L'objectif de cette thèse est de mettre en évidence la relation climat/bilan hydrologique. Pour une meilleure analyse de la relation pluie/débit, une spatialisation pluviométrique est faite à partir de l'interpolation, en tenant compte de l'altitude et des coordonnées géographiques des stations.L'impact de la variabilité pluvio-hydrologique et de la dynamique des états de surface sur la sédimentation est aussi examiné.La variabilité des écoulements et la dynamique sédimentaire dans le bassin-versant Mono-Ahémé-Couffo pendant la période 1961-2000 dans un contexte de gestion intégrée des ressources en eau (GIRE) ont été analysées, en fonction des lames d'eau précipitées, des effets de lâchers d'eau du barrage de Nangbéto mis en service depuis septembre 1987, de la dynamique des états de surface et du substratum géologique (socle et grès) en place. L'approche combinée de l'utilisation des données météorologiques, hydrologiques, d'occupation du sol, sédimentologiques, associées aux études antérieures et aux observations de terrain, ont permis de développer des méthodes statistiques efficaces pour atteindre les objectifs fixés pour cette étude.Les résultats montrent que les déficits pluviométriques des décennies 1970 et 1980 ont multiplié par 4les déficits de l'écoulement, avec pour conséquence un déficit de la recharge. Mais, avec la légère reprise pluviométrique (3 %) de 1988 à 2000 par rapport à la sous-période 1965-1987, on assiste à un excédent d'écoulement de 0,1 % sur le Couffo et 37 % sur le Mono. Les effets du barrage de Nangbéto se traduisent par une augmentation de 97 % des débits d'étiage alors que les débits de crue ont connu une baisse de 3 %. Ceci montre le rôle joué par le barrage de Nangbéto sur le débit d'écoulement et l'atténuation des inondations et par conséquent une pérennisation de l'écoulement en aval du bassin.L'utilisation du modèle GR2M se révèle assez efficace à simuler les débits moyens malgré l'influence des lâchers d'eau du barrage de Nangbéto.En revanche les faibles coefficients d'écoulement et la faible corrélation entre écoulement et recharge,montrent que la précipitation ne constitue pas le seul paramètre expliquant le fonctionnement hydrologique du bassin, mais qu'interviennent aussi le substratum géologique et les états de surface.Ces derniers déterminent l'aptitude des sols à l'infiltration, au ruissellement et à l'érosion. De 1956 à2000, on note une évolution régressive des formations végétales naturelles au profit des formations anthropiques, du fait des pratiques agricoles. Cette pression humaine a entraîné une diminution de plus de 60 % des formations de forêts et de savanes arborées, qui jouent un rôle modérateur sur l'écoulement, facilitent l'infiltration et ralentissent les apports solides vers les lits des cours d'eau.Leur dégradation entraînerait donc une augmentation de l'écoulement et de l'évaporation au détriment de l'infiltration, accélérant le déficit des réservoirs souterrains ainsi que l'érosion et donc la sédimentation.À cet effet, la variation pluvio-hydrologique, associée à la dégradation actuelle des unités paysagiques, a contribué à l'augmentation des charges solides dans le bassin, dont les plus importantes parviennent au lit en période des hautes eaux, et occupent seulement 8 % de ce temps.Ces apports sont à la fois d'origine continentale et marine, dont les plus importants sont ceux drainés par les cours d'eau. Ils ont contribué à la réduction des superficies des plans d'eau de 4 % dans la basse vallée. Avec les apports du Mono avant la construction du barrage de Nangbéto, le système lagunaire se comble de 1,6 mm.an-1 et pourrait engendrer, la destruction de la biocénose et donc la disparition des ressources halieutiques.

En Europe, les crues éclair affectent principalement les régions méditerranéennes et montagneuses. Les bassins concernés sont le plus souvent de petite taille. Anticiper ce type d'événements demeure un exercice ardu parsemé de multiples difficultés. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet commun à IRSTEA et Météo-France (projet RHYTMME) et ses deux objectifs sont :l'adaptation de modèle hydrologique de la méthode AIGA aux régions montagneuses, en tenant compte des caractéristiques de cet environnement ;l'évaluation du nouveau modèle sur des bassins de petite taille, qui sont réellement non-jaugés.Pour atteindre le premier objectif, le modèle est complexifié (prise en compte de la neige), testé sur 118 bassins versants jaugés et régionalisé. Quant au second but, des relevés de dégâts, issus de la base de données des services de Restauration des Terrains en Montagne (RTM), sont utilisés afin d'évaluer le modèle sur 123 très petits bassins dans des conditions aussi proches que possible de la réalité du terrain.Pour réaliser ce second objectif, une méthode d'évaluation est développée, fondée sur des statistiques de contingence, illustrant la concomitance entre dégâts observés et dépassement de seuil des débits simulés. Il est proposé un graphe renseignant le taux de détection (POD) et le taux de succès (SR) pour différents seuils simultanément à l'instar des courbes de ROC. Le principal résultat est qu'une évaluation sur bassins jaugés est une première étape nécessaire mais pas suffisante. En effet, les travaux illustrent le fait que les meilleurs modèles sur les bassins jaugés ne le sont pas forcément sur les petits bassins non-jaugés, sujets aux crues éclair.

