Une hausse de la moyenne globale de la température est attendue d'ici la fin du siècle. Ce changement aura des conséquences sur le cycle de l'eau. L'humidité du sol fait partie de ce cycle et pourrait être modifiée au cours des prochaines années. Certaines régions dépendent, dans une certaine mesure, de la quantité d'eau dans le sol pendant la saison estivale plus particulièrement. Les régions où cette dépendance est présente pourraient migrer en réponse à la hausse de la température et de la modification du cycle de l'eau. À l'aide du MRCC et du schéma de surface intégré (CLASS), l'évaluation de la représentation de la quantité d'eau dans le sol sera comparée avec les observations et les évaluations qualitatives d'estimation de l'humidité du sol afin de déterminer si le modèle définit bien cette mesure. Le changement appréhendé de l'humidité du sol pour les périodes futures sera évalué. La migration possible des zones de couplage sol-atmosphère sera estimée à l'aide de différents outils disponibles. L'utilisation d'un modèle régional (MRC) va permettre de représenter l'humidité du sol et les autres champs météorologiques avec une plus haute résolution. La majorité des études effectuées sur le sujet proviennent de modèles de circulation générale (MCG) et l'utilisation d'un MRC pourra amener une meilleure perspective. Les résultats de l'évaluation de l'humidité du sol démontrent certaines lacunes dans le cycle annuel surtout vers la fin de l'été et à l'automne. La représentation de la 3e et dernière couche comporte un biais important face aux observations. Dans l'ensemble, les tendances sont assez bien respectées, par contre, certaines différences existent au niveau de l'intensité des événements extrêmes. Au niveau du changement appréhendé de l'humidité du sol, certains résultats des autres études concordent avec ceux obtenus dans le cadre de celle-ci. Une diminution de la quantité d'eau dans le sol pour les régions subtropicales de l'Amérique du Nord est attendue. Pour les latitudes moyennes, une augmentation durant l'hiver et une baisse durant l'été sont appréhendées. Au niveau des hautes latitudes, les autres études ne s'entendent pas exactement sur le sens du changement. Dans cette recherche, la fonte du pergélisol semble un élément important particulièrement pour la couche la plus profonde. En effet, le ruissellement est important en raison du type de sol présent qui joue un rôle prépondérant dans les résultats obtenus. Les différents outils utilisés afin d'évaluer le changement au niveau de l'intensité du couplage sol-atmosphère indiquent la possibilité d'une migration vers le nord-est des États-Unis, le centre-nord des États-Unis, les Prairies canadiennes et, à la limite, le sud-est du Canada pendant la saison estivale d'ici la fin du siècle. En effet, le déplacement des zones de corrélation positive entre l'évaporation et l'humidité du sol de la première couche vers le nord et l'est de l'Amérique du Nord est un élément qui laisse envisager cette possibilité. L'augmentation de la variabilité de l'évaporation et de la température pour le nord-est des États-Unis et les Prairies canadiennes est un autre élément qui joue un rôle vers la modification des zones où le couplage est important. Des distributions journalières ayant deux modes ont été obtenues dans des bassins versants qui se situent dans des régions de couplage ou qui pourraient s'y retrouver au cours des prochaines années. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modèle régional du climat, cycle de l'eau, humidité du sol, changements appréhendés, couplage sol-atmosphère

Pendant les dernières années, l'Afrique est affectée par des fluctuations dramatiques des précipitations, qui ont des effets dévastateurs sur l'économie, la santé et la subsistance de la population. L'adaptation aux changements climatiques nécessite une étude approfondie du cycle hydrologique, menant aux projections climatiques améliorées sur le continent. Les objectifs de ce mémoire sont de tester les performances de la cinquième génération du Modèle régional canadien du climat (MRCC5) dans la simulation du bilan de l'eau atmosphérique sur l'Afrique à l'été (JJA) et en hiver (DJF) et d'évaluer la valeur ajoutée potentielle (VAP) du modèle, concernant la moyenne saisonnière et la variabilité temporelle. À cette fin, chacune des variables atmosphériques est décomposée en grandes échelles, résolues par le MRCC5 et la réanalyse ERA-Interim qui pilote le MRCC5, et de petites échelles, non résolues par la réanalyse. De plus, la divergence du flux d'humidité horizontale intégrée verticalement est représentée comme une somme des quatre termes d'interaction, obtenue à partir du vent et de l'humidité décomposés dans l'espace. La divergence moyenne saisonnière est également décomposée en deux termes, résultant de la contribution des tourbillons stationnaires et transitoires. La valeur ajoutée potentielle est associée aux petites échelles des moyennes saisonnières, à la divergence non résolue, et à leurs variances. Les résultats révèlent que le bilan moyen saisonnier de l'eau atmosphérique est dominé par les grandes échelles. La contribution des petites échelles est limitée et localisée sur le terrain escarpé et le long de la côte. La