Th.--Pharm.--Paris, 1865?

Th.--Math.--Toulouse--I.N.P., 1978. N°: 35.

L’objectif de cette thèse est d’analyser, à différentes échelles de temps et d’espace, les transferts d’eau depuis la Loire amont jusqu’au Bassin Parisien, et entre la Loire moyenne et sa nappe alluviale. Les méthodes mises en œuvre sont l’étude statistique des débits journaliers en Loire moyenne (148 années de données) et le suivi géochimique (éléments majeurs, ¹⁸O et ²H) de la Loire et de ses affluents des bassins amont. Le suivi piézométrique et géochimique d’un site-atelier (méandre de Guilly, Val d’Orléans) a permis d’étudier finement les relations saisonnières entre la Loire et sa nappe alluviale, entre 2010 et 2012. Les débits annuels à Blois présentent une stabilité temporelle, au-delà de leur variabilité interannuelle. Des évolutions sont, néanmoins, notables dans l’occurrence des saisons hydrologiques et des débits à pleins bords, ou encore les plus faibles débits d’étiage.Si le suivi géochimique n’a pu préciser les apports, hydrologiquement complexes, de l’Allier à la Loire moyenne, l’importance des affluents de la Loire bourbonnaise, en période de hautes eaux, a été mise en évidence, et notamment les apports des affluents drainant le Morvan.En Loire moyenne, le fleuve est connecté à l’ensemble de sa plaine alluviale, à travers ses échanges avec sa nappe d’accompagnement. La nappe alluviale est rechargée par les eaux de la Loire en période de hautes eaux et se décharge lorsque les lignes d’eau s’abaissent. Les forts débits annuels de la Loire sont donc indispensables pour conserver un fonctionnement hydrologique dynamique et abondant.Cette approche globale a permis de démontrer des fonctionnements hydrologiques de la Loire, seulement ressentis jusqu’alors. / The aim of this PhD thesis was to analyze water transfer at several time and spatial scales, from upper Loire River basin to the Paris Basin, and between the middle Loire River basin and the alluvial aquifer. The main approaches were (1) the statistical analysis of hydrological time series of the Middle Loire River (148 years data) and (2) the geochemistry (major elements,¹⁸O et ²H) of the Loire River and its tributaries. At a meander scale along the Middle Loire River, the alluvial aquifer were studied by monitoring the groundwater and the river at hourly time step (2010-2012).The annual discharge data of the Loire River at Blois show an important stability, despite its interannual variability. However, evolutions are observable in the occurrence of hydrological seasons and of full-bank discharge, as well as in smaller low-water flows. Discharge inputs from the Allier River in the Middle Loire River flows could not be shown by geochemical tracers due to the hydrological complexity. Nevertheless, during the high flow periods, the importance of tributary supply is highlighted in the Bourbonnais part of the Loire River, between Roanne and Nevers, in particular the tributaries flowing from the Morvan.The Middle Loire River is connected to the alluvial plain where exchanges occur between the river water and groundwater from the alluvial aquifer. During peak flow events, the aquifer may be recharged by the Loire River while the aquifer discharges when the river water level lowers, regardless of the hydrological season. Such higher annual discharges of the Loire River are necessary to preserve a dynamic and abundant hydrological functioning of the hydrological system.

