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. / In Europe, flash floods primarily occur in the Mediterranean and mountainous areas. The concerned basins are often small and ungauged with a short lag time. Anticipating such events is a tricky task with many difficulties. This thesis is part of a common project between Irstea and Météo-France (RHYTMME project) with two objectives : the adaptation of the hydrological model of AIGA method to the mountainous areas, taking into account the environment characteristics the evaluation of the new model on small basins, which are actually ungauged. To achieve the first objective, the model is complicated by the integration of a snow modelling on 118 gauged basins. Then the model is regionalized. The second objective is to use flood reports from the mountain area restoration services database (services de Restauration des Terrains en Montagne (RTM)). The model is evaluated with these reports on 123 very small basins under conditions as close to as possible the reality. To overcome the second objective, an evaluation method is developed, based on contingency statistics, illustrating the coincidence between observed damages and threshold crossing by simulated flows. A graphic with the probability of detection (POD) according to the success rate (SR) is introduced for different thresholds. Thereby, a multi-threshold approach is used to compare hydrological models like ROC-curves. The main result, highlighted by this thesis is an evaluation on gauged basins is a necessary first step but not sufficient. Indeed, the works illustrate that the decided compromises on the large gauged basins don?t lead automatically to the best performances on the small basins occurring flash floods.

Les ressources en eau sont très variables dans l'espace et dans le temps. Leur estimation à l'échelle des bassins versants requiert des modèles hydrologiques dont l'utilisation est contrainte par la complexité des bassins et une difficulté de mesure (caractéristiques du bassin et forçages météorologiques). Sur la plupart des bassins une chronique de débit est disponible à l'exutoire du bassin, on parle alors de bassin versant jaugé. Ces mesures peuvent être utilisées pour analyser le fonctionnement des bassins et optimiser les paramètres des modèles hydrologiques. En revanche, pour les bassins versants non jaugés, le fonctionnement du bassin doit être envisagé de manière différente et l'utilisation du modèle doit se faire via une régionalisation de ses paramètres.Le principe des études de régionalisation est d'utiliser les bassins versants jaugés pour développer des méthodes applicables aux bassins versants non jaugés. Ces études couvrent un grand nombre de domaines d'application: régionalisation des signatures hydrologiques (débit moyen interannuel, régime, courbe des débits classés...), des étiages, des crues, de l'hydrogramme... Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'estimation de l'hydrogramme sur des bassins versants non-jaugés, via la régionalisation des paramètres des modèles hydrologiques.De nombreuses méthodes ont été développées pour résoudre ce problème et reposent en majorité sur la connaissance des jeux de paramètres sur des bassins jaugés, donneurs de paramètres, qu'il faut alors transférer vers des bassins versants non-jaugés, receveurs de paramètres. Ces méthodes font donc deux hypothèses fortes: (i) les paramètres ont été correctement identifiés par le calage sur les bassins versants jaugés et (ii) nous sommes capables d'identifier des bassins versants jaugés et non-jaugés similaires entre lesquels le transfert de paramètres est possible. Cependant, ces hypothèses ne sont pas toujours vérifiées et, dans ce cadre, le calage régional apparaît comme une option prometteuse pour la régionalisation des modèles hydrologiques. En effet, le calage régional recherche des valeurs de paramètres communes à plusieurs bassins et permet (i) de mieux contraindre ces paramètres lors du calage et (ii) de réaliser conjointement le calage et le transfert de ces paramètres à des bassins versants non-jaugés. L'enjeu de cette thèse est d'évaluer le potentiel du calage régional pour régionaliser les paramètres du modèle hydrologique GR6J. Sur un large échantillon de bassins, nous avons en particulier étudié si le calage régional peut être une solution compétitive au regard des méthodes existantes.Dans un premier temps, nous nous sommes attachés à étudier le modèle en contexte jaugé. Nous avons mené une étude de la sensibilité du modèle à ses paramètres pour définir leur rôle fonctionnel et avons testé huit stratégies de paramétrisation.Nous nous sommes attachés à identifier le jeu de paramètres hydrologiquement optimal, c'est-à-dire un jeu de paramètres indépendant de la stratégie de calage et donc transférable à des bassins versants non jaugés. Dans un second temps, nous avons proposé une méthode innovante appelée “ calage groupé ”, basée sur le calage régional, pour relier les paramètres de GR6J à des caractéristiques mesurables du paysage. Cette méthode présente l'avantage de prendre en compte les compensations au sein du jeu de paramètre et de permettre une interprétation des valeurs de paramètres