variabilité climatique et les événements extrêmes associés comme le phénomène El Niño (ENSO) représentent les épisodes les plus difficiles à gérer dans le Versant Pacifique Péruvien. En outre, une préoccupation croissante sur la disponibilité en eau a lieu depuis les années 1970s. Une documentation approfondie des régimes de précipitations et des débits est un élément clé de tout plan de gestion de l'eau et notre recherche est la première étude sur la variabilité hydroclimatique à l'échelle mensuelle et annuelle dans la zone d'étude au cours des quatre dernières décennies (période 1970-2010). Tout d'abord, un traitement de base de données exhaustif a été effectué pour surmonter certaines limitations et notamment celles liées aux conditions géographiques des Andes. Deuxièmement, le régime des précipitations a été étudié avec une approche de régionalisation liée aux conditions de séries temporelles non stationnaires. Une méthode mixte associant la méthode des clusters k-means et la méthode du vecteur régional a été proposée. Neuf régions ont été identifiées avec des régimes homogènes de précipitation tenant compte d'un gradient latitudinal et altitudinal. Un bilan hydroclimatique a ensuite été fait à l'échelle de bassin versant, abordant la problématique du climat et de l'anthropisation et leurs influences potentielles sur les séries chronologiques hydroclimatiques. Le cadre théorique de Budyko-Zhang a été utilisé et a permis d'identifier 11 des 26 bassins versants à faible influence climatique et anthropique (i.e. des conditions quasi-naturelles). Le régime des débits a ensuite été étudié pour ces conditions et une extension pour l'ensemble des 49 bassins versants de la zone d'étude a été effectuée. Un modèle hydrologique régional est proposé via deux modèles conceptuels agrégés à l'échelle de temps annuelle et mensuelle (GR1A et GR2M respectivement). Un test d'échantillonnage différentiel (DSST) a été utilisé pour améliorer la robustesse de la modélisation par rapport aux conditions climatiques contrastées entre années sèches et humides dans les conditions semi-arides. Enfin, la portée de la thèse couvre (1) une revisite de la relation ENSO/précipitation en prenant en compte les neuf régions identifiées et de plusieurs indices ENSO afin de discriminer l'influence des deux types d'El Niño (El Niño du Pacifique Est EP et du Pacifique Central CP) ainsi que l'influence de la variabilité atmosphérique (i.e. l'oscillation Madden et Julian) et aux conditions océaniques régionales. La méthodologie proposée consiste en l'analyse des composantes principales, ondelettes et de cohérence, les corrélations glissantes et l'analyse de la covariance spatiale afin de mettre en évidence la modulation décennale significative du phénomène ENSO ainsi que sa croissance à partir des années 2000s où la relation ENSO/précipitations s'inverse par rapport à la décennie précédente. Les deux modes de co-variabilité dominants entre la température superficielle de la mer dans le Pacifique tropical et les neuf régions montrent des caractéristiques dominantes de l'influence de l'ENSO: une augmentation des précipitations sur les régions aval dans le nord pendant El Niño EP et une diminution des précipitations sur les régions amont le long des Andes lors des événements El Niño CP. (2) La sensibilité au changement hydroclimatique est explorée via l'analyse des tendances hydroclimatiques comme indicateurs de changement de l'hydroclimatologie régionale. Les résultats montrent un réchauffement important dans la zone d'étude avec une moyenne de 0,2°C par décennie. En outre, les changements dans les trajectoires dans l'espace de Budyko (i.e. direction et amplitude) ont révélé que six bassins versants étaient sensibles à la variabilité du climat (i.e. probablement avec une grande sensibilité au climat futur) et aux changements d'utilisation du sol et où les précipitations et la température sont les facteurs prépondérants du changement de ces environnements. / Climate variability and associated extreme events as El Niño phenomenon (ENSO) represent the most difficult episodes to deal with along the Peruvian Pacific slope and coast. In addition, a growing water concern takes place since seventies. In-depth documentation of precipitation and runoff regimes becomes a key part in any water management plan and this research offers the first hydroclimatic variability study at monthly and annual time step in the study area over the last four decades (1970?2010 period). First, an exhaustive database treatment was carried out overcoming some limitations due to Andean geographical conditions. Second, precipitation regime was studied with a regionalization approach under non-stationary