Alors que certains mécanismes pourtant jugés cruciaux pour la transformation de la pluie en débit restent peu ou mal compris, le concept de connectivité hydrologique a récemment été proposé pour expliquer pourquoi certains processus sont déclenchés de manière épisodique en fonction des caractéristiques des événements de pluie et de la teneur en eau des sols avant l’événement. L’adoption de ce nouveau concept en hydrologie reste cependant difficile puisqu’il n’y a pas de consensus sur la définition de la connectivité, sa mesure, son intégration dans les modèles hydrologiques et son comportement lors des transferts d’échelles spatiales et temporelles. Le but de ce travail doctoral est donc de préciser la définition, la mesure, l’agrégation et la prédiction des processus liés à la connectivité hydrologique en s’attardant aux questions suivantes : 1) Quel cadre méthodologique adopter pour une étude sur la connectivité hydrologique ?, 2) Comment évaluer le degré de connectivité hydrologique des bassins versants à partir de données de terrain ?, et 3) Dans quelle mesure nos connaissances sur la connectivité hydrologique doivent-elles conduire à la modification des postulats de modélisation hydrologique ? Trois approches d’étude sont différenciées, soit i) une approche de type « boite noire », basée uniquement sur l’exploitation des données de pluie et de débits sans examiner le fonctionnement interne du bassin versant ; ii) une approche de type « boite grise » reposant sur l’étude de données géochimiques ponctuelles illustrant la dynamique interne du bassin versant ; et iii) une approche de type « boite blanche » axée sur l’analyse de patrons spatiaux exhaustifs de la topographie de surface, la topographie de subsurface et l’humidité du sol. Ces trois approches sont ensuite validées expérimentalement dans le bassin versant de l’Hermine (Basses Laurentides, Québec). Quatre types de réponses hydrologiques sont distingués en fonction de leur magnitude et de leur synchronisme, sachant que leur présence relative dépend des conditions antécédentes. Les forts débits enregistrés à l’exutoire du bassin versant sont associés à une contribution accrue de certaines sources de ruissellement, ce qui témoigne d’un lien hydraulique accru et donc d’un fort degré de connectivité hydrologique entre les sources concernées et le cours d’eau. Les aires saturées couvrant des superficies supérieures à 0,85 ha sont jugées critiques pour la genèse de forts débits de crue. La preuve est aussi faite que les propriétés statistiques des patrons d’humidité du sol en milieu forestier tempéré humide sont nettement différentes de celles observées en milieu de prairie tempéré sec, d’où la nécessité d’utiliser des méthodes de calcul différentes pour dériver des métriques spatiales de connectivité dans les deux types de milieux. Enfin, la double existence de sources contributives « linéaires » et « non linéaires » est mise en évidence à l’Hermine. Ces résultats suggèrent la révision de concepts qui sous-tendent l’élaboration et l’exécution des modèles hydrologiques. L’originalité de cette thèse est le fait même de son sujet. En effet, les objectifs de recherche poursuivis sont conformes à la théorie hydrologique renouvelée qui prône l’arrêt des études de particularismes de petite échelle au profit de l’examen des propriétés émergentes des bassins versants telles que la connectivité hydrologique. La contribution majeure de cette thèse consiste ainsi en la proposition d’une définition unifiée de la connectivité, d’un cadre méthodologique, d’approches de mesure sur le terrain, d’outils techniques et de pistes de solution pour la modélisation des systèmes hydrologiques. / As core processes of the transformation of rainfall into runoff are not fully understood, the concept of hydrologic connectivity has been put forward to explain why some processes occur episodically, in a very discrete short-lived manner, as a response to intermittent atmospheric water input, storm characteristics and soil moisture storage. Even though emerging as a very powerful tool for explaining the growing numbers of nonlinear hydrologic behaviours documented around the world, the hydrologic connectivity concept raises major issues for future research in catchment hydrology in terms of its definition, its measure, its integration into hydrological models and its scaling in the space and the time domains. The aim of this doctoral work is to precise the definition, the measure, the scaling and the prediction of processes underlying hydrologic connectivity while focusing on the following research questions: (1) What methodological framework should guide investigations of hydrologic connectivity?, (2) How to assess hydrologic connectivity from field data?, and (3) To what extent can the ongoing knowledge acquisition on hydrologic connectivity be used to improve success with hydrological modeling? Three study approaches are discriminated, namely: (i) a black box approach that only relies on rainfall and runoff data without examining the internal catchment behaviour; (ii) a grey box approach