au regard des processus hydrologiques. / Water resources are variable in time and space. Hydrological models are required to assess these resources and have to cope with catchments complexity and measurement limits. Most of the catchments are gauged which means that streamflow measurements are available at the catchment outlet. In particular, streamflow measurements can be used to analyse the catchment hydrological behavior and calibrate model parameters. However for ungauged catchments, the hydrological behavior must be define by other ways and model parametrisation must be assessed through regionalization instead of calibration.Regionalization studies rely on gauged catchments to developp methodologies applicable to ungauged catchments. They cover a large range of applications from hydrological signatures predictions (mean streamflow, regime, flow duration curves ...) to low-flow or flood predictions. The present work aims at estimating streamflow hydrographs in ungauged catchments by regionalizing hydrological model parameters.Several methods have been developped to solve this problem and they mostly rely on the knowledge of parameter sets on gauged catchments to find the best way to transfer the parameters sets between catchments. Gauged catchments are then considered as donor catchments while ungauged catchments are receiver: the challenge of transfert-based methods being to assign the correct donnor to each receiver. However, these methods make two strong hypothesis: (i) parameters sets calibrated on gauged catchments are reliable and (ii) similar gauged and ungauged catchments can be accurately matched during the transfer. However, those hypothesis do not always seem to hold true. In this context, regional calibration appears as a promising way for hydrological model regionalization since regional calibration look for common parameter sets on several catchments. This way, parameters are known with less uncertainties on gauged catchment and parameters regionalization is joined with calibration. The challenge of this PhD thesis is to develop and apply a regionalization scheme, based on regional calibration, to the GR6J hydrological model. On a large dataset, we have studied if regional calibration is a competitive solution to regionalize hydrological models compared to existing methodologies (i.e. transfer-based methods).As a prelude to the regionalization study, we paid attention to analyse the model on gauged catchments. In particular, we analysed the model sensitivity to its parameters to define the functionnal role of each parameter. Eight model parametrisation schemes were tested to identify the hydrologically optimal parameter set, i.e. a parameter set that is only catchment-dependant and do not depend on calibration strategy. Secondly we present an inovative method called “group calibration”, based on regional calibration, to link model parameters and hydrological descriptors. This method is fit for taking into account compensations between model parameters, allows the hydrological interpretation of the obtained relationships and is competitive to existing methods. Last, we conceptualize the regionalization methods to better undestand how to best value regional informations and increase model performance in extrapolation. We show that all methods set a ceilling and that space for improvement do not lie in the correct matching of donnor and reciever catchments but in the identification of more easily transferable informations.

Les connaissances actuelles sur le comportement hydrogéologique des édifices volcano-détritique sont encore limitées et cela limite la bonne gestion des ressources en eau. Depuis une décennie, sur les flancs du volcan Merapi, à Java Centre, en Indonésie, une pression croissante se fait sur la ressource en eau avec l'intensification des pratiques agricoles irriguées, la croissance de la population et les utilisations industrielles de l'eau. Le manque de connaissances sur les processus du cycle de l'eau par les consommateurs déclenche des conflits d'usage et le partage de l'eau devient une question centrale. Une compréhension plus précise du cycle de l'eau dans sa globalité dans ce genre de contexte est donc un point fondamental qui a besoin d'être amélioré.Ce travail a été axé sur la caractérisation des ressources en eaux souterraines à travers l’étude de la géométrie et des propriétés hydrodynamiques des systèmes aquifères /aquitards multi-couches à l'échelle d’un bassin versant expérimental sur le flanc Est du volcan Merapi. Pour couvrir tous les processus impliqués dans la circulation des eaux souterraines, une approche multi-disciplinaire a été choisi.Une nouvelle approche géologique et géomorphologique a été réalisé afin de caractériser la structure interne et l'architecture de dépôt sur le flanc Est du Merapi. Sur la base de ces résultats, un modèle conceptuel géologique et géomorphologique a été construit et révèle des formations détritiques chenalisées et connectées depuis les hautes altitudes jusqu’aux vallées, créant des chemins préférentiels pour les eaux souterraines.La caractérisation du climat avec l'estimation des termes du bilan hydrique et la description des principaux