De nombreux travaux menés durant les quinze dernières années ont permis de montrer le potentiel de l'altimétrie satellitaire radar pour le suivi du niveau des eaux continentales (mers intérieures, lacs, zones d'inondations et grands

Les lacs sont des réservoirs naturels potentiels d'eau douce. Réceptacles d'eaux météoriques ils ne sont plus systématiquement considérés aujourd'hui comme de simple pluviomètre. Véritables lieux de régulation et d'échanges, ils peuvent former des lieux de concentration, accumulateur et véhiculeur de pollutions ou à l'opposé, des milieux de décantation et de dilution favorables à la préservation de la ressource en eau. Cette thèse se focalise sur les aspects quantitatifs et qualitatifs de la réserve en eau douce potentielle du lac Masoko et d'autres lacs volcaniques du Sud Ouest tanzanien pour la plupart peu ou jamais étudiés. Ces travaux ont mis en évidence que, les niveaux et bilans de ces systèmes fermés, sont notamment régis par des échanges avec l'atmosphère positifs dont résultent d'importants flux souterrains et que ces lacs endoréiques, constituent des lieux de dilution. Ces hydro-systèmes présentent également divers degrés et types de minéralisation qui semblent en premier lieu, contrôlés par la contribution d'apports hydrothermaux aux lacs et secondairement par les temps de résidence des eaux lacustres. L'étude des fonctionnements hydrologique et géochimique des lacs du Sud-Ouest tanzanien, sous les conditions hydroclimatiques régionales actuelles (P-E >0), a permis de montrer que le degré de minéralisation des systèmes présentés pourrait s'accroître sous l'influence d'une augmentation de la pluviométrie. Des augmentations de la minéralisation lacustre seraient dans cette région, reliées à des conditions climatiques humides au YD et au LGM, alors qu'elles donnent préférentiellement lieu à des interprétations contraires.

Les techniques de télédétection spatiale constituent un apport majeur pour l'étude des variations de masses d'eau dans les grands bassins fluviaux, en permettant un suivi homogène de ces fluctuations dans l'espace et dans le temps. <br />L'objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles applications hydrologiques au moyen des mesures spatiales acquises par différents types de mission satellitaire : altimétrie radar, imagerie satellitaire, gravimétrie spatiale. L'altimétrie spatiale offre la possibilité d'étudier les variations de niveau d'eau des grands fleuves, des lacs et des zones d'inondation, garantissant ainsi une surveillance continue et globale des eaux de surface. Elle donne aussi accès à des produits hydrologiques nouveaux comme le profil hydrologique ou la pente des fleuves. Elle permet en outre de définir des réseaux limnimétriques nivelés, dont les stations peuvent être définis tant sur les fleuves que sur les zones d'inondation, complémentaires des réseaux in-situ. Combinée à l'imagerie spatiale, l'altimétrie satellitaire a été utilisée pour déterminer les variations de volume d'eau dans les grands bassins fluviaux. Ces paramètres revêtent, en effet, une importance fondamentale pour les hydrologues car le premier est à la base des études hydrodynamiques et le second apporte des contraintes sur la répartition des masses d'eau entre zones inondées et réseau hydrographique, avec des applications au transport des sédiments et à la disponibilité des ressources en eau à l'échelle régionale. Des exemples d'utilisation de ces techniques sont présentés pour les bassins amazoniens et du Mékong. La mission de gravimétrie spatiale GRACE, lancée en mars 2002, fournit, quant à elle, les variations spatio-temporelles des stocks d'eaux continentales (eau des sols et manteau neigeux) et de paramètres hydrologiques dérivés comme l'évapotranspiration. Une analyse de l'évolution des stocks d'eau et de neige est présentée à partir des premiers géoïdes mensuels issus de la mission GRACE, aux échelles globale et régionale, ainsi que le calcul du paramètre d'évapotranspiration, à l'échelle du bassin versant. Ces résultats sont comparés à la variation des volumes d'eau de surface obtenue précédemment pour le bassin du Mékong.