divergence moyenne du flux d'humidité intégrée verticalement est contrôlée par la composante stationnaire, tandis que la composante transitoire est présentée essentiellement dans le front intertropical et latitudes tempérées. Les deux composantes sont étroitement liées à la circulation tridimensionnelle associée à la dépression saharienne. Il a été démontré que la divergence non résolue résulte principalement de l'interaction entre le vent à petite échelle et l'humidité à grande échelle, et que sa contribution est moindre que de la divergence résolue. Finalement, la VAP pour la divergence moyenne de l'humidité est due principalement au forçage topographique et découle en parti de la composante résolue. Pour conclure, la variabilité climatologique du cycle hydrologique de l'atmosphère est marquée par un apport essentiel des petites échelles déterminant la supériorité de la variance de divergence non résolue du flux d'humidité. Les termes d'interaction dominants sont identifiés pour les principales régions géographiques. L'écart-type maximal observé dans la zone de convergence intertropicale, l'Océan Indien, l'Atlantique Central et les latitudes moyennes suggère une VAP significative avec origine synoptique et convective pour la variabilité. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : MRCC5, valeur ajoutée, décomposition d'échelle, bilan d'eau atmosphérique, divergence du flux d'humidité, Afrique.

On estime qu'environ 50% des milieux humides mondiaux ont été détruits et convertis en terre agricole et en milieu urbain. Ces milieux humides sont d'importants écosystèmes qui jouent non seulement un rôle fondamental dans la préservation de la biodiversité, mais aussi dans le maintien de la qualité et de la quantité d'eau potable contenue dans les rivières et aquifères environnants. Ce projet de recherche avait pour objectif de quantifier les échanges entre le complexe tourbeux de Lanoraie, les rivières présentes sur le territoire et l'aquifère des sables du delta de Sorel. Une compilation des données existantes et des mesures de terrain (GPS différentiel, relevés de coupes stratigraphiques, niveaux de nappe, débits) ont permis de caractériser la tourbière et l'aquifère régional. À l'aide de ces données, un modèle hydrostratigraphique 3D a été construit. Quatre types d'écoulement ont été identifiés : 1) un écoulement suivant la topographie de l'aquifère vers la zone minérotrophe de la tourbière, 2) un écoulement suivant la topographie de la zone ombrotrophe à la zone minérotrophe, 3) un écoulement alimentant les rivières présentes sur le territoire (Saint-Joseph, Point-du-Jour, Saint-Jean, Saint-Antoine et Bras du sud-ouest) et 4) un écoulement de la tourbière à l'aquifère sableux de l'ancien delta de Sorel. L'ensemble de ces travaux a été utilisé pour construire un modèle numérique en régime permanent à l'aide du logiciel MIKE SHE. Focalisant sur les échanges aquifère-tourbière-rivière et l'impact potentiel des changements climatiques extrêmes sur les niveaux de nappes et les débits de base des différentes rivières, le modèle a permis de montrer qu'il existe des liens hydriques importants entre l'aquifère du delta de Sorel, le complexe des tourbières de Lanoraie et les rivières environnantes. Par exemple, les résultats du modèle numérique montrent que 1) 52% de l'eau qui circule annuellement dans la tourbière vient directement de l'aquifère sableux de l'ancien delta de Sorel, 2) les débits de base des différentes rivières environnantes sont constitués majoritairement (48% à 100%) d'eau ayant préalablement circulée dans le complexe tourbeux de Lanoraie et 3) des diminutions de 20% et 50% de la recharge annuelle causeraient des diminutions de 16% et 41% respectivement, en moyenne, des débits de base de la région, ce qui pourrait avoir des conséquences importantes sur les réserves en eau et l'écologie des rivières. Ce projet de recherche montre que la préservation des réserves hydriques de la région de Lanoraie passe non seulement par la protection de la ressource en eau potable et des rivières, mais aussi celle du complexe tourbeux. Ceci est encore plus vrai dans un contexte de changement climatique et de pressions anthropiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Tourbières, aquifère, rivière, Mike SHE, changement climatique, Lanoraie

Bien que les modèles hydrologiques soient aujourd'hui utilisés pour la prévision des crues, leur mise en place sur un territoire particulier peut encore poser question. Classiquement, elle nécessite des chronologies observées de pluies et de débits. Cependant, ces données peuvent s'avérer incertaines, insuffisantes voire indisponibles. Cela impact alors l'identification des modèles ainsi que leurs prévisions en les rendant elles-mêmes incertaines et potentiellement inopérantes.Dans cette thèse, nous avons cherché à revisiter ces problématiques liées à la mise en place des modèles, en proposant des approches innovantes étalonnant les modèles sans certaines données pouvant s'avérer trop incertaines ou indisponibles. Ces dernières, habituellement exigées pour l'identification des modèles, sont de plus estimées au cours de l'étalonnage. Deux méthodes applicables quelque-soit la nature du modèle considéré sont proposées. La