processus hydrologiques sont décrits par le suivi de deux années hydrologiques (2011-2012 et 2012-2013 ). Le climat tropical de cette région se caractérise par une période de mousson (Novembre à Mai ) et une saison sèche (Juin à Octobre ). Le bilan hydrologique est caractérisé par 40 % des précipitations sont perdus par évapotranspiration, 10 % s'écoulent et la moitié restante s'infiltre à travers l'édifice volcano-détritique et recharge les aquifères multicouches.Le fonctionnement hydrogéologique d'un environnement volcano-détritique complexe a pu être appréhendé à l’aide d’un suivi hydrogéologique, hydrochimique et géochimiques sur les sources et des puits peu profonds. Deux ceintures de sources ont été identifiées: la première est caractérisée par des sources de dépression alignées le long d'une ligne topographique tandis qu'une faille normale est probablement à l'origine de la seconde. L’utilisation de la température de l’eau de source comme traceur de l’altitude de recharge a permis l’identification de plusieurs systèmes aquifères multi-couches. Les propriétés hydrauliques de ces aquifères ont été établi à partir des l'analyses des essais hydrauliques. Le premier système aquifère est situé proche de la surface et possède une faible conductivité hydraulique. En revanche, un second système aquifère a été identifié en profondeur et possède une forte perméabilité. Le traceur “température” met en évidence un effet de mélange entre le premier et le deuxième aquifère au niveau des sources de basses altitudes . Ce phénomène est confirmé par les résultats des analyses isotopiques.L'application d'un modèle numérique couplant la circulation des flux, le transfert de masse ou le transfert de chaleur confirme le modèle conceptuel hydrogéologique et permet de quantifier la ressource en eau. / The current knowledge on the hydrogeological behavior of the volcano-detritic edifices is still sparse and these lacks limit the attempting of water resource management. Since a decade, on the flanks of Merapi volcano, in Central Java, Indonesia, an increasing pressure is done on the water resource with the intensification of the irrigated agriculture practices, the growth of population and the water industrial uses. The lack of knowledge about the water cycle processes by the consumers triggers water use conflicts and the water sharing becomes a central issue. A most accurate understanding of the water cycle in its globality in this kind of context is hence a fundamental point that need to be improved.This work has been focused on the characterization of groundwater resource thought the identification of the extent, the geometry and hydrodynamic properties of the aquifers/aquitards multi-layered system at the experimental catchment scale on the Eastern flank of Merapi volcano. To cover all the processes involved into the groundwater circulation, a multi-disciplinary approach has been chosen.A new geological and geomorphological approach is performed to characterize the internal structure and the deposit architecture on this zone of the Eastern flank of the Merapi. Based on these results, a geological and geomorphological conceptual model has been built and insists on the channelized detritic formations connected from the upper parts to the low lands through the volcanic edifice and that create preferential groundwater path ways.The climate characterization with the estimation of the water balance terms and the description of main hydrological processes are described with the monitoring of two hydrological years (2011-2012 and 2012- 2013). The tropical climate of this region is characterized by seasonal monsoon (November to May) and dry season (June to October). The global water balance can be distributed as follow: 40% of rainfall are lost by evapotranspiration, 10% runs off and the remaining half infiltrates through the volcano-detritic edifice to recharge the multi-layered aquifers.The hydrogeological functioning of a complex volcano-detritic environment is explained through the implementation of hydrogeological, hydrochemical and geochemical monitoring on inventoried springs and wells. Two spring belts are described, the first one is characterized by depression spring along a topographic line while a normal fault is probably at the origin of the second one. The identification of a multi-layered aquifer systems has been done based on the determination of the spring water temperature as a relevant tracers of the recharge elevation and the groundwater circulations. The hydraulic properties of these aquifers have been investigated from the analysis of hydraulic tests. Results show a low permeable aquifer close to the surface with a local recharge while a second aquifer system with high permeability and regional recharge is located deeper. The tracer temperature shows a mixing effect between the first and the second aquifers in the springs at low elevation. This phenomenon is confirmed by the isotope analysis.The application of a coupled numerical model between flow circulation, first mass transfer and second heat transfer confirms the hydrogeological conceptual model of volcano-sedimentary edifice and allows to quantify the water resource.