based on punctual geochemical data illustrating the catchment internal state; and (iii) a white box approach involving exhaustive spatial patterns of surface and subsurface topographic variables and soil moisture. These three approaches are then tested against field data from the Hermine catchment (Lower Laurentians, Quebec). It is possible to classify the Hermine catchment hydrological responses with regards to their magnitude and their timing, the switching from one response type to another depending on antecedent conditions. It is revealed that high discharge values monitored at the catchment outlet are produced by increased contributions from specific runoff sources, thus hinting towards a reinforced hydraulic linkage and an enhanced degree of connectivity between runoff sources and the stream channel. It is established that saturated areas whose spatial extent exceeds 0.85 ha are critical for high runoff generation. Soil moisture spatial patterns in temperate humid forested catchments are shown to have statistical properties that are very different from those encountered in temperate rangelands; hence the necessity of using different spatial connectivity metrics in these contrasted environments. The co-existence of “linear” and “nonlinear” contributing sources is also illustrated in the Hermine catchment. These results suggest that some concepts should be revised for hydrological modeling purposes. The originality of the present thesis is mainly inherited from its prime focus. The pursued research objectives are in accordance with the future trend in catchment hydrology, especially as hydrologists are urged to move from site-specific experiments and results to more easily generalizable concepts that favour the study of emergent catchment properties such as connectivity. Thus, the major contribution of this thesis is the proposal of a unified definition of connectivity, a comprehensive methodological framework, technical tools and operational ideas for the better performance of hydrological models.

Dans un bassin versant, la connectivité hydrologique constitue un état hydrologique qui lie le versant à la zone riveraine. Ses impacts sur la production du débit et le transfert des éléments dissous vers le cours d’eau sont présumés substantiels. L’étude vise à 1) détecter les hydrotopes et les connexions hydrologiques à l’aide d’un réseau de puits qui permet la mesure des fluctuations de la nappe phréatique (NP); 2) identifier la variabilité spatio-temporelle et la signature géochimique des sources potentielles en eau à l’aide des éléments majeurs et traces et 3) examiner la contribution spatio-temporelle respective des sources en eau du bassin lors d’un événement de précipitation. L’étude s’effectue dans un bassin versant forestier du Bouclier canadien (l’Hermine). Nous démontrons l’existence de quatre hydrotopes représentant un gradient de convergence de l’eau, soulignant la diversité de comportement de NP. Les connexions hydrologiques se caractérisent par des coefficients de Spearman élevés des relations entre la profondeur de la NP et le débit, dans leur partie en aval, et s’enclenchent par le fill and spill. Le comportement de NP est influencé par la distance aux limites du bassin, l’horizonation du sol et la topographie souterraine. En somme, trois sources en eau se connectent à partir du versant vers la zone riveraine durant l’événement pluvial de manière chronologique: 1) les horizons B et la NP de l’ensemble du bassin (Sr); 2) les horizons LFH des zones de convergence (Ba et Zn) et 3) une dépression de sol humide sur le versant nord (Co et Mn). / In watersheds, hydrologic connectivity consists of a hydrologic state that links the upper part of a hillslope to the riparian zone. Its impacts on streamflow generation and transfer of dissolved elements towards the stream are considered substantial. This study aims to 1) detect hydrotops and hydrologic connections with a network of wells that allow measurements of water table (WT) fluctuations; 2) identify spatial and temporal variability and the geochemical signature of potential sources of water with major and trace elements and 3) examine the spatial and temporal contribution of sources of water within the watershed during a storm event. The study takes place in a small forested watershed of the Canadian Shield (the Hermine). We demonstrate the existence of four hydrotops representing a water convergence gradient, highlighting diversity of behavior of the WT. Hydrological connections are characterized by high Spearman coefficients of the relationship between WT depth and streamflow in their downstream portion. Some hydrological connections are engaged by the fill and spill mechanism. WT behavior is influenced by the distance limits of the basin, soil horizonation and subsurface topography. In sum, three water sources connect the hillslope to the riparian zone during the storm event in chronological order: 1) WT and B horizons of the entire basin (Sr), 2) LFH horizons of convergence zones (Ba and Zn) and 3) a depression of wet soil on north hillslope (Co and Mn).