Dans un contexte où des millions de personnes dépendent de la ressource en eau exposée au caprice de la mousson en Afrique de l'Ouest, ce travail de thèse vise à mieux appréhender les processus hydrologiques en zone de socle, et notamment à évaluer le rôle de la redistribution latérale de l'eau dans le sol par les interactions entre les réservoirs souterrains, la végétation et l'atmosphère, par la caractérisation et la modélisation à l'échelle de la parcelle et du versant. Ce travail s'appuie sur le dispositif expérimental déployé dans le petit bassin versant de l'Ara dans le cadre de l'observatoire AMMA-CATCH. La mise en oeuvre du modèle ParFlow-CLM permet de simuler les transferts dans la zone saturée et la zone non saturée par la résolution de l'équation de Richards en 3D, en étant conditionné par un forçage atmosphérique en surface. Après avoir identifié les paramètres influents pour les transferts verticaux, une caractérisation spatiale de ces paramètres a été menée. La configuration du modèle a ensuite été évaluée en 1D. Il est montré que le modèle reproduit de manière pertinente les séries temporelles du bilan d'énergie et la distribution de l'eau dans le sol. L'effet de la variabilité spatiale des paramètres hydrodynamiques est ensuite étudié à l'échelle de la parcelle. Enfin, en incluant les géométries de socle connues et une distribution de végétation, les transferts horizontaux souterrains sont mis en évidence avec la formation de zones sèches ou humides en relation avec des distributions spatiales d'évapotranspiration.

La densification actuelle de l'urbanisation conduit à un changement d'occupation du sol et du réseau de drainage en zone péri-urbaine. L'écoulement est concentré dans des fossés ou des réseaux d'assainissement et ainsi accéléré. Ces phénomènes peuvent avoir des conséquences importantes pour les nappes et les cours d'eau, comme par exemple l'aggravation des crues et des sécheresses et l'altération de la qualité chimique et/ou biologique du milieu. Sous la pression réglementaire (Directive Cadre Européenne sur l'Eau) et la demande sociale, les gestionnaires sont donc confrontés à des choix complexes en terme d'aménagement. Ainsi, il est nécessaire de mettre au point des méthodes et des modèles capables de quantifier l'impact de l'augmentation de l'urbanisation sur la vulnérabilité des hydro-systèmes péri-urbains. Dans ce travail, nous formulons l'hypothèse qu'une modélisation hydrologique spatialisée continue, prenant explicitement en compte les objets des paysages périurbains (parcelles urbaines, agricoles, forestières, haies,..) et les éléments déterminant les chemins de l'eau (topographie, mais aussi réseaux d'assainissement ou de routes) peut aider à comprendre et hiérarchiser le rôle des différents objets du paysage sur la réponse hydrologique. Pour ce faire, le modèle distribué PUMMA (Peri-Urban Model for landscape Management) adapté aux bassins versants péri-urbains, a été développé dans le cadre de cette thèse. Il consiste en une intégration du modèle existant URBS, décrivant des processus hydrologiques urbains à l'échelle d'une parcelle cadastrale, dans la plate-forme de modélisation LIQUID, qui contient déjà des modules représentants des processus hydrologiques en zone rurale. PUMMA a également été complété par de nouveaux modules simulant les déversoirs d'orage, les bassins de rétention et le transfert du ruissellement de surface. Le modèle suit une approche orientée objet dans laquelle le paysage est divisé en mailles irrégualières, correspondant aux parcelles cadastrales en zone urbaine et aux unités de réponse hydrologiques (HRUs) en zone rurale. Afin de pouvoir appliquer le modèle à l'échelle d'un bassin versant, des méthodes automatiques pour la préparation des données géographiques ont été mises au point. De plus, une méthode a été développée pour déterminer les contours de bassins versants péri-urbains, en distinguant les surfaces contributives de temps sec et humide. Le modèle a été appliqué au bassin versant de la Chaudanne, un sous-bassin de l'Yzeron, situé en zone péri-urbaine lyonnaise pour deux années en conditions contrastées (sèche et humide). Les paramètres du modèle ont été spécifiés à partir des observations disponibles et des données de la littérature. Les résultats montrent un comportement du modèle réaliste et une aptitude à représenter les comportements différents en période sèche et humide, en lien avec des degrés de saturation des sols différents, même si les pics de débits d'été sont en général surestimés. Différents tests de sensibilité sur certains processus/paramètres montrent l'importance des processus urbains sur la réponse hydrologique du bassin, comme en particulier la génération de ruissellement de surface par les surfaces imperméables et naturelles urbaines, le drainage de l'eau du sol par les réseaux d'assainissement et les connexions entre les îlots urbains et le réseau hydrographique naturel et artificiel. L'épaisseur des sols et la conductivité hydraulique à saturation latérale jouent aussi un rôle important sur la dynamique du débit de base. Nous montrons aussi le potentiel du modèle pour tester différents scenarii d'aménagement ou de gestion des eaux pluviales.