première est une méthode d'inversion des pluies et des paramètres. Elle permet d'étalonner un modèle hydrologique à partir de chronologies observées de débits et de cumuls de pluies seulement. Cette méthode identifie de plus simultanément les chronologies des pluies au pas de temps horaire. Une application particulière de cette méthode à des modèles déjà établis généralise par ailleurs à des modèles non-analytiques l'approche d'inversion des pluies proposée par Kirchner (2009). La seconde est une méthode de calibration pluie-hauteur d'eau. À partir de chronologies observées de pluies et de hauteurs d'eau seulement, elle permet de mettre en place un modèle hydrologique et d'identifier une courbe de tarage. Outre les analyses originales pouvant être menées sur les chronologies de pluies ou les courbes de tarage estimées par ces méthodes, ces dernières étendent à des contextes plus restreints en données, la possibilité d'identification de modèles pluie-débits et offrent des applications en opérationnel.En parallèle du développement de ces méthodes, cette thèse nous a aussi amené à construire une représentation conceptuelle appelée espace des connaissances. Celle-ci permet d'appréhender de manière commune les questions nouvelles ayant été étudiées ainsi que des approches plus classiques comme la calibration ou la simulation. / Rainfall-runoff models are used for flood forecasting by warning authorities. However their implementation on a particular territory is still a challenge. Indeed, they generally need to be calibrated by using observed rainfall and discharge time series. These data may be subject to errors and uncertainties. They are not always available. Then, the model calibration relevancy may be affected and the forecasts may also be subject to significant uncertainties. This research would like to address such issues related to the rainfall-runoff models calibration, by proposing original methods which may set up a model by using less data than the ``classical'' calibration. The unused data might be either subject to uncertainties or not available. Moreover, these unused data may be estimated by the methods. Two model independant approach were suggested. Both are an heuristic inversion algorithm of rainfall-runoff models. The first method estimates simultaneously hourly rainfall time series and models parameters, by using only observed hourly discharge time series and total areal rainfall of flood events. A specific application of this method to set up models (with fixed parameters), generalises to models which are not invertible analyticaly, the ``hydrology backward'' approach proposed by Kirchner (2009).The second method estimates simultaneously models parameters and a rating-curve, by using only observed hourly rainfall and stage time series. Original analysis may be performed on the rainfall time series and the rating-curve estimated by the methods. Also, they extend the applicability rainfall-runoff models to hydrological context with restricted available data and offer promising operational applications. Yet, this research lead us to build a conceptual framework, denoted knowledge space. This framework unifies not only the original approaches which were proposed, but also some more ``classical'' approaches to hydrology as the calibration and the simulation.

La méthode SCHADEX (Simulation Climato-Hydrologique pour l'Appréciation des Débits EXtrêmes) est, depuis 2007, la méthode de référence pour le calcul de la crue de projet servant au dimensionnement des évacuateurs des barrages d'EDF (Électricité De France). Cette méthode vise à estimer les quantiles extrêmes de débits par un procédé de simulation stochastique qui combine un modèle probabiliste de pluie et un modèle hydrologique pluie-débit. L'objectif principal de cette thèse est la « validation » de la méthode SCHADEX, la compréhension de ses possibilités et de ses limites, notamment par des études de sensibilité aux hypothèses sous-jacentes et par sa confrontation à la plus large gamme possible d'observations (régions et climats contrastés, taille variable de bassins versants). La première étape de ce travail a porté sur la description probabiliste des événements pluvieux générateurs de crues, avec notamment l'introduction d'une distribution des pluies observées conditionnée par type de temps (distribution MEWP, Multi-Exponential Weather Patterns). Pour valider ce modèle probabiliste, nous avons comparé ses résultats à ceux de modèles classiques de la théorie des valeurs extrêmes. En nous appuyant sur une large base de données de stations pluviométriques (478 postes localisés en France, Suisse et Espagne) et sur une technique de comparaison orientée vers les valeurs extrêmes, nous avons évalué les performances du modèle MEWP en soulignant la justesse et la robustesse de ses estimations. Le procédé de simulation hydrologique des volumes écoulés suite à des événements pluvieux intenses (processus de simulation semi-continue) a été décrit en soulignant son caractère original et parcimonieux du point de vue des hypothèses d'extrapolation nécessaires, et sa capacité à extraire le maximum d'information des séries chronologiques traitées. En nous appuyant sur une base de données de 32 bassins versants, nous