Le travail effectué au cours de cette thèse a consisté à examiner une large gamme de processus liés à la branche continentale du cycle de l'eau à l'aide du modèle de surface ORCHIDEE (ORganising Carbon and Hydrology In Dynamic EcosystEms), des observations in situ et satellites. En utilisant les données de l'altimétrie spatiale Topex/Poséidon et de la mission gravimétrique GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment), j'ai montré que le modèle ORCHIDEE était capable de reproduire les variations saisonnières et interannuelles des réservoirs d'eau sur les continents. J'ai fourni, pour la première fois, une validation à l'échelle globale du bilan d'eau estimé dans ce modèle. Le rôle important des régions tropicales dans la variabilité du climat a aussi été souligné. Au cours de la thèse, dans le but d'étudier les variations lentes (décennales/multi-décennales), j'ai construit une base de données de forçage atmosphérique de longue période, appelé NCC (National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research Corrected by Climate Research Unit), pour les modèles de surface. NCC s'étend de 1948 à 2000 avec une résolution spatiale de 1°x1° et une résolution temporelle de 6 heures. Cette base de données a été validée par les débits des plus grands fleuves du monde et s'est montrée un élément important pour la compréhension de l'évolution des processus continentaux au cours des 50 dernières années. Une des applications de NCC était l'étude de la contribution de l'eau continentale au changement du niveau de la mer. J'ai montré qu'une augmentation de température de l'océan menait à plus d'eau stockée sur les continents, menant à une rétroaction négative sur le niveau de la mer.

La modélisation pluie-débit est une discipline des sciences hydrologiques qui s'intéresse principalement au cycle hydrologique afin d'aboutir à un outil de travail exploitable dans différents domaines. Deux dimensions définissent la modélisation pluie-débit. La première est l'échelle d'espace. Pour différentes superficies, allant d'une maille de quelques mètres carrés au bassin versant de quelques dizaines de milliers de kilomètres carrés, il existe une littérature très riche qui va de la proposition de divers types de modèles jusqu'à la critique de ceux ci. La deuxième dimension est l'échelle de temps. Du pas de temps horaire jusqu'au pas de temps pluriannuel, on trouve dans la littérature de nombreux modèles fonctionnant à chaque pas de temps. Cependant, rares sont les auteurs qui se sont intéressés à la modélisation avec une vue d'ensemble de tous les principaux pas de temps. La présente thèse tente de répondre à une question qui nous semble intéressante : peut-on tirer profit de l'échelle de temps dans la modélisation pluie-débit en vue d'obtenir des modèles plus efficaces et plus cohérents entre eux?<br />Nous nous sommes intéressés dans ce travail de recherche, aux pas de temps pluriannuel, annuel et mensuel. Pour chaque échelle de temps, nous avons procédé à une étude comparative des modèles tirés de la littérature en les testant sur un échantillon de 429 bassins versants de caractéristiques hydro-climatiques très variables. Grâce à des allers-retours entre les pas de temps, nous avons largement amélioré les modèles disponibles pour chaque pas de temps. Ainsi nous avons pu proposer trois modèles conceptuels globaux aux pas de temps pluriannuel, annuel et mensuel. De plus, suite à une vue d'ensemble de ces trois pas de temps, en y ajoutant le pas de temps journalier, nous avons décelé une cohérence dans la présence d'un échange souterrain indiquant clairement qu'un bassin versant est un système qui est ouvert sur toutes les frontières et pas seulement sur celle avec l'atmosphère.

Certains processus écologiques mettent en jeu des transferts latéraux entre parcelles voisines. La maîtrise, par les pratiques agricoles, des problèmes environnementaux qui en découlent impose de coordonner les systèmes de culture dans l'espace, à l'échelle de l'entité spatiale pertinente pour l'analyse du processus en cause. C'est le cas du ruissellement érosif dans les plaines loessiques du nord de l'Europe, dont l'échelle d'étude est le bassin versant. Ce travail de thèse a permis de bâtir une méthodologie d'aide à la conception de modifications des systèmes de culture, au sein des exploitations, dans le but de réduire de ruissellement. La méthode élaborée permet ainsi d'identifier les marges de manoeuvre des agriculteurs pour modifier les systèmes de culture - organisation spatiale des cultures et itinéraires techniques - à partir d'une reconstitution des règles de localisation des cultures sur le territoire d'exploitation et d'organisation du travail.