Les bassins périurbains, constitués de zones urbaines, agricoles et naturelles, sont des bassinsversants complexes à étudier. L’augmentation des surfaces imperméables et les modifications deschemins d’écoulement par les réseaux d’assainissement influencent leur hydrologie. Ces modificationssont notamment liées aux choix de modes de gestion des eaux pluviales : réseaux unitaires,réseaux séparatifs, infiltration à la parcelle, etc. La modélisation hydrologique spatialisée, quirend compte de l’hétérogénéité des bassins versants, est un outil permettant d’évaluer les différentsenjeux en termes d’occupation du sol et de gestion des eaux pluviales. Cependant, peu demodèles ont été construits pour être appliqués aux bassins périurbains, à l’échelle des gestionnaires(˜ 100 km2) et pour des simulations sur de longues périodes (> 10 ans). La modélisationhydrologique doit donc être adaptée afin de mieux capter les spécificités des milieux périurbainstelles que l’hétérogénéité de l’occupation du sol et la connexion de certaines zones urbaines à unréseau d’assainissement.Ce travail de thèse a consisté à développer un nouvel outil de modélisation adapté à ces problématiques: le modèle distribué horaire J2000P. Ce modèle simule les processus hydrologiquesen milieux ruraux et urbains et prend en compte les réseaux d’assainissement, les connexionsà ces réseaux et les déversements des déversoirs d’orage (DO). Le modèle a été mis en oeuvresur le bassin périurbain de l’Yzeron (˜ 130 km2), situé à l’ouest de Lyon. L’évaluation, effectuéeà l’exutoire de différents sous-bassins de tailles et d’occupations du sol différentes, montre desrésultats très encourageants. Le modèle a tendance à sous-estimer le débit mais la dynamiquedes pics est bien représentée tout comme le déversement des DO. Suite aux résultats de l’évaluation,une analyse de sensibilité « pas à pas » du modèle a été réalisée et différentes hypothèsesde fonctionnement du bassin ont été formulées pour améliorer la compréhension du modèle etdes processus représentés. Le modèle a ensuite été utilisé pour tester l’impact de modificationsde l’occupation des sols et/ou de la gestion des eaux pluviales sur la réponse hydrologique. Lemodèle montre que la gestion de l’occupation du sol a moins d’influence sur l’hydrologie dubassin que la gestion du réseau d’assainissement. / Growing urbanization and related anthropogenic processes have a high potential to influencehydrological process dynamics. Typical consequences are an increase of surface imperviousnessand modifications of water flow paths due to artificial channels and barriers (combined and separatedsystem, sewer overflow device, roads, ditches, etc.). Periurban catchments, at the edgeof large cities, are especially affected by fast anthropogenic modifications. They usually consistof a combination of natural areas, rural areas with dispersed settlements and urban areas mostlycovered by built zones and spots of natural surfaces. Spatialized hydrological modeling tools, simulatingthe entire hydrological cycle and able to take into account the important heterogeneityof periurban watersheds can be used to assess the impact of stormwater management practiceson their hydrology.We propose a new modeling tool for these issues : the hourly distributed J2000P model.This model simulates the hydrological processes in rural and urban areas and takes into accountthe sewerage networks, connections to these networks and overflows from sewer overflow devices(SOD). The application site is the Yzeron catchment (˜ 130 km2), located in the West of Lyon.The evaluation, conducted at the outlet of different sub-basins with different sizes and landuse, shows very encouraging results. The model tends to underestimate the discharge but thedynamics of the peaks and the SOD overflows are well simulated. The model is also used to testthe impact of changes in land use and/or stormwater management on the hydrological response.The results show that land use management has less impact on the hydrology of the catchmentthan stormwater management.