La compréhension du cycle de l'eau d'une région où les ressources en eau sont limitées est fondamentale pour assurer une gestion durable de celles-ci, c'est le cas de Galápagos. Cette thèse présente la première étude intégrée du fonctionnement hydrogéologique des aquifères perché de l'île San Cristóbal. Pour ce faire, une approche pluridisciplinaire, fondée sur la mise en place d'un site expérimental sur le bassin versant de Cerro Gato (CG), a été conduite. Pour quantifier les entrées d'eau dans le système hydrologique une approche canopée-transfert hydrique du sol a été utilise. La recharge est principalement affectée par l'altitude en raison de l'effet orographique sur les gradients de pluie et d'évapotranspiration. Néanmoins, à haute altitude, la différence est principalement associée à la couverture végétale en raison de l'apport additionnel fourni par l'interception du brouillard sous la forêt. Une analyse hydrologique montre que les pertes des bassins versants situés à haute-altitude deviennent les entrées d'eau souterraine des bassins versants situés à moyenne altitude (comme CG). Les données du méthode électromagnétique héliportée SkyTEM permettent définir l'extension du bassin hydrogéologique de CG qui est plus grande que le bassin hydrologique. Des approches précédemment décrites, découlent un modèle conceptuel des sources de CG. Ainsi, les eaux souterraines de ces sources sont issues d'un aquifère perché qui s'est formé à la faveur d'une fine couche peu perméable. Ce modèle est testé par simulations numériques qui montrent cette plausibilité. Cette thèse fournit les fondements scientifiques d'une gestion durable des ressources en eau. / The understanding of the hydrogeological functioning in regions such as San Cristobal Island (Galapagos), where water is limited, is fundamental for a suitable management of its resources. This work is the first study of this type on high-level aquifers in San Cristobal using a multi-disciplinary approach, based in the implementation of an experimental site and modeling strategies. For this purpose, a hydrological network was installed in Cerro Gato (CG) and surrounding watersheds. Inputs to the watershed are estimated using the joint modeling of a canopy and soil water transfer. Recharge rates are mainly affected by altitude in mid-elevation watersheds, whereas land cover is the main controlling factor at high-elevation watersheds because of the additional input of fog interception in forests. A hydrological analysis shows that losses from the high-elevation basins become groundwater inputs in the mid-elevation basins, while others have inputs from watersheds at the same altitude, such as CG. The detailed geometry of its hydrogeological watershed is obtained from the dataset of a high resolution AEM SkyTEM survey, which confirms the assumption that its hydrogeological watershed is bigger than its hydrological one. Results from these approaches allow proposing a hydrogeological conceptual model for the springs of CG, where the groundwater flow of springs is fed by a perched aquifer suspended by a low permeability thin layer. This model is tested with numerical simulations, which confirm the plausibility of the existence of a perched aquifer. This thesis provides scientific basis for an effective water management strategy.

Selon le Rapport mondial des risques publié par l'Institut universitaire des Nations Unies pour l'environnement et la sécurité humaine, le Mexique a une vulnérabilité de 46% et un manque de capacité d'adaptation de 76% en termes de risques de catastrophe. Un de ceux est les risques d'inondation en cas de catastrophe qui pose un sérieux défi pour le développement et la vie des habitants du Mexique. Mexico est confronté à des problèmes d'inondation dans certaines zones à l'ONU certaines périodes de l'année, causant des pertes et des dommages importants sur les propriétés et les résidents dont certains blessés. En conséquence, il est important de procéder à une évaluation des risques d'inondation dans le bassin de Mexico et d'estimer les dommages des inondations probables. Cependant, les données limitées de débits observés et des profondeurs d'eau dans les principaux cours d'eau de la ville sont disponibles, et esta distributeur d'un obstacle à la compréhension des inondations dans la ville de Mexico. Pour la raison d'origine, plusieurs études doivent être effectuées intérêt dans le but d'avoir une compréhension claire disponibles du bassin versant, qui impliquent, études hydrauliques, météorologiques et hydrologiques, la répartition des précipitations, l'analyse des eaux de ruissellement, les risques d'inondation et de la vulnérabilité, et des études de esta permettent l'estimation de dommages directs et indirects à l'économie, aux actifs et à la vie humaine / According to the World Risk Report released by the United Nations University Institute for Environment and Human Security, Mexico has a vulnerability