time-series conditions. A combined process consisting in k-means clustering and regional vector methodology was proposed. Nine regions were identified with a homogeneous precipitation regime following a latitudinal and altitudinal gradient. Third, a hydroclimatic balance is done at catchment-scale addressing the issue of climate and anthropogenization and their potential influences over hydroclimatic time series. The theoretical Budyko-Zhang framework was used and allowed identifying 11 out of 26 catchments with both low climate and anthropogenization influence (i.e. unimpaired conditions). This hypothesis was verified with the use of land use and land cover remote sensing products as MODIS and LBA imagery. Then, runoff regime was studied under unimpaired conditions and an extension over 49 catchments of the Peruvian Pacific drainage was done. A regional runoff model is proposed via two conceptual lumped models at annual and monthly time scale (GR1A and GR2M respectively). A Differential Split-Sample Test (DSST) was used to cope with modelling robustness over contrasted climate conditions as dry and wet years according to the semi-arid conditions. These results also showed an increasing regional discharge from arid Peruvian Pacific coast towards the Pacific Ocean. Finally, the scope of the thesis covers (1) a revisitation of ENSO/precipitation relationship considering the regionalized precipitation and several ENSO indices in order to discriminate the influence of the two types of El Niño (the eastern Pacific (EP) El Niño and the central Pacific (CP) El Niño) as well as the influence of large-scale atmospheric variability associated with the Madden and Julian Oscillation, and of regional oceanic conditions. The proposed methodology consisting in principal component analysis, wavelets and coherence, running correlations and spatial covariance analysis, highlights the significant decadal modulation with the larger ENSO impact in particular in the 2000s, ENSO/precipitation relationship reverses compared to the previous decade. The two dominant co-variability modes between sea surface temperature in the tropical Atlantic and Pacific oceans and the nine regions show salient features of the ENSO influence: increased precipitation over downstream regions in northern Peru during EP El Niño and decreased precipitation over upstream regions along the Pacific slope during CP El Niño events. (2) The sensitivity to hydroclimatic change is explored by hydroclimatic trend analysis as changes indicators of regional hydroclimatology. According to significant upward trends in annual temperature found in all catchments, results showed a significant warming in the study area with a mean of 0.2°C per decade. Also, changes in trajectories in the Budyko space (i.e. direction and magnitude) over the 11 selected catchments revealed that six catchments were shown to be sensitive to climate variability (i.e. likely with high sensitivity to future climate) and land use changes, where precipitation and temperature are the main drivers of these environments changes.

Freshwater is a vital resource that circulates between the atmosphere, the land and the sea. Understanding and quantifying changes to the partitioning of precipitation into evapotranspiration, runoff and water storage change in the landscape are required for assessing changes to freshwater availability. However, the partitioning processes and their changes are complex due to multiple change drivers and effects. This thesis investigates and aims to identify and separate the effects of atmospheric climate change and various landscape drivers on long-term freshwater change. This is done based on hydroclimatic, land-use and water-use data from the beginning of the twentieth century up to present times and across different regions and scales, from catchment to global. The analyzed landscape drivers include historic developments of irrigated and non-irrigated agriculture and flow regulation. The thesis uses and develops further a data-motivated approach to interpret available hydroclimatic and landscape data for identification of water change drivers and effects, expanding the approach application from local to continental and global scales. Based on this approach development, the thesis identifies hydroclimatic change signals of landscape drivers against the background of multiple coexisting drivers influencing worldwide freshwater change, within and among hydrological basins. Globally, landscape drivers are needed to explain more than 70% of the historic hydroclimatic changes, of which a considerable proportion may be directly human-driven. These landscape- and human-driven water changes need to be considered and accounted for also in modeling and projection of changes to the freshwater system on land. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Submitted.</p> / VR, project 2009-3221