Les zones intertropicales sont caractérisées par des précipitations très variables dans l'espace et le temps qui peuvent produire sur une même région des conditions de sécheresse prolongées entrecoupées d'événements pluviométriques intenses. Ces extrêmes secs et humides peuvent provoquer des pénuries d’eau ou des inondations, mettant en péril des populations souvent très vulnérables aux aléas climatiques. C'est particulièrement le cas de l'Afrique de l'Ouest qui, dans un contexte de conditions sèches dominantes depuis les années 1970, subit ces deux dernières décennies un nombre croissant d'inondations. Face à un réchauffement climatique déjà bien réel, mais qui va se renforcer avec des conséquences sur le cycle de l'eau encore très incertaines, il est nécessaire de mieux comprendre comment la variabilité climatique – et en l’occurrence plus spécifiquement la variabilité pluviométrique, impacte la variabilité hydrologique. On dispose pour cela de modèles numériques de surface qui représentent de façon explicite les principaux processus intervenant dans les bilans d’eau. Ils doivent être alimentés par des champs de forçage pluviométrique à des résolutions suffisamment fines pour bien représenter les variabilités de petite échelle qui caractérisent les précipitations tropicales (résolution spatiale de quelques kilomètres et pas de temps horaire ou inférieur). De telles résolutions sont la plupart du temps incompatibles avec les échelles des données issues des réseaux pluviométriques nationaux en Afrique de l'Ouest (densité moyenne de 1 pluviomètre pour 10.000 km² au pas de temps journalier). Il existe de surcroît des zones entières qui sont peu ou mal couvertes du fait de conditions climatiques difficiles ou du manque de moyens des services météorologiques nationaux. Dans ce contexte, la télédétection satellite s'avère très utile, mais elle ne permet pas encore d’atteindre les résolutions mentionnées plus haut. Compte tenu de cette situation, la question de la sensibilité des modèles hydrologiques à la résolution des champs pluviométriques utilisés pour les forcer constitue un sujet important, assez peu abordé en tant que tel dans la littérature consacrée à l’utilisation des données satellitaires pour forcer des modèles hydrologiques.Cette thèse s’attache donc à traiter séquentiellement deux questions distinctes, mais souvent confondues : i) quel est l’impact de la dégradation de la résolution spatio-temporelle des champs de forçages pluviométriques sur la réponse d’un modèle hydrologique, et ce en supposant que ces champs sont dépourvus d’erreur en moyenne ; ii) comment les champs de pluie estimés par satellite, qui présentent de façon combinée des problèmes de résolution et de biais, influencent-ils la réponse hydrologique simulée?Le jeu de données utilisé pour l’étude est celui du site soudanien de l’observatoire AMMA-CATCH au Benin (bassin de l’Ouémé, 13150 km2). Le réseau de pluviographes de cet observatoire permet de calculer des champs de référence à très fine résolution (0.05° et 30 minutes), utilisés pour forcer le modèle hydrologique DHSVM et constituer ainsi des débits simulés de référence. A partir de là il est possible de procéder à des études de sensibilité dans les deux directions mentionnées ci-dessus. / Intertropical climates are characterized by a strong space-time variability of precipitation that can produce persistent dry spells and extreme rainfall events within the same region. These extreme climatic conditions directly impact water resources and flood occurrences, threatening populations that are highly vulnerable to natural hazards. This is especially the case in West Africa, where an increasing number of flood events has been reported over the last twenty years while the dry conditions that have started in the 1970's still prevail nowadays. While a significant climate warming is already observed in this region, there is more to come, with possible changes of the patterns of rainfall variability. It is thus of primary importance to better apprehend how sensitive is the hydrological response of West African catchments to small scale rainfall variability. Numerical models explicitly simulating the hydrological processes have already been tested and calibrated to represent the rainfall-runoff relationship of these catchments. They require high resolution (typically a few kilometers in space and one hour or less in time) rainfields as inputs, so as to account properly for the small scale variability of precipitation. However, this requirement is difficult to meet in a region where operational networks have a density which often does not exceed one gauge per 10000 km² and provide daily measurements only. Satellite remote sensing is consequently seen as a remedy to the shortcomings of ground monitoring, especially as it provides a continuous monitoring in space and time, but satellite rainfall products are still far from reaching the high space-time resolution mentioned above. In such a context, the sensitivity of hydrological models to the resolution of their forcing rainfields is an important topic, rarely tackled as such in the literature dealing with hydrological modeling based on satellite data.This PHD thesis thus focus on two related questions : i) how degrading the space-time resolution of forcing rainfields is influencing the response of hydrologic models, assuming that this degradation of the resolution has no influence on the biases ? ; ii) what are the consequences of using satellite rainfall products – which combine low resolution and bias problems – for simulating the response of catchments in tropical regions?To that end the AMMA-CATCH data set of the Ouémé catchment (13150 km2) in Benin is used. The high density recording raingauge network allows the computation of fine resolution rainfields (0.05°; 30 minutes), used as inputs to the DHSVM hydrological model, providing reference series of river flows at the outlet of the catchment.