avons analysé la sensibilité de cette méthode (i) à ses paramètres de simulation (i.e. nombre de tirages, etc.), (ii) au modèle probabiliste de pluie et (iii) au modèle hydrologique pluie-débit. Cette étude nous a permis de figer certains paramètres de simulation et surtout de hiérarchiser les étapes et les options de simulation du point de vue de leurs impacts sur le résultat final. Le passage des quantiles extrêmes de volumes à ceux des débits de pointe est réalisé par un facteur multiplicatif (coefficient de forme), identifié sur une collection d'hydrogrammes. Une sélection de ces hydrogrammes par une approche semi-automatique, basée sur une technique d'échantillonnage sup-seuil, a été développée. Globalement, ce travail a permis de reformuler, justifier et vérifier les hypothèses de base de la méthode, notamment celles liées à l'aléa pluviométrique ainsi qu'à l'aléa « état hydrique » du bassin versant, et celles liées au procédé de simulation hydrologique semi-continue des écoulements. Des améliorations et des simplifications de certains points de la méthode ont aussi été proposées pour des estimations de débit extrêmes plus fiables et robustes. Une adaptation de la classification des journées par type de temps a été proposée pour étendre le calendrier de référence, de 1953-2005 à 1850-2003, en exploitant des informations simplifiées sur les champs de pression. La procédure de simulation hydrologique a été améliorée, notamment en conditionnant le tirage des épisodes pluvieux au type de temps, ce qui permet de mieux prendre en compte la dépendance pluie- température. Ces travaux ne mettent certainement pas un point final au développement de la méthode SCHADEX mais la fondent sur des bases méthodologiques saines et documentées. Ils proposent des perspectives de recherche sur des thématiques variées (e.g. prise en compte de variabilité de la forme des hydrogrammes de crue pour le passage au débit de pointe, modélisation hydrologique, estimation de crues extrêmes en bassins non jaugés ou en contexte non-stationnaire). / Since 2007, EDF (Électricité de France) design floods of dam spillways are computed using a probabilistic method named SCHADEX (Climatic-hydrological simulation of extreme foods). This method aims at estimating extreme flood quantiles by the combination of a weather patterns based rainfall probabilistic model and a conceptual rainfall-runoff model. The aim of this PhD thesis is to “validate” SCHADEX method by assessing its potential and its limits with a sensitivity analysis of its hypothesis and with a comparison to the widest possible range of data (various regions and climates, different watershed sizes). In the first part of this thesis we describe the stochastic generation process of rainfall events. We introduce a rainfall probabilistic model based on weather pattern classification, called MEWP (Multi-Exponential Weather Pattern) distribution. To validate the MEWP model, we compare it to the standard probabilistic models of extreme values theory. Basing on a wide rainfall dataset (478 raingauges located in France, Switzerland and Spain) and on new specific criteria, we evaluate the suitability of MEWP model in terms of reliability and robustness. In the second part of this work, the hydrological simulation process of volumes, called semi-continuous simulation process, is introduced. We highlight the efficiency and the originality of this process link to its ability to mix various hydrological data for extreme flood estimation while keeping parsimonious extrapolation hypothesis. Basing on a dataset of 32 watersheds, we realize a sensitivity analysis of this process to (i) simulation parameters (i.e. number of simulation, etc.), (ii) to rainfall probabilistic model and (iii) to rainfall-runoff model. This study allows us to fix some simulation parameters and especially to prioritize the simulation steps and options by their impact on final results. The third part is about the passage from extreme volumes quantiles to extreme peak flows quantiles that is done by a peak flows ratio. This ratio is computed on a hydrograms sample that is extract from flood time series by a specific peak over threshold sub-sampling developed in this thesis. Globally, we reformulate, justify and verify the basic assumptions of the method, with a special focus on rainfall risk, hydrological risk and semi-continuous simulation process. In order to make extreme flood estimations more reliable and robust same improvements and simplifications of the method are proposed. To widen the available period of the weather pattern classification from 1953-2005 to 1850-2003, we computed another weather pattern classification based on shade geopotential information. To take into account precipitation-temperature dependency, the simulation process is improved conditioning the generation of rainfall events by weather pattern sub-sampling. Certainly this thesis does not put the end to SCHADEX method developments but ground it on sound and documented basis. Such future investigations about variability of shape flood hydrograms, comparison of hydrological model in extrapolation domain, extreme flood risk estimation on ungauged watershed and in non-stationary context, are planned.