Ce travail porte sur la construction d'un modèle réduit en hydraulique fluviale avec une méthode de décomposition en polynôme du chaos. Ce modèle réduit remplace le modèle direct afin de réduire le coût de calcul lié aux méthodes ensemblistes en quantification d'incertitudes et assimilation de données. Le contexte de l'étude est la prévision des crues et la gestion de la ressource en eau. Ce manuscrit est composé de cinq parties, chacune divisée en chapitres. La première partie présente un état de l'art des travaux en quantification des incertitudes et en assimilation de données dans le domaine de l'hydraulique ainsi que les objectifs de la thèse. On présente le cadre de la prévision des crues, ses enjeux et les outils dont on dispose pour prévoir la dynamique des rivières. On présente notamment la future mission SWOT qui a pour but de mesurer les hauteurs d'eau dans les rivières avec un couverture globale à haute résolution. On précise notamment l'apport de ces mesures et leur complémentarité avec les mesures in-situ. La deuxième partie présente les équations de Saint-Venant, qui décrivent les écoulements dans les rivières, ainsi qu'une discrétisation numérique de ces équations, telle qu'implémentée dans le logiciel Mascaret-1D. Le dernier chapitre de cette partie propose des simplifications des équations de Saint-Venant. La troisième partie de ce manuscrit présente les méthodes de quantification et de réduction des incertitudes. On présente notamment le contexte probabiliste de la quantification d'incertitudes et d'analyse de sensibilité. On propose ensuite de réduire la dimension d'un problème stochastique quand on traite de champs aléatoires. Les méthodes de décomposition en polynômes du chaos sont ensuite présentées. Cette partie dédiée à la méthodologie s'achève par un chapitre consacré à l'assimilation de données ensemblistes et à l'utilisation des modèles réduits dans ce cadre. La quatrième partie de ce manuscrit est dédiée aux résultats. On commence par identifier les sources d'incertitudes en hydraulique que l'on s'attache à quantifier et réduire par la suite. Un article en cours de révision détaille la validation d'un modèle réduit pour les équations de Saint-Venant en régime stationnaire lorsque l'incertitude est majoritairement portée par les coefficients de frottement et le débit à l'amont. On montre que les moments statistiques, la densité de probabilité et la matrice de covariances spatiales pour la hauteur d'eau sont efficacement et précisément estimés à l'aide du modèle réduit dont la construction ne nécessite que quelques dizaines d'intégrations du modèle direct. On met à profit l'utilisation du modèle réduit pour réduire le coût de calcul du filtre de Kalman d'Ensemble dans le cadre d'un exercice d'assimilation de données synthétiques de type SWOT. On s'intéresse précisément à la représentation spatiale de la donnée telle que vue par SWOT: couverture globale du réseau, moyennage spatial entre les pixels observés. On montre notamment qu'à budget de calcul donné les résultats de l'analyse d'assimilation de données qui repose sur l'utilisation du modèle réduit sont meilleurs que ceux obtenus avec le filtre classique. On s'intéresse enfin à la construction du modèle réduit en régime instationnaire. On suppose ici que l'incertitude est liée aux coefficients de frottement. Il s'agit à présent de juger de la nécessité du recalcul des coefficients polynomiaux au fil du temps et des cycles d'assimilation de données. Pour ce travail seul des données in-situ ont été considérées. On suppose dans un deuxième temps que l'incertitude est portée par le débit en amont du réseau, qui est un vecteur temporel. On procède à une décomposition de type Karhunen-Loève pour réduire la taille de l'espace incertain aux trois premiers modes. Nous sommes ainsi en mesure de mener à bien un exercice d'assimilation de données. Pour finir, les conclusions et les perspectives de ce travail sont présentées en cinquième partie.

Le bassin versant de la Durance assure 10% de la production hydroélectrique française, et alimente en eau potable de nombreuses villes du pourtour méditerranéen. Sa partie alpine contribue à près de la moitié des débits à sa confluence avec le Rhône. Connaître les impacts du changement climatique sur l’hydrologie de la Durance présente donc un enjeu de taille pour l’avenir de la population provençale. A cette fin, les modèles hydrologiques sont devenus des outils indispensables. Cependant, le manteau neigeux, de par sa forte variabilité spatiale, est particulièrement difficile à modéliser. Une attention particulière a été portée à la compréhension des processus nivaux, dominants dans la partie amont du bassin, et à leur représentation dans le modèle de surface continentale CLSM. L'analyse de mesures d’extension et de hauteur du manteau neigeux nous a amenés à modifier le schéma de neige de CLSM, en introduisant une hystérésis dans la relation entre ces deux variables. Nous avons ensuite évalué le potentiel devenir sous changement climatique de l’hydrosystème. Les résultats des simulations de CLSM, réalisées à l’aide de 330 scénarios climatiques, ont été confrontés à ceux de cinq autres modèles hydrologiques. Tous s'accordent sur une baisse significative des débits annuels, avec des modifications du régime hydrologique différentes selon les zones. L’incertitude reste importante sur la magnitude des changements de débits, principalement due aux scénarios climatiques. La part d’incertitude associée aux modèles hydrologiques varie selon les saisons, mettant en évidence une plus grande difficulté à représenter les processus nivaux et ceux liés à l’évapotranspiration. / The Durance watershed, located in the French Alps, generates 10% of French hydropower and provides drinking water to about 3 million people. The upstream part of this catchment, where snowfall accounts for more than 50% of the precipitation, is responsible for almost half of the total runoff whereas it accounts for only 25% of the area. To assess the impacts of climate change on the water resources, hydrological models are now commonly used. The snow cover is, however, difficult to simulate because it is highly variable in both space and time. Therefore, special attention has been given to understanding the snow processes in this alpine environment, and to their representation in a land surface model, the CLSM. The analysis of snow-cover extent and height observations has lead us to modify the snow scheme of the CLSM, by introducing a hysteresis in the snow depletion curve. Then, we quantified the possible evolution of the Durance hydrosystem using 330 climate change scenarios. The results of the CLSM are compared with those of five other hydrological models. All models are in agreement in predicting a significant reduction of discharge with some different modifications of the hydrological regime depending on the different zones of the catchment. Uncertainties remain important concerning the magnitude of discharge changes, mainly due to the climatic scenarios. The uncertainty related to hydrological modelling is indeed low but varies depending on the season. This highlights some of the difficulties in using hydrological models to correctly represent snow processes and evapotranspiration processes especially under water stress.