of 46% and a lack of coping capacity of 76% in terms of disaster risk. One of those disaster risks is flooding which poses a serious challenge to the development and the lives of the inhabitants of Mexico. Mexico City is facing problems of flooding in some areas at certain times of the year, causing important losses and damages on properties and residents including some casualties. Therefore, it is important to carry out a flood risk assessment in the catchment of Mexico City and estimate damages of probable flood events. However, limited data of observed discharges and water depths in the main rivers of the city are available, and this represents an obstacle for the understanding of flooding in Mexico City. For these reason, several studies have to be carried out in order to have a clear understanding of the catchment, which involve, meteorological and hydrological/hidraulic studies, rainfall distribution, runoff analysis, flood risk and vulnerability, and this studies allow the estimation of direct and indirect damages to the economy, to assets and to human life. The premise of this study is that with the limited data and resources available, the catchment can be represented to an acceptable degree by the construction of a deterministic hydrological model of the Mexico City basin. The objective of the developed tool is to provide an efficient support to management of the flood processes by predicting the behavior of the catchment for different rainfall events and flood scenarios

Les inondations présentent une grande menace à la sécurité humaine et matérielle. Les effets associés à ces phénomènes naturels risquent d'augmenter encore plus avec les tendances liées aux changements climatiques. Il est donc important de disposer d'outils de prévision et de prévention des crues fiables afin de mitiger les conséquences dévastatrices reliées. La mise en œuvre de ces outils implique des processus physiques assez complexes et nécessite beaucoup de données avec toute l'incertitude associée. Dans cette thèse, on explore les différentes sources d'incertitudes liée à la détermination des niveaux d'eau en rivières principalement dans un contexte de prévision où l'incertitude liée aux données de forçage est très importante. Les analyses conduites sont appliquées à la rivière Chaudière au Québec. En premier lieu, nous avons exploré les différentes sources paramétriques d'incertitude associées à la modélisation hydraulique dans un contexte de simulation avec un accent sur l'amélioration de la calibration du modèle hydraulique. Par la suite, dans un contexte de prévision opérationnel, on a évalué la propagation des sources d'incertitude de la prévision atmosphérique au modèle de rivière en passant par les prévisions hydrologiques avec des techniques probabilistes d'ensemble. La quantification de l'incertitude a montré que les données de forçage sont celles qui contribuent le plus à la description de l'incertitude dans la détermination des niveaux d'eau. L'incertitude paramétrique, dans un contexte de prévision, est quant à elle négligeable. Le recours à des prévisions d'ensemble a permis de produire une prévision de niveau d'eau assez fiable et a montré que celle-ci est fortement liée à la qualité des données qui proviennent de la chaine de prévision hydrométéorologique à l'amont du système de prévision proposé. / Floods are a major threat to human and infrastructure security. The impacts of these natural hazards are likely to increase further with climate change trends. It is therefore important to develop reliable flood forecasting and mitigation tools to help reduce their devastating consequences. The implementation of these tools involves quite complex physical processes and requires a lot of data with all the associated uncertainty. In this thesis, we explore and evaluate the different sources of uncertainty related to the determination of water levels in rivers mainly in a forecasting context where the uncertainty related to forcing data is very important. The analysis carried out is applied to the Chaudière River in Quebec. First, we explored the various parametric sources of uncertainty associated with hydraulic modelling in a simulation context with a focus on improving the calibration of the hydraulic model. Then, in an operational forecasting context, we evaluated the propagation of uncertainty sources from climate forecast to the river model through hydrological forecasting using ensemble driven techniques. Quantification of uncertainty showed that forcing data contribute the most to the description of uncertainty in water level determination and the parametric uncertainty, in a forecasting context, is very negligible. The adoption of ensemble forecasts allowed us to provide reliable water level forecasts and showed that they are highly dependent on the quality of the data produced by the hydrometeorological forecast chain upstream of the proposed forecasting system.