L'objectif de notre recherche est d'améliorer les performances des modèles pluie-débit par une meilleure prise en compte de l'ETP au sein de ces modèles. Pour cela, l'échantillon de bassins versants étudiés devait représenter diverses conditions climatiques et hydrologiques. L'assemblage des différentes données collectées (pluie, débit et paramètres climatiques) a permis l'élaboration d'un échantillon de 308 bassins versants dont 221 français, 79 nord-américains et 8 australiens. L'avantage de travailler sur un échantillon assez vaste est de tirer des conclusions relativement libres de toute dépendance vis à vis des caractéristiques particulières de tel ou tel bassin. De plus, quatre modèles pluie-débit ont été utilisés: le modèle GR4J et des versions globales des modèles HBV, IHACRES et TOPMODEL. Tout d'abord, une étude de sensibilité de ces modèles pluie-débit à l'entrée d'ETP a été entreprise. Deux aspects ont été traités en particulier. La première motivation était de tester l'impact d'une connaissance fine du climat par rapport à une connaissance des normales (moyennes interannuelles). Les résultats ont confirmé le manque d'utilisation judicieuse de l'information datée contenue dans les formules d'ETP par les modèles pluie-débit. Le deuxième aspect était de tester plusieurs formules pour représenter les variations de l'ETP au sein des modèles pluie-débit. Les résultats ont montré là aussi une faible sensibilité des modèles quant au choix fait pour la formule d'ETP. Nous avons porté en particulier notre attention sur la formule de Penman, couramment utilisée en modélisation, car elle est la plus satisfaisante d'un point de vue physique, à l'échelle de la parcelle. En modélisation pluie-débit, elle est dépassée par d'autres formules plus simples (utilisant moins de données climatiques). Ainsi, nous pouvons parler de la pertinence d'autres formules que Penman pour la modélisation: des formules simples faisant intervenir uniquement la température de l'air sont aussi performantes que la formule de Penman. D'un point de vue opérationnel, ces résultats sont extrêmement rassurants puisqu'ils suggèrent qu'une entrée d'ETP simple à obtenir peut être utilisée à la place de formules d'ETP plus demandeuses en données. Cependant, d'un point de vue scientifique, le constat d'apparente insensibilité des modèles pluie-débit à l'entrée d'ETP est préoccupant. En effet, le modèle semble se contenter d'une représentation extrêmement simplifiée de la demande évaporatoire. Pourtant, il est légitime de penser que le modèle serait plus performant s'il prenait mieux en compte cette information supplémentaire. Les hypothèses avancées pour expliquer la faible sensibilité des modèles à l'entrée d'ETP sont multiples : - S'agit-il d'un phénomène naturel que le modèle retranscrit assez fidèlement ? - Faut-il remettre en cause la structure du modèle, notamment la partie traitant l'évaporation ? - Les formules d'ETP traditionnelles sont-elles inadaptées à la modélisation pluie-débit ? Alors que la première interrogation nous semblait difficile à investiguer, les deux autres étaient plus à la portée d'un utilisateur de modèles pluie-débit conceptuels. Pour cela, nous avons utilisé une approche par données synthétiques d'ETP qui permet notamment de lever toute incertitude sur la pertinence des données d'ETP. Les résultats ont montré que les différences entre ETP datées et interannuelles étaient presque totalement absorbées par les réservoirs de production des modèles pluie-débit. Le modèle se comporte donc comme un filtre passe-bas pour les données atmosphériques, atténuant ainsi la variabilité temporelle des entrées climatiques.

En zone méditerranéenne, d'intenses précipitations automnales sont responsables de crues particulièrement violentes : les crues " éclair ". L'intensité et la variabilité des précipitations ainsi que la complexité des processus hydrologiques responsables de la production des écoulements sur ces bassins limitent la prédictibilité de ces phénomènes. Une meilleure compréhension des processus impliqués dans les réponses hydrologiques des bassins versants et responsables de la variabilité spatio-temporelle des chemins de l'eau peut permettre d'améliorer les modélisations de ce type d'évènement. S'insérant dans le cadre de l'hydrologie spatialisée, cette thèse se propose d'étudier l'apport des potentialités satellitales, et notamment des produits 3D à très haute résolution pour la caractérisation spatiale des bassins et de leurs réseaux hydrographiques, afin d'étudier les origines géomorphologiques des variations spatio-temporelles des réponses hydrologiques et en vue d'améliorer la compréhension des mécanismes responsables des épisodes de crue. Pour cela, ce travail s'articule autour de deux axes. Le premier consiste à caractériser, à partir de données spatiales, le drain " potentiel " représentant le réseau géomorphologique sec formé par la suite continue des lignes de thalweg des bassins. Un algorithme original utilisant une structure de MNT sous forme triangulaire (TIN) a été développé spécifiquement dans ce but, afin d'obtenir un tracé des réseaux fidèle à leur tracé réel et de fournir des éléments sur leur géomorphologie ainsi que sur celle des bassins. Le deuxième axe concerne l'étude de la dynamique drain en eau ou " réel ". Il s'agit d'améliorer la compréhension des dynamiques spatiales de mise en eau des drains à travers différents épisodes de crue. Dans ce cadre, un réseau spatialisé de capteurs légers a été distribué sur deux bassins expérimentaux (< 1Km²) situés sur le Gardon d'Anduze afin de suivre les variations spatio-temporelles des dynamiques hydrologiques au sein des réseaux en eau. La confrontation des caractéristiques géomorphologiques et des réponses hydrologiques observées a permis de confirmer la prédominance des écoulements sub-surfaciques sur les bassins étudiés, de mettre en évidence deux types de réseaux aux fonctionnements différenciés (le réseau principal et le réseau secondaire), l'importante influence des pentes et de leur changement sur l'initiation et la pérennité des écoulements au sein des réseaux, et de proposer des hypothèses de fonctionnements différenciés en fonction des épisodes.