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Ce mémoire a pour objectif d’approfondir les connaissances scientifiques sur les comportements hydrologiques des bassins versants arctiques et subarctiques. Les rivières drainant ces bassins versants sont parmi les systèmes fluviaux les moins étudiés et compris, étant donné leur vaste étendue et leur localisation éloignée. L’approche utilisée, issue de la discipline de l’hydrologie paysagère, présente une technique de classifications non-supervisées jumelées à des données de télédétection afin de caractériser le comportement hydrologique et les changements à l’échelle du paysage qui se sont produits sur les 35 dernières années dans un bassin versant subarctique de 42 000 km2. Plus précisément, plusieurs analyses géographiques d’image orientées-objet (AGIOO), employant des variables hydrogéomorphométriques et combinées à l’algorithme de classification Fuzzy C-Means, ont été produites, puis comparées afin de classifier et identifier les changements dans le paysage du vaste bassin versant de la Rivière George (BVRG), situé au Nunavik (Canada). Nos résultats indiquent que le BVRG contient deux types distincts de sous-bassins versants typologiquement similaires, distribués selon un gradient latitudinal, mettant en lumière une hétérogénéité spatiale dans les structures des sous-bassins constituant le BVRG. De plus, une expansion du type de bassins versants du sud dans le nord du BVRG est observée depuis les 35 dernières années. Cette expansion est principalement due à une augmentation de la production végétale et de l’humidité contenue dans les sols et la végétation, elle-même induite par une augmentation des températures moyennes annuelles et des précipitations totales annuelles associée aux changements climatiques. Ces changements observés dans la couverture terrestre ont des impacts importants et à long terme sur les processus hydrologiques du BVRG en augmentant les taux d’évapotranspiration. Ce phénomène pourrait expliquer la diminution d’environ 1% des débits annuels observée dans le BVRG entre les années 1970 et 2017. / The objective of this study is to develop scientific knowledge on the hydrological behaviors of Arctic and Subarctic watersheds. Rivers draining high-latitude watersheds are among the least studied and understood fluvial systems, given their large extent and their remote locations. Here we develop a landscape hydrology approach which pairs unsupervised classifications with remote sensing data to characterize the hydrological behavior and landscape scale changes that have occurred over a 42 000 km2 sub-arctic watershed over the last 35 years. More precisely, multiple Geographic Object-Based Image Analysis (GeOBIA), employing hydrogeomorphometric variables and combined to the Fuzzy C-Means clustering algorithm, were produced and then compared to classify and identify landscape change across the vast George River Watershed (GRW), situated in Nunavik (Canada). Our results indicate that the GRW contains two distinct subwatershed types which are distinct in their typology and distributed along a latitudinal gradient, which highlights spatial heterogeneity in the structures of the subwatersheds constituting the GRW. Moreover, an expansion of the southern type subwatersheds in the north of the GRW has been observed since the last 35 years. This expansion is principally due to increases in vegetation production and moisture content in soils and vegetation, themselves induced by increases in mean annual temperature (MAT) and total annual precipitation (TAP) associated with the changing climate in this northern watershed. These land cover changes are likely to have important and long-term impacts on the hydrological processes within the GRW by increasing rates of evapotranspiration. This phenomenon may explain the decrease of about 1% in the George River’s annual discharge observed between the mid-1970s and 2017.