Les prévisions hydrologiques consistent en l’évaluation du débit d’un cours d’eau pour des pas de temps futur. Les prévisions déterministes utilisées actuellement ne donnent aucune indication quant à leur incertitude ce qui peut être gênant dans une optique de prise de décision. Les prévisions d’ensemble tentent de combler ce manque. Pour ce faire, plusieurs jeux de données d’entrée sont créés en appliquant un écart au jeu de données initial afin de simuler cette incertitude et d’obtenir un résultat sous la forme d’une distribution de probabilité. Environnement Canada produit des prévisions météorologiques d’ensemble (PME) à 8 membres depuis 1996. En juillet 2007, le modèle a subi une refonte importante et ce sont désormais 20 membres qui sont produits sur une grille de l’ordre de 100 km. Pour cette Maîtrise, ces PME nouvelles ont été utilisées pour la première fois afin de produire des prévisions hydrologiques d’ensemble (PHE). Le bassin versant étudié est celui de la rivière Lièvre, au sein duquel quatre sites furent disponible pour l’évaluation des PHE. Les travaux ont porté sur une période de 17 jours en octobre 2007 comportant un évènement de crue. Les prévisions sont émises quotidiennement et sont valides pour une durée de 72h. La prévision déterministes est également disponible et sert de point de comparaison Les résultats obtenus sont encourageants. Si la prévision déterministe se comporte légèrement mieux pour des prévisions aux 48h, la PHE est meilleure à 72h, en particulier pour un site. Un autre site produit toutefois des résultats étranges et est à prendre avec mesure. L’incertitude appliquée aux données d’entrée souffre d’une légère sous-dispersion et de biais ponctuels, ce qui signifie que le score de la PHE pourrait être encore amélioré si une calibration de la dispersion était appliquée. Afin de généraliser ces résultats, il peut être intéressant d’en augmenter le nombre, en travaillant avec d’autres bassins versants, d’autres périodes ou encore d’autres modèles. / Hydrological forecasts consist in the evaluation of future streamflow. For the time being, current deterministic forecasts do not give any information concerning the uncertainty, which might be a problem in a decision-making process. Ensemble forecasts are expected to fill the gap. To do so, different input parameter sets are produced by adding a small deviation to the original set in order to evaluate the uncertainty. It results in a probability distribution of the output. Since 1996, Environnement Canada produces an 8-member meteorological ensemble forecasts (PME). In july 2007, an improved model now produces a 20-member PME on a 100 km grid. Within the framework of this study, this new PME is used for the first time so as to produce hydrological ensemble forecasts (PHE). The studied watershed is the Lièvre River (Quebec) where 4 locations are set to evaluate the PHE. The 17-day study in October 2007 contains a flood event, and forecasts are produced daily with a 3-day forecast horizon. The deterministic forecast is also available and is compared with the PHE. The results are positive. Even though the deterministic forecast behaves slightly better for a 48h forecast, the PHE is better for a 72h forecast, especially for 1 site. Meanwhile, an other site appears to behave strangely and its results must be taken carefully. The uncertainty applied to the input set is under-dispersed and biaised, which means that the performance of the PHE might be increased with an appropriate calibration. In order to generalize these results, more similar experiments have to be done, by working on other watersheds, with other model and/or other time periods.

Depuis quelques années, les prévisions probabilistes suscitent un intérêt croissant parmi les communautés météorologique et hydrologique. Cet intérêt découle en majeure partie du fait que ce type de prévision permet l'évaluation de l'incertitude associée aux prévisions. Les prévisions d'ensemble peuvent être construites à partir de réseaux de neurones. Cette méthode est avantageuse pour sa simplicité et pour sa rapidité d'exécution. L'évaluation de l'incertitude associée aux prévisions par réseaux de neurones ne peut s'effectuer analytiquement puisque l'expression mathématique du modèle est inconnue. C'est pourquoi des méthodes comme celle du rééchantillonnage avec remise (bootstrap) sont parfois employées pour déterminer l'incertitude associée à la prévision déterministe issue d'un réseau de neurones. Cette technique permet d'obtenir un ensemble de prévisions pour chaque pas de temps. Une loi de probabilité peut alors être ajustée aux prévisions d'ensemble afin d'obtenir une distribution prédictive. Cependant, à notre connaissance, la fiabilité de cette prévision probabiliste n'a pas été démontrée. La calibration de cette distribution ainsi que les mesures à prendre pour la corriger ne semble pas avoir été examinée à ce jour dans un contexte hydrologique. Ce mémoire présente différentes méthodes graphiques et numériques pour vérifier la qualité des prévisions probabilistes hydrologiques issues de réseaux de neurones. Ces méthodes ne sont pas uniquement applicables aux réseaux de neurones et pourraient être utilisées avec n'importe quel type de prévisions probabilistes de variables continues. La calibration de la distribution prédictive sera évaluée et corrigée et l'influence de la technique du rééchantillonnage avec remise sur les prévisions d'ensemble sera investiguée. / Since the last few years, there has been an increasing interest for probabilistic forecasting in the meteorological and hydrological community. This enthusiasm arises in a large extent from the possibility of uncertainty assessment that probabilistic forecasting has brought. Hydrological ensemble forecasting may be constructed using neural networks, which is a very useful tool regarding its simplicity and execution speed. Since the mathematical description the neural model remains unknown by the user, it is not possible to evaluate the forecast's uncertainty in a strict mathematical way. Some methods like the bootstrap can be used to overcome this difficulty. The bootstrap generates an ensemble of forecasts at each time step. Then, the ensemble can be used to fit a law of probability in order to obtain a predictive distribution. However, to the extent of our knowledge, the reliability of this probabilistic forecast has never been investigated. In addition, the calibration of this distribution as well as methods to correct it does not appear to have been investigated up to day in a hydrological context. This document presents graphical and numerical methods used to assess the quality of probabilistic hydrological forecasts obtained from neural networks. The methods employed here apply to any type of probabilistic forecasts of continuous variable and are not restricted to neural networks forecasting. The calibration of the predictive distribution will be evaluated and corrected, and the impact of the bootstrap will be investigated.