L’objectif général de ma thèse est de développer une modélisation spatialisée à l’échelle d’un versant, afin de mieux rendre compte des principales voies de transfert des pesticides dans les terrains agricoles. Je cherche à adopter une approche simplifiée, mais qui permet néanmoins de représenter les discontinuités existantes (parcelles, fossés, talus … etc). En effet, on souhaite pouvoir quantifier les mécanismes du transfert des pesticides en prenant en compte l’influence des éléments du paysage (parcelles, fossés, bandes enherbées …etc) sur la partition des transferts d’eau et de pesticides en surface et en subsurface. On s’appuie pour ce développement sur les données acquises sur le bassin versant expérimental de la Morcille (69), qui servent à fournir des ordres de grandeur et un cadre pour tester la pertinence des développements effectués. Une synthèse bibliographique sur les processus en jeu et les modèles existants a conduit au choix de la plateforme de modélisation hydrologique CMF, développée à l’université de Giessen (Kraft, 2012). Cette dernière permet une modélisation orientée objet d’un système hydrologique (colonne de sol, versant, bassin versant ...etc) et propose une grande variété d’équations physiques pour la représentation des processus hydrologiques. Le travail est mené sur trois étapes, une première consiste à l’évaluation du comportement de la plateforme et la validation de sa réponse via la comparaison dans un premier temps via un modèle 1D suite à une comparaison avec Hydrus1D. Dans un second temps, nous avons mené des simulations en 2D en comparant avec le modèle Cathy en se basant sur les travaux de Sulis et al. (2010) et avec Hydrus2D (Simunek et al., 1999 & Simunek et al., 2001) sur un versant inspiré du versant expérimental de la Morcille. La deuxième étape consiste à la prise en compte des écoulements préférentiels dans certains types de sol structurés, nous paraît nécessaire pour une meilleure représentation des processus en jeu. La représentation du transfert préférentiel des produits phytosanitaires via les macropores vers la ressource en eau représente encore un défi pour la recherche. L’approche à double perméabilité (DP) choisie contient le développant d’une nouvelle fonction d’infiltration dans les macropores. Notre modèle DP contient également deux fonctions alternatives d’échange matrice-macropores ; la première est proportionnelle à la différence des teneurs en eau des deux compartiments du sol (Philip, 1968). La deuxième fonction d’échange est une onde diffusante basée sur l’approche présentée par van Genuchten (1993). La dernière partie de la thèse consiste en la modélisation des solutés suivant successivement les deux approches : simple porosité et double perméabilité, en considérant le transport des solutés par convection et une adsorption linéaire. La validation de notre approche de modélisation est menée en comparant avec les simulations d’Hydrus1D/2D. / The aim of my thesis is to develop a spatial scale modeling of a catchment, to better reflect the main pathways of pesticides in agricultural lands. We are looking to adopt a simplified approach, yet it allows to represent the existing discontinuities (plots, ditches, embankments ... etc). Indeed, we wish to quantify the mechanisms of transfer of pesticides taking into account the influence of landscape features (patches, ditches, grass strips ... etc) on the partition of water transfers and pesticides in surface and subsurface. It relies for this development on the acquired data on the experimental watershed Morcille (69), which serve to provide orders of magnitude and a framework to test the relevance of business developments. A literature review on the processes involved and the existing models led to the choice of hydrological modeling framework CMF, developed at the University of Giessen (Kraft, 2012). CMF allows for object oriented modeling of a hydrologic system (soil column, slope, watershed etc.) and offers a wide variety of physical equations for the representation of hydrological processes. The work is conducted in three steps, the first involves assessing the behavior of CMF and validating its response via the comparison initially via a 1D model following a comparison with Hydrus1D. Secondly, we conducted 2D simulations comparing with the Cathy model based on the work of Sulis et al. (2010) and Hydrus2D (Simunek et al., 1999 & Simunek et al., 2001) on a hillslope inspired from the experimental slope of Morcille. The second step is to take account of preferential flow in certain types of structured soil, seems necessary for better representation of the processes. The representation of the preferential transfer of pesticides through macropores to water resources is still a research challenge. The dual permeability approach (DP) contains selected developing the infiltration of a new function in the macropores. Our DP model also contains two alternative exchange functions matrix-macropores; the first one is proportional to the difference of the water contents of the two compartments of the soil (Philip, 1968). The second exchange function is a diffusing wave based on the approach outlined by van Genuchten (1993). The last part of the thesis consists in the modeling of solutes successively following two approaches: single dual porosity and permeability, considering the convective transport of solutes and a linear adsorption. The validation of our modeling approach is conducted by comparing with the Hydrus1D / 2D simulations.