In einer Zeit, in der menschliche Aktivitäten mit geologischen Kräften konkurrieren und sich das Klima ständig verändert, ist das Verständnis hydrologischer Prozesse essenziell. Die Quantifizierung hydrologischer Prozesse ist jedoch aufgrund der räumlichen Heterogenität der Umweltfaktoren, die die zugrunde liegenden Prozesse beeinflussen, eine Herausforderung. Daher wurden in dieser Arbeit eine Reihe gemeinsamer, miteinander verbundener Ansätze oder Technologien entwickelt und in einem Einzugsgebiet mit gemischter Landnutzung, dem Demnitz Millcreek (DMC, 66 km2), getestet. Durch die Anwendung von Datenanalyse, Modelling, Machine-learning und Unmanned-vehicle technologies haben wir nicht nur die hydrologischen Prozesse in diesem repräsentativen Einzugsgebiet entschlüsselt, sondern auch - aus einer breiteren Perspektive - den optimalen Methode zur gemeinsamen Nutzung vorhandener Technologien ermittelt, um Unsicherheiten bei Modellierung dieser Prozesse auf der Ebene des Einzugsgebiets zu verringern. / Understanding hydrological processes is essential in an era when human activities rival geologic-scale forces and the climate consistently changes. However, hydrological quantifications are challenging due to the spatial heterogeneity in environmental drivers of the underlying processes. Therefore in this thesis, a series of common linked approaches or technologies were developed and tested in a mixed-landuse catchment, the Demnitzer Millcreek (DMC, 66 km2). By applying data analysis, distributed modelling, machine-learning, and unmanned-vehicle technologies, we not only unraveled the hydrological processes in this representative catchment, but also from a wider perspective - identified the optimal way to jointly use the existing technologies to reduce the uncertainty in monitoring and modelling these processes at the catchment-scale.

Le bilan hydrique des tourbières forestières est régi par une combinaison complexe de processus hydrologiques. Relativement stable en milieu naturel, ce bilan est facilement bouleversé par les activités d’aménagement forestier qui affectent le couvert végétal. Cette thèse de doctorat avait pour objectif d’étudier certaines interrelations existant entre la productivité forestière, la compétition pour les ressources et l’hydrologie des tourbières forestières du Québec. Le premier chapitre visait à déterminer s’il était pertinent d’utiliser le drainage forestier afin de transformer des pessières noires improductives en sites productifs. Les résultats ont démontré que même si ce traitement avait significativement augmenté la croissance de certains arbres, seul le drainage intensif utilisant des fossés rapprochés permettrait la conversion de tels peuplements. Les quatre autres chapitres visaient à évaluer l’influence de la végétation sur le contrôle des processus hydrologiques et indirectement sur la croissance forestière. La nappe phréatique a été mesurée dans une tourbière forestière pré-mature afin d’évaluer son comportement à la suite du drainage et à la récolte (Chapitre 2). Des mesures comparables ont été effectuées afin de mesurer la remontée de la nappe phréatique causée par l’éclaircie précommerciale sur des sites humides drainées et fortement régénérés (Chapitre 3). Ces deux études ont démontré l’influence significative de la végétation forestière sur le contrôle de la nappe phréatique en milieux forestiers humides. Puisque cette végétation possède une influence évidente sur la nappe phréatique, la croissance d’une tige devrait être favorisée par la présence immédiate de voisins. Le rôle du drainage biologique (Chapitre 4) ainsi que l’effet de la présence de compétition (Chapitre 5) sur la croissance ont été évalués pour des sites drainés. Il a été démontré que le pouvoir de contrôle de la nappe phréatique que possède la végétation est favorable à la croissance forestière, mais uniquement dans certaines situations particulières. Il semble donc pertinent de recommander des pratiques sylvicoles qui préservent une proportion considérable de la végétation sur les tourbières forestières. / The water budget of forested peatland sites is regulated by a complex combination of hydrological processes. Relatively stable in natural environments, this budget is exposed to major changes by forest management activities affecting the tree canopy. This Ph.D. thesis aimed to study the specific interrelations existing between growth and yield of tree species, above-ground competition, and hydrology of Quebec forested peatlands. The first chapter aimed to determine the pertinence of using drainage to transform unproductive black spruce stands into productive ones. Results showed that even if tree growth was significantly increased by drainage, only intensive drainage using narrow ditch spacing would enable stand productivity improvement. The four other chapters intended to evaluate the influence of the vegetation on the regulation of hydrological processes and, indirectly, tree growth. The water table has been monitored on a pre-mature forested peatland site to evaluate its behaviour following drainage and harvesting (Chapter 2). Comparable water table monitoring has been done in densely regenerated post-harvest and drained peatland sites to measure the watering-up after precommercial thinning (Chapter 3). Both studies demonstrated the valuable water table regulation capacities of the treed vegetation in forested peatlands. Since this vegetation has an evident influence on soil growing conditions, tree growth should be affected by the presence of neighbours. The role of biological drainage (Chapter 4) and the presence of competition (Chapter 5) on growth have been evaluated for drained sites. The water table regulation power of the vegetation stratum was found to be favourable to tree growth, but only in specific situations. Management practices that preserve notable amount of vegetation on forested peatland stands seem to be the most pertinent guideline that should be considered in these fragile ecosystems.

Ce travail hydrogeologique est consacré à une zone représentative d'un versant de montagne : chaine de Belledonne .