Les eaux résiduaires urbaines du bassin versant du lac du Bourget sont largement collectées et traitées. Les gestionnaires du lac s'interrogent, dans le contexte de l'évolution climatique et de l'évolution des usages des sols, sur l'impact et les modalités de maîtrise des pertes en phosphore et en particulier de la contribution des sources diffuses d'origine agricole. La thèse vise à modéliser les régimes d'exportation du phosphore vers le lac, dans la perspective de tester des scénarios de maîtrise des flux. Elle s'inscrit dans un dispositif de recherche opérationnelle CIFRE entre le bureau d'étude SAFEGE et l'UMR CARRTEL, en partenariat avec le CISALB (Comité Intersyndical pour l'Assainissement du Lac du Bourget). Dans ce cadre, deux sous bassins versants expérimentaux emboîtés représentatifs de la géographie du bassin du Bourget, (l'un rural dominé par l'élevage laitier de 250 ha, l'autre périurbain et agricole de 6800 ha) ont été équipés et suivis à leur exutoire durant une période de 18 mois. Les suivis hydrochimiques ont permis une caractérisation qualitative et quantitative des régimes d'exportations à l'exutoire de chaque bassin versant (flux hydrologique, de matières en suspension, du phosphore total, particulaire, et dissous, et de certaines formes d'azote – nitrate, ammonium). Ces flux ont été modélisés à l'aide du modèle SWAT. Pour rendre compte de certains processus spécifiques de mobilisation et de transfert de la charge en phosphore, des développements ont été mis en œuvre (extension de l'aire de saturation des sols en relation avec la mise en charge des nappes, stockages transitoires, remobilisations au sein du réseau hydrographique) qui constituent une des principales avancées de la thèse. Les résultats obtenus apportent une amélioration des connaissances scientifiques sur les mécanismes de transfert du phosphore. Les développements en termes de modélisation constituent un outil adapté pour accompagner la mise en place d'un plan d'actions visant la réduction des flux de phosphore parvenant au lac du Bourget, ceci dans la perspective des évolutions climatiques. / Urban wastewater are now widely collected and treated. Many questions still remain about the impact of climatic or anthropic evolution on the mobilisation and the transfer of phosphorus to Lake Bourget. This work deals with hydrological and nutrient modelling to understand phosphorus mobilization and transfers processes and to test mitigation options. Thesis is supported by a CIFRE agreement between SAFEGE office and UMR CARRTEL, in partnership with the CISALB. In this context, 2 experimental watersheds nested and variable in land uses (one agricultural of 250 ha, the other suburban and agricultural of 6,800 ha) were instrumented and followed at their outlet over a period of 18 months (continuous measurement of flow and some key parameters of physico-chemical water quality). Hydro-chemical measurements led to a qualitative and quantitative characterization of the exports regime at the outlet of each watershed (water flow, suspended solids, some forms of phosphorus – total, particulate, dissolved - and nitrogen). The exports were then modeled. To account for some specifics processes of mobilization and transfer of phosphorus (variable source areas, "in-stream" processes), some developments of the SWAT model were implemented. IIn this context, this works provides an improved scientific understanding of the mechanisms of transfer of phosphorus. Modeling tool can support the development of mitigation options for best management practices included in the framework of the "Lake Bourget watershed contract".