Les étiages extrêmes entraînent souvent des conséquences importantes sur de multiples secteurs socio-économiques. Les récentes études liées au changement climatique semblent indiquer que ces événements risquent de devenir plus sévères et plus fréquents au cours des prochaines décennies. Malheureusement, le peu de données hydrométéorologiques disponibles avant les années 1970 ne permet pas de remettre dans un contexte historique les derniers événements observés ni ceux projetés par les études d'impact. Ces travaux de thèse s'attachent ainsi à améliorer l'état des connaissances sur les étiages extrêmes historiques ayant touché le territoire français depuis la fin du XIXe siècle grâce à une reconstruction hydrométéorologique. Ils proposent aussi un nouveau cadre méthodologique pour l'étude de ces extrêmes.Des informations sur la situation synoptique atmosphérique depuis la fin du XIXe siècle ont récemment été mises à disposition de la communauté via des réanalyses globales étendues comme la Twentieth Century Reanalysis (20CR). Ces travaux introduisent la méthode SCOPE qui permet de reconstruire la météorologie locale sur l'ensemble de la France à partir de la réanalyse 20CR. Elle produit un ensemble de 25 chroniques météorologiques spatialement homogènes de précipitations, température et évapotranspiration sur la période 1871-2012 et sur une grille de 64 km² recouvrant la France. Ces séries constituent le jeu de données SCOPE Climate, qui est ensuite utilisé comme forçage d'un modèle hydrologique sur un large échantillon de plus de 600 bassins versants français faiblement anthropisés. Un ensemble de 25 reconstructions de débits journaliers, appelé SCOPE Hydro, est ainsi produit entre 1871 et 2012. SCOPE Climate et SCOPE Hydro ont tous deux montré de bonnes performances en comparaison de données indépendantes de leur construction.Des événements spatio-temporels d'étiage extrême sont finalement identifiés et caractérisés à partir des chroniques de débit de SCOPE Hydro. Ces événements sont tout d'abord définis localement comme une période où le débit se trouve en-dessous d'un seuil mixte, combinaison d'un seuil fixe et d'un seuil variable avec la saison. Un regroupement spatial des événements locaux au sein du même événement spatio-temporel d'étiage extrême est effectué à l'échelle de la France, suivant une méthode spécialement mise au point dans le cadre de ces travaux. A l'issue de ces étapes, un événement peut être étudié localement ou à l'échelle nationale, grâce à des caractéristiques d'étendue, de durée ou de sévérité. Cette méthodologie permet d'identifier des événements exceptionnels d'étiage extrême anciens et peu connus (1878, 1893, 1942-1949), ou relativement récents mais peu documentés (1972, 1978, 1985), en plus de ceux connus (1921, 1976, 1989-1990, 2011). L'étude de l'évolution de ces événements sur 140 ans montre une plus grande proportion du territoire français touchée par des étiages extrêmes après les années 1940. Une comparaison des événements reconstruits à des sources documentaires faisant mention des sécheresses passées montre une bonne cohérence entre reconstructions et réalité.Ce travail de thèse contribue aux questions scientifiques d'actualité, notamment dans le cadre de la variabilité climatique et du changement climatique d'origine anthropique et de leurs conséquences hydrologiques. Ces travaux proposent deux méthodes innovantes sur la descente d'échelle statistique multivariée et l'identification spatio-temporelle des événements d'étiage extrême. Ils ont par ailleurs produit deux jeux de données hydroclimatiques ensemblistes de référence utilisables pour tout type d'étude climatique et hydrologique requérant une profondeur historique importante. / Extreme low-flow events have significant consequences on numerous socio-economic fields. Hydroclimate projections for the 21st century suggest an increase in low-flow severity and frequency. Nevertheless, projected events as well as recent observed events can hardly be put into a sufficiently long historical perspective due to the lack of hydrometeorological data before the 1970s. This work proposes to improve the knowledge on past extreme low-flow events having affected France since the end of the 19th century thanks to a hydrometeorological reconstruction. It also provides a new methodological framework to study these extreme events.Information on the atmospheric synoptic situation since the end of the 19th century have recently been released to the scientific community through extended global reanalyses like the Twentieth Century Reanalysis (20CR). This work introduces the SCOPE method that provides