Different magnitude, intensity and timing of precipitation can impact runoff, hillslope erosion and transport of sediment along river channels.  Human activities, such as dam construction and surface mining can also considerably influence transport of sediment and sediment-bound contaminants. Many river basins of the world are currently subject to changes in climate at the same time as pressures from other human activities increase. However, because there are often complex interactions between such multiple drivers of change, it is challenging to understand and quantify contributions of individual drivers, which is needed in predictive modelling of future sediment and contaminant flows. This thesis considers sediment transport in the Lake Baikal basin, which is hydrologically dominated by the transboundary Selenga River of Russia and Mongolia. The Selenga River basin is, for instance, subject to climate change and increasing pressures from mining, but process complexity is reduced by the fact that the river basin is one of few large basins in the world that still is essentially undammed and unregulated. A combination of field measurement campaigns and modelling methods are used in this thesis, with the aim to: (i) identify historical hydroclimatic trends and their possible causes, (ii) analyse the spatial variability of riverine sediment loading in the mining affected areas, and (iii) investigate sediment transport and storage processes within river channels and in river deltas. Results show that, during the period 1938-2009, the annual maximum daily flow in the Selenga River basin has decreased, as well as the annual number of high flow events, whereas the annual minimum daily flow has increased. These changes in discharge characteristics are consistent with expected impacts of basin-scale permafrost thaw. Both field observations and modelling results show that changes in magnitude and number of high-flow events can considerably influence the transport of bed sediment. In addition, the average discharge has decreased in the past 20 years due to an extended drought. Under conditions of low flow, metal-enriched sediment from mining areas was observed to dominate the river water. If discharge will continue to decrease in the Selenga River (or other mining-impacted rivers of the world), further increases in riverine metal concentrations may hence be one of the consequences. Furthermore, under current conditions of extended drought, less sediment may have been distributed over the floodplain wetlands in the Selenga River delta. Present estimates, however, show that sediment can still be transported to, and deposited within, the banks and water bodies located in the backwater zone of the Selenga River delta. This can aid bank and levee stabilization, support the development of wetlands and foster net sedimentation.​ / Nederbördens olika magnitud, intensitet och tidpunkt kan påverka ytavrinning, vattenerosion och transport av sediment längs flodkanaler. Mänskliga aktiviteter, som dammkonstruktion och gruvdrift i dagbrott kan också påtagligt påverka transport av sediment och sedimentbundna föroreningar. Många avrinningsområden i världen påverkas för närvarande av klimatförändringar samtidigt som trycket från andra mänskliga aktiviteter ökar. Men eftersom det ofta förekommer komplexa interaktioner mellan sådana multipla orsaker till förändring, är det utmanande att förstå och kvantifiera bidrag från enskilda orsaker, vilket behövs vid prediktiv modellering av framtida sediment- och föroreningsflöden. Denna avhandling behandlar sedimenttransport i Bajkalsjöns tillrinningsområde, som hydrologiskt domineras av den internationella Selengafloden i Ryssland och Mongoliet. Selengaflodens tillrinningsområde är exempelvis påverkat av klimatförändringar och ökat tryck från gruvdrift, men processkomplexiteten reduceras av det faktum att tillrinningsområdet är ett av världens få stora som fortfarande väsentligen saknar dammar och flödesreglering. I denna avhandling används en kombination av fältmätningskampanjer och modelleringsmetoder, i syfte att: (i) identifiera historiska hydroklimattrender och deras möjliga orsaker, (ii) analysera den rumsliga variationen i flodens sedimentbelastning inom de gruvpåverkade områdena, och (iii) undersöka sedimenttransport- och retentionsprocesser inom flodkanaler och i floddeltan. Resultaten visar att det årliga maximala dygnsflödet, liksom det årliga antalet högflödeshändelser, har minskat i Selengafloden under