Le pourtour du bassin méditerranéen subit fréquemment des épisodes de pluie diluvienne à l’origine de crues rapides pouvant provoquer de nombreuses victimes et des dégâts considérables. Afin de faire face à ce phénomène, la prévision hydrologiques, permettant au Service Central d’Hydrométéorologie et d’Appui à la Prévision des Inondations de produire des vigilances crues, tient une place centrale. Durant les dernières décennies l’efficacité des réseaux de neurones formels pour la prévision des crues rapides a été montrée sur différents bassins versant. Les travaux menés au cours de cette thèse visent à développer une méthodologie générique de mise en œuvre de réseaux de neurones, testée sur les bassins versants du Gardon d’Anduze et du Lez à Lavalette, dont le comportement hydrodynamique est particulièrement non-linéaire. Afin de limiter l’incertitude des performances en prévision en fonction de l’initialisation du modèle, nous avons, dans un premier temps, proposé un modèle d’ensemble, basé sur la médiane à chaque pas de temps des sorties d’un nombre adéquat de modèles variant uniquement par leur initialisation. D’autre part, sur le bassin du Gardon d’Anduze, afin d’améliorer les performances des réseaux de neurones récurrents par l’introduction d’informations sur l’état du bassin versant avant et pendant l’épisode de crue, différentes variables susceptibles de représenter l’état du système ont été introduites successivement afin de sélectionner celles fournissant les modèles les plus performants. Sur le bassin karstique du Lez, dont la structure est très hétérogène, nous avons appliqué la méthode KnoX permettant d’estimer les contributions au débit à l’exutoire de quatre zones aux comportements hydrologique et hydrogéologique considérés comme homogènes. Ainsi les zones les plus contributives ont été identifiées ; ceci permettra dans un second temps de rechercher les variables les mieux à même de représenter l’humidité dans ces zones. Les performances des modèles développés montrent que la méthodologie générale de conception d’un modèle pluie-débit par réseaux de neurones s’adapte de manière satisfaisante aux deux bassins cibles dont les fonctionnements hydrologiques et hydrogéologiques sont pourtant très différents. Certaines pistes de progrès restent à investiguer parmi lesquelles l’amélioration de l’information d’état est prépondérante. / The Mediterranean region is frequently subjected to intense rainfalls leading to flash floods. This phenomenon can cause casualties and huge material damages. Facing to this phenomenon, hydrologic forecasting is a major tool used by Service Central d’Hydrométéorologie et d’Appui à la Prévision des Inondations to produce flood warning.During past decades, artificial neural networks showed their efficiency for flash flood forecasting on different type of watershed. The present thesis aims thus to contribute to the development of a generic methodology to design artificial neural networks, that is tested on Gardon d’Anduze and Lez at Lavalette watersheds, both displaying non-linear hydrodynamic behavior. To reduce uncertainties on forecasts, ensemble models, based on the median of forecasts calculated at each time step for an adequate number of models varying only by their initialization, have been proposed. In addition, in order to improve forecasting performances on Gardon d’Anduze, with artificial neural networks, we tried to introduce knowledge about the state of the watersheds before and during the flood. Several variables have thus been tested each one its turn, to select the one given the best performances. On the Lez karst system, that has a strongly heterogeneous structure, the KnoX method have been applicated in order to estimate the contribution to outflow from four geographical zones displaying hydrologic and hydrogeologic behavior considered as homogeneous. Thus, the most contributive zones to the discharge zones have been identified. This will help the investigation of representing humidity variables in these zones.The performances of models underlined that the general methodology of rainfall-runoff model conception could be applied on both basins, even though their hydrological and hydrogeological behavior are very different.The contribution of each zone, estimated from the KnoX methodology, improved comprehension of Lez karst system during flash floods. Selection of relevant variables representing the state of the Lez hydrosystem will be possible thanks to this new knowledge. Performances of models developed in this study underlined the difficulty to find satisfactory models, and showed the interest of the generic methodology used to design neural network adapted to the two targeted basins.

L’effacement des plans d’eau (petits ou grands) du continuum hydrographique est le nouveau dogme français lié à l’interprétation de la Directive Cadre européenne sur l'Eau (DCE-2000) dans la Loi sur l’Eau et les Milieux Aquatiques (LEMA-2006). En effet, cette stratégie se base sur des idées ne reposant sur aucune mesure exacte de l’influence des plans d’eau, supposée néfaste, sur la quantité d’eau s’écoulant dans les réseaux hydrographiques aval. Face à ce paradoxe notable entre réglementation appliquée et absence de mesures directes de l'évaporation des étangs de France métropolitaine, il apparaît un double besoin, tant en géographie fondamentale qu’en recherche appliquée, pour une étude détaillée sur l'évaporation et le bilan hydrologique des étangs.Sur le plan méthodologique, cette étude montre que le bac flottant en plastique transparent est l’outil le plus à même de mesurer l'évaporation des étangs. Sur le plan conceptuel, le travail intensif de terrain a conduit à établir une nouvelle formule empirique ''Aldomany'' qui peut fournir des estimations fiables de l'évaporation des plans d'eau peu profonds à l'échelle annuelle, mensuelle et journalière en utilisant seulement des données météorologiques facilement accessibles. Dans une optique de gestion, cette étude montre que la perte en eau provoquée par un étang s’apparente à celle d’une chênaie de même superficie et que les propos à charge tenus contre les étangs méritent d’être nuancés, les étangs de la Brenne étant bien en partie responsables de l'étiage estival de la Claise, alors que les étangs limousins jouent un rôle plutôt positif en assurant un bon débit estival du réseau hydrographique de cette région. / The erasure of water bodies (large or small) of the hydrographic continuum is the new French dogma related to the interpretation of the European Water Framework Directive (WFD-2000) in the Water and Environment Act (LEMA-2006). In fact, this strategy is based on ideas that are not based on any exact measure of the influence of the supposedly harmful water bodies on the amount of water flowing into the downstream hydrographic networks. In view of this remarkable paradox between applied regulation and the absence of direct measurements of the evaporation of metropolitan France's ponds, there appears to be a dual need in both basic geography and applied research for a detailed study on evaporation and the water balance of ponds.Methodologically, this study shows that the evaporation floating pan constructed of transparent plastic is the most suitable tool for measuring the evaporation of ponds. Conceptually, intensive field work has led to the development of a new empirical formula ''Aldomany'' that can provide reliable estimates of the evaporation of shallow water bodies at on an annual, monthly and daily basis using only readily available meteorological data. From a management perspective, this study shows that the loss of water caused by apond is similar to that of an oak has the same area and that the statements against the ponds should bere considered, the ponds of La Brenne being partly responsible for the summer low water of the Claise,while the Limousin's ponds play a rather positive role in ensuring a good summer flow of the hydrographic network of this region.