Le lien entre la variabilité spatiale de la pluie et la réponse hydrologique des bassins versants devient un sujet important au moment où l'usage des images radar météorologique se développe. Ce développement soulève la question suivante : quel niveau de détails faut-il prendre en compte pour la distribution spatiale des précipitations en modélisation pluie-débit ? Cette question a été abordée par de nombreuses études mais aucune conclusion claire n'a encore été établie. L'objectif de cette thèse est d'évaluer dans quel contexte une connaissance détaillée des précipitations est pertinente pour la modélisation des débits à l'exutoire de bassins versants de quelques dizaines à quelques centaines de km² et, ceci, en procédant par simulation. Afin de limiter les erreurs de modélisation et de mesure de pluie, de contrôler la variabilité spatiale des précipitations ainsi que les caractéristiques et le fonctionnement hydrologique des bassins versants, une chaîne de simulation, comprenant un simulateur de pluie, un simulateur de bassins versants et un modèle pluie-débit distribué, a été utilisée. Deux niveaux de connaissance des champs pluvieux ont été considérés : une connaissance détaillée et une moyennée. Les résultats des tests réalisés indiquent que la prise en compte de la variabilité spatiale des champs pluvieux peut représenter une plus-value pour estimer les débits, plus-value qui est cependant dépendante des caractéristiques des champs pluvieux et des bassins versants. Une étude de cas, effectuée sur un vrai bassin versant et en utilisant des champs pluvieux mesurés par radar, nous a permis d'aborder la vérification de la pertinence des résultats obtenus par simulation.

Le problème de la caractérisation du transport conservatif d'un traceur est étudié dans les systèmes ou les conditions hydrodynamiques sont susceptibles de varier. L'approche utilisée est une approche dite système faisant référence à l'espace occupé par le traceur au cours de son transfert. La conception d'un modèle de transformation des réponses impulsionnelles, déterminées à partir de traçages artificiels, en fonction des conditions hydrodynamiques, permet d'obtenir la réponse en concentration d'un système à une entrée quelconque en masse. La méthode de transformation établie s'applique aux systèmes non stationnaires, mais linéaires. Elle nécessite également une indépendance entre l'espace occupé par le traceur au cours de son transfert et les conditions hydrodynamiques auxquelles ce dernier peut être soumis. Pour des systèmes à volume constant, des applications en colonnes ont montré les limites de la méthode de transformation des réponses impulsionnelles; ces dernières étant liées, en particulier, à des phénomènes de densité du traceur dans un tube uniquement rempli d'eau. En milieu crayeux granulaire, les phénomènes d'adsorption ou de diffusion matricielle de traceur sont des facteurs de non-linéarite qui limitent également les applications dans une gamme de débit relativement étroite. L'utilisation de la méthode de transformation, pour des traçages réalisés sur le système karstique de l'ouysse du causse de gramat (lot, france), a permis de montrer la validité d'applications pour des périodes hydrodynamiques différentes. On se gardera néanmoins pour les milieux karstiques, de généraliser les transformations à toute la gamme des débits auquel ce dernier peut être soumis. En effet, les conditions hydrodynamiques peuvent modifier les écoulements et par conséquent le systeme-tracage