perioden 1938-2009, medan det årliga minimala dygnsflödet har ökat. Dessa förändringar i flödeskaraktäristika överensstämmer med förväntade effekter av storskaligt tinande permafrost. Både fältobservationer och modelleringsresultat visar att förändringar i högflödeshändelsers magnitud och årligt antal kan påverka transporten av bottensediment påtagligt. Dessutom har medelflödet minskat under de senaste 20 åren på grund av långvarig torka. Under lågflöden observerades metallberikat sediment från gruvområdena dominera flodvattnet. Om flödena fortsätter att minska i Selengafloden (eller andra gruvdriftspåverkade floder i världen), kan således ytterligare ökningar av flodvattnens metallkoncentrationer vara en av konsekvenserna. Under den långvariga torka som nu råder mängden sediment som fördelats över våtmarkerna i Selengaflodens delta ha minskat. Sediment beräknas dock fortfarande kunna transporteras till och deponeras inom flodbankar och vattenkroppar i Selengadeltats backwaterområden. Detta kan bidra till stabilisering av bankar och skyddsvallar, stödja våtmarkers utveckling och främja nettosedimentering. / Wielkość, czas trwania oraz intensywność opadów atmosferycznych oddziałuje na charakter odpływu, erozję oraz transport osadów rzecznych. Również ingerencja człowieka w środowisko – np. budowa zapór i zbiorników wodnych, czy górnictwo odkrywkowe – w różnym stopniu może wpływać na transport osadów oraz powiązanych z nimi zanieczyszczeń. Wiele dorzeczy na Ziemi, będących pod wpływem obecnych zmian klimatycznych, jest jednocześnie poddawanych narastającej antropopresji. W celu przewidywania przyszłych zmian w transporcie osadów i powiązanych z nimi zanieczyszczeń, potrzeba dogłębnego zrozumienia i oceny wpływu poszczególnych czynników powodujących te zmiany. Taka analiza jest jednak często utrudniona ze względu na złożone interakcje pomiędzy czynnikami powodującymi zmiany. Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia wyniki badań związanych z analizą transportu osadów rzecznych w zlewni jeziora Bajkał, zdominowanej hydrologicznie transgraniczną rzeką Selengą, przepływającą przez tereny Rosji i Mongolii. Zlewnia rzeki Selengi podlega współczesnym zmianom klimatycznym oraz wzrastającej presji związanej z górnictwem. Złożoność procesów hydrologicznych jest jednak w tym wypadku ograniczona, ponieważ zlewnia Selengi jest jednym z nielicznych, względnie dużych dorzeczy na świecie, którego przepływy są – jak dotychczas – naturalne, nieuregulowane przez żadne zapory lub zbiorniki wodne. Dla poszczególnych celów: (i) identyfikacji historycznych trendów hydroklimatycznych i ich przyczyn, (ii) analizy przestrzennych zmian w transporcie osadów rzecznych w części zlewni dotkniętej górnictwem odkrywkowym oraz (iii) badania procesów transportu i magazynowania osadów w korycie i delcie rzeki; zostały w pracy zastosowane hydrometryczne dane pomiarowe, dane pochodzące z badań terenowych oraz metody modelowania. Wyniki badań wskazują na to, że w latach 1938-2009 zmalały roczne przepływy maksymalne oraz liczba wezbrań, podczas gdy w tym samym czasie wzrosły roczne przepływy minimalne. Powyższe zmiany są zgodne z oczekiwanym wpływem rozmarzania wiecznej zmarzliny na ustrój przepływów rzecznych. Analiza danych pomiarowych oraz wyników modelowania wskazują na to, że obecne zmiany dotyczące liczby oraz wielkości wezbrań mogą znacznie wpłynąć na transport osadów dennych w korytach rzek. Dodatkowo, w ciągu ostatnich 20 lat (1995-2014), średnie roczne przepływy znacznie spadły ze względu na przedłużający się okres suszy na terenie zlewni. Analiza danych terenowych pochodzących z obszarów górniczych wykazała, że podczas obniżonych przepływów, w zanieczyszczonych znaczną ilością metali osadach rzecznych, dominuje materiał pochodzący z działalności człowieka (około 80\% transportowanych osadów). Należy zatem przewidywać, że jeśli obecne zmiany w ustroju przepływów w dorzeczu Selengi (lub w innych podobnych dorzeczach na świecie) będą postępować, to ich następstwem może być dalszy wzrost koncentracji zanieczyszczeń (metali pochodzących z obszarów górniczych) rzek. Ponadto, w obecnym okresie obniżonych przepływów, na terenach zalewowych i jeziorach delty rzeki Selengi zatrzymuje się prawdopodobnie mniej osadów. Wyniki badań wskazują jednak na to, że osady rzeczne mogą być wciąż transportowane do brzegów i obszarów wodnych znajdujących się w strefie, w której stany wodne cieków delty są pod wpływem stanów wodnych jeziora Bajkału. Akumulacja materiału w tych częściach delty Selengi może pozytywnie wpływać na stabilizację naturalnych wałów oraz mokradeł i zwiększać sedymentację netto. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Manuscript.</p>