La modélisation hydrologique permet de quantifier la transformation pluie-débit au sein d’un bassin versant. Bien que les modèles parviennent généralement à représenter de manière acceptable le fonctionnement des bassins versants, cette représentation, nécessairement simplifiée, reste imparfaite, et une quantification des incertitudes est souhaitable. Cette thèse s’intéresse à la quantification de l’incertitude prédictive en modélisation hydrologique. Le principal objectif de nos travaux est d’explorer différentes méthodes qui permettent d’associer à des simulations ou des prévisions de débits déterministes des distributions probabilistes. Nous distinguons le contexte de simulation du contexte de prévision et adoptons dans ces deux cas une démarche comparative et pragmatique qui permet d’évaluer différentes approches sur un large échantillon de bassins versants français, à l’aide de critères d’évaluation adaptés. En simulation, nos travaux ont porté sur deux méthodes liées à l'estimation des paramètres des modèles hydrologiques, la méthode GLUE et le calage bayésien, ainsi que sur deux approches plus pragmatiques, l'approche multi-modèles, et le post-traitement statistique. Nos résultats suggèrent que les approches telles que GLUE qui ne s'appuient que sur un ensemble de différents jeux de paramètres ne parviennent pas, en général, à représenter de manière adéquate l'incertitude prédictive totale. L'utilisation d'un modèle d'erreur extérieur au fonctionnement interne du modèle hydrologique est nécessaire. Les méthodes de post-traitement suffisamment flexibles pour caractériser les erreurs résiduelles obtenues en calage parviennent à refléter de manière plus satisfaisante les marges d'erreurs du modèle hydrologique utilisé. Nous proposons également une méthode qui permet d'obtenir une estimation de l'incertitude prédictive pour les bassins non jaugés, au moyen d'un transfert des marges d'erreurs constatées sur les bassins jaugés. Les résultats indiquent que la méthode est prometteuse et fournit dans la plupart des cas des intervalles de confiance fiables et fins sur les sites non-jaugés. En prévision, nos travaux ont porté d'une part sur la comparaison de différentes méthodes de post-traitement statistique, et d'autre part sur l'interaction entre l'assimilation de données et le post-traitement au sein d'une chaîne de prévision hydrologique d'ensemble. Les résultats obtenus montrent l'importance de la prise en compte de l'évolution de l'incertitude prédictive en fonction de l'échéance de prévision et mettent en évidence les gains de performance qui peuvent être obtenus quand la quantification de l'incertitude s'appuie sur une meilleure caractérisation de la situation de la situation de prévision. Enfin, nos travaux indiquent que l'utilisation conjointe de l'assimilation de données et d'une méthode de post-traitement permet d'améliorer les performances d'une chaîne de prévision hydrologique d'ensemble. / Hydrological modelling aims to quantify the rainfall-runoff relationship at the catchment scale. Although hydrological models are generally able to provide an acceptable representation of the catchment behaviour, this representation is necessarily simplified and imperfect, as a consequence an evaluation of uncertainties is desirable. This thesis focuses on the quantification of predictive uncertainty in hydrological modelling. Our main objective was to explore several methods that can be used to complete the deterministic predictions of a rainfall-runoff model with probabilistic distributions. Two prediction cases were distinguished, namely simulation and forecast. We set up a comparative framework to evaluate different uncertainty quantification methods on a large set of French catchments. In simulation mode, we focused on two methods related to the parameter estimation issue, the GLUE uncertainty method and the Bayesian framework, as well as two more pragmatic approaches, a multi-model approach and the post-processing method. Our results suggest that the GLUE-like methods based on ensembles of various parameter sets do not provide an adequate representation of the total predictive uncertainty. An external model error is necessary. Post-processing methods that are flexible enough to adequately describe the residual errors of the hydrological model obtained during calibration give more satisfactory estimates of the modelling uncertainty. We also present a method able to transfer model uncertainty estimates from gauged to ungauged catchments. Our results demonstrate that the method holds interesting perspectives, providing in most cases reliable and sharp uncertainty bounds at ungauged locations. In a forecasting context, we compared several post-processing methods and evaluated the interactions between data assimilation and post-processing in an ensemble forecasting modelling chain. Results show the crucial role of the lead time on the estimates of predictive uncertainty. They also suggest that some improvement can be achieved when the evolution of flows is better taken into account by a post-processing method. Last, we investigated the interactions between data assimilation and post-processing in hydrological ensemble forecasting and showed the benefits of using both in an ensemble forecast system.