Le projet de modélisation du fonctionnement hydrique d'une forêt amazonienne brésilienne est d'une importance capitale pour les études globales du climat. C'est un sujet d'actualité très sensible en raison de la fragilité de la forêt amazonienne ainsi que des modifications encore mal connues qu'elle pourrait subir suite aux fluctuations climatiques globales: élévation de la température, augmentation atmosphérique de la teneur en CO2, variations des précipitations suite à une modification de la circulation générale. Du point de vue scientifique, le projet proposé est le développement d'un modèle hydrodynamique qui tiendra compte des spécificités des sols amazoniens. Le modèle développé servira à la prédiction du comportement de la forêt sous différentes conditions climatiques et selon différents types de sols dans des travaux futurs. Il s'agit d'une innovation puisque les résultats de la recherche permettraient désormais de tenir compte de nouveaux paramètres (spécificités des sols amazoniens, fonction d'évapotranspiration adaptée à la forêt amazonienne brésilienne) dans les modèles météorologiques globaux. Il en résultera également une meilleure compréhension de l'interaction entre l'évolution des forêts et les fluctuations climatiques.

La possibilité d’estimer l’impact du changement climatique en cours sur le comportement hydrologique des hydro-systèmes est une nécessité pour anticiper les adaptations inévitables et nécessaires que doivent envisager nos sociétés. Dans ce contexte, ce projet doctoral présente une étude sur l'évaluation de la sensibilité des projections hydrologiques futures à : (i) La non-robustesse de l’identification des paramètres des modèles hydrologiques, (ii) l’utilisation de plusieurs jeux de paramètres équifinaux et (iii) l’utilisation de différentes structures de modèles hydrologiques. Pour quantifier l’impact de la première source d’incertitude sur les sorties des modèles, quatre sous-périodes climatiquement contrastées sont tout d’abord identifiées au sein des chroniques observées. Les modèles sont calés sur chacune de ces quatre périodes et les sorties engendrées sont analysées en calage et en validation en suivant les quatre configurations du Different Splitsample Tests (Klemeš, 1986; Wilby, 2005; Seiller et al. (2012); Refsgaard et al. (2014)). Afin d’étudier la seconde source d’incertitude liée à la structure du modèle, l’équifinalité des jeux de paramètres est ensuite prise en compte en considérant pour chaque type de calage les sorties associées à des jeux de paramètres équifinaux. Enfin, pour évaluer la troisième source d'incertitude, cinq modèles hydrologiques de différents niveaux de complexité sont appliqués (GR4J, MORDOR, HSAMI, SWAT et HYDROTEL) sur le bassin versant québécois de la rivière Au Saumon. Les trois sources d'incertitude sont évaluées à la fois dans conditions climatiques observées passées et dans les conditions climatiques futures. Les résultats montrent que, en tenant compte de la méthode d'évaluation suivie dans ce doctorat, l'utilisation de différents niveaux de complexité des modèles hydrologiques est la principale source de variabilité dans les projections de débits dans des conditions climatiques futures. Ceci est suivi par le manque de robustesse de l'identification des paramètres. Les projections hydrologiques générées par un ensemble de jeux de paramètres équifinaux sont proches de celles associées au jeu de paramètres optimal. Par conséquent, plus d'efforts devraient être