local meteorological reconstructions on the entire France derived from the 20CR reanalysis. SCOPE produces a 25-member ensemble of spatially coherent meteorological series of daily precipitation, temperature and evapotranspiration over the 1871-2012 period and on a 64 km² grid covering France. This dataset, called SCOPE Climate, is then used as forcings to run continuous hydrological simulations over more than 600 near-natural French catchments leading to a 25-member ensemble of daily streamflow time series -- called SCOPE Hydro -- between 1871 and 2012. SCOPE Climate and SCOPE Hydro show a relatively high skill during validation experiments against independent data.Spatio-temporal extreme low-flow events are finally identified and characterised from SCOPE Hydro reconstructed series. The events are first locally identified based on deficit characteristics under a novel combination of a fixed threshold and a daily variable threshold. A spatial matching procedure at the scale of France is developed in order to spatially assemble local extreme events into the same spatio-temporal event. After these steps, an event can either be studied at the local or national scale through its spatial extent, duration or severity characteristics. This work identified past and little known exceptional extreme events (1878, 1893, 1942-1949) or recent but poorly documented events (1972, 1978, 1985) besides well-known events (1921, 1976, 1989-1990, 2011). The evolution of these events since 1871 shows that a greater proportion of the French territory is affected by extreme low-flow events since the 1940s. A good coherence is found between reconstructed events and documentary sources on historical droughts.This work contributes to timely scientific issues, especially within the context of climate change and its hydrological impacts. This work proposes two innovative methods on multivariate statistical downscaling and spatio-temporal identification of extreme low-flow events. It also produced two reference hydroclimatic datasets that may be used in any study requiring long hydrometeorological series.

Ce travail consiste à caractériser la variabilité temporelle et spatiale des séries chronologiques de paramètres hydroclimatiques (pluies, débits) au niveau de trois grand bassins au Maroc ; (bassins de la Moulouya, du Sebou et du Tensift) et à chercher les liens entre cette variabilité hydrologique et les fluctuations climatiques matérialisées par différents indices climatiques, NAO, SOI, WMOI. L’approche d’étude est basée le traitement statistique des séries temporelles, liée aux dimensions temps et espace.Les grands bassins versants d'échelle continentale comme le Tensift, le Sebou et la Moulouya en climat méditerranéen sous influence océanique, intègrent sur des grandes surfaces la réponse hydrologique aux changements climatiques et environnementaux (fluctuations du climat, précipitations, débits) à de larges échelles spatiales et temporelles, mais également les modifications du milieu physique d’origine anthropique (changements d’occupation des sols, aménagements…), ce qui rend parfois difficile l’identification des liens entre la variabilité hydrologique et la variabilité climatique. Les principaux objectifs de ce travail sont de déterminer et de quantifier les relations entre la variabilité hydroclimatique et les fluctuations du climat à l’échelle de chaque bassin étudié et de ses principaux sous-bassins, via l'utilisation de méthodes d’analyses spectrales adaptées à l’étude des processus non stationnaires (analyse en ondelettes continues, analyse de la cohérence par ondelettes). Plusieurs modes de variabilités sont identifiés à partir de l’analyse par station (pluies et débits), du cycle annuel au mode 16-22 ans, cette analyse sera complétée par une analyse par maille, dont les données sont issues d’un fichier (SIEREM) couvrant la période 1940-1999, où on identifie des fréquences de 1an au 8-16 ans, distinguées sur des périodes différentes au niveau de chaque bassin, permettant ainsi une décomposition de la variabilité spatiale des signaux mis en évidence. Trois principales discontinuités sont identifiées en 1970, 1980 et 2000. La contribution des indices climatiques est assez importante elle est entre 55% et 80%. / This work is to characterize the temporal and spatial variability of hydroclimatic time series (rainfall, flow) at three large basins in Morocco; (basins of the Sebou and Moulouya Tensift) and look links between the hydrologic variability and climate fluctuation materialized by various climate indices, NAO, SOI, WMOI. The approach to study is based on statistical analysis of time series, related to time and space dimensions.The great watershed of continental scale as Tensift, Sebou and Moulouya in Mediterranean climate under oceanic influence, integrate over large areas the hydrological response to climate and environmental changes (climate fluctuations, precipitation, flows) not only to large spatial and temporal scales, but also to changes in the physical environment anthropogenic (land use changes, developments ...), which sometimes makes difficult to identify the links between hydrological variability and climate variability. The main objective of this work is to determine and quantify the relationships between hydrological variability and climate fluctuations (regionalised precipitation, climate change indexes) across each studied basin and its main sub-basins, via using spectral analysis methods adapted to the study of non-stationary processes (continuous wavelet analysis, coherence analysis wavelet). Many modes of variability are identified from the station analysis (rainfall and flow rates), the annual cycle to 16-22 years, this analysis will be complemented by a grid analysis, the data come from a (SIEREM) file covering the period from 1940 to 1999, which will allow a better understanding of the spatial variability of signals set highlighted. Which is identified frequencies the 1 year 8-16 years, distinguished different time periods at each basin, three main discontinuities identified in 1970, 1980 and 2000. The contribution of climatic indices is important enough it is between 55% and 80%.

Dans un contexte où des millions de personnes dépendent de la ressource en eau exposée au caprice de la mousson en Afrique de l'Ouest, ce travail de thèse vise à mieux appréhender les processus hydrologiques en zone de socle, et notamment à évaluer le rôle de la redistribution latérale de l'eau dans le sol par les interactions entre les réservoirs souterrains, la végétation et l'atmosphère, par la caractérisation et la modélisation à l'échelle de la parcelle et du versant. Ce travail s'appuie sur le dispositif expérimental déployé dans le petit bassin versant de l'Ara dans le cadre de l'observatoire AMMA-CATCH. La mise en oeuvre du modèle ParFlow-CLM permet de simuler les transferts dans la zone saturée et la zone non saturée par la résolution de l'équation de Richards en 3D, en étant conditionné par un forçage atmosphérique en surface. Après avoir identifié les paramètres influents pour les transferts verticaux, une caractérisation spatiale de ces paramètres a été menée. La configuration du modèle a ensuite été évaluée en 1D. Il est montré que le modèle reproduit de manière pertinente les séries temporelles du bilan d'énergie et la distribution de l'eau dans le sol. L'effet de la variabilité spatiale des paramètres hydrodynamiques est ensuite étudié à l'échelle de la parcelle. Enfin, en incluant les géométries de socle connues et une distribution de végétation, les transferts horizontaux souterrains sont mis en évidence avec la formation de zones sèches ou humides en relation avec des distributions spatiales d'évapotranspiration. / In West Africa, millions of people rely on water resources exposed to the monsoon variability. In this context, the aim of this thesis is to better understand hydrological processes in bedrock areas, and more particularly to estimate the role of lateral redistribution of soil water by the interactions between underground reservoirs, vegetation and atmosphere, using hydrogeological prospection and modeling at field and catena scale. This work is supported by the experimental device implemented in the small Ara catchment in the framework of the AMMA-CATCH observatory. The use of the ParFlow-CLM model allows the simulation of transfers in the saturated and the vadose zone by solving the Richards equation in 3D. The model was forced using observed atmospheric forcing at the surface. We first identify influential parameters for vertical water transfers. Then a spatial characterization of these parameters is carried out. The 1D version of the Parflow-CLM model is assessed using observed data. We show that the model provides relevant times series of the surface energy balance and of soil water distribution as compared to the observations. The impact of the spatial variability of the hydraulic parameters at the field scale (<1 ha) is studied. Finally, the bedrock geometry and the spatial distribution of vegetation are taken into account in the modelling. This allows the identification of horizontal subsurface lateral fluxes, which generate wet and dry patterns, which are related to the spatial distribution of evapotranspiration.