De nombreuses études portant sur les impacts du changement climatique sur la ressource en eau ont été réalisées à l'échelle des grands bassins versants continentaux, celle des petits bassins versants demeurant peu étudiée. La région Bourgogne se situe à la croisée de plusieurs bassins hydrographiques (Seine, Loire, Rhône), et offre une grande diversité de contextes hydrogéologiques. Les impacts du changement climatique sont susceptibles de varier localement et leur détermination requiert l'implémentation d'une chaîne de modélisation hydroclimatique à l'échelle locale. L'objectif de cette thèse a consisté en la mise en place d'un tel outil de modélisation à l'échelle des petits bassins versants de Bourgogne. Un échantillon de bassins versants et deux modèles hydrologiques de conceptualisation différente ont été choisis : un modèle pluie-débit global (GR4J) et un modèle semi-distribué à base physique (SWAT). Ces modèles ont permis d'approcher les différents aspects des impacts sur la ressource en eau (débit à l'exutoire, ressource spatialisée, qualité de l'eau). Les modèles ont été calibrés, et leur robustesse a été testée en contexte de changement climatique, validant ainsi leur utilisation sur une période future. Une désagrégation spatiale des données climatiques a été nécessaire afin d'alimenter les modèles hydrologiques sur la période de projection. L'analyse de données observées a permis de mettre en évidence une rupture dans les températures de surface en 1987/88 (en Bourgogne comme en France métropolitaine), et une modification des régimes hydrologiques de part et d'autre de cette rupture. Les projections réalisées sur la période 1980-2100 ont permis de montrer : i) peu d'évolution des débits moyens annuels mais une accentuation de la saisonnalité, via une augmentation des débits hivernaux et une diminution des débits estivaux, en lien avec le régime des précipitations et avec l'augmentation de l'évapotranspiration. ii) des indicateurs d'étiages montrant une aggravation de leur sévérité et une emprise temporelle plus grande durant l'année hydrologique, iii) une qualité de l'eau dégradée. Afin d'ouvrir de nouvelles perspectives grâce à cette chaîne de modélisation (en termes aide à la décision), l'aptitude de la chaîne de modélisation à évaluer les impacts de divers scénarios de changement de pratiques agricoles a été testée. / Numerous studies dealing with climate change impacts on water ressources have been done at global scale, but the moderated size watersheds scale is less studied. The Burgundy region is located over several hydrographical basins (Seine, Loire and Rhône river), and provides a great diversity of hydrogeological and climate contexts. For these reasons, impacts of climate change on water resources are expected to be very different in space, and require an entire hydroclimatic modelling chain at local scale to be assessed. The main objective of this thesis consisted of the implementation of a modelling tool at the moderated-size watersheds scale of Burgundy. In this way, several watersheds and two hydrological models have been chosen : a global and empirical rainfall-runoff model (GR4J) and a physical based and semi-spatialised model (SWAT). These two models allow us to assess every aspects of climate change impacts : quantitative (streamflow and spatialised ressource) and qualitative impacts.Models have been calibrated, including a cross calibration/validation test in climate contrasted periods, to confirm their robustness. A disaggregation of global climate data has been done in order to feed models during projection.Observations analysis highlighted a climate shift (in Burgundy as well as over the entire french territory), resulting in a modification of hydrological regime. Models projection over the XXIth century showed i) not much evolution of annual streamflow, but an accented seasonality, with an increase of winter streamflow, and a decrease of summer streamflow, linked with the rainfall regime and the evapotranspiration increase, ii) drought flow indices showing an increase of severity of the drought flow period, iii) a decrease in water quality. In order to explore the capacities of the modelling chain, several sensibility tests have been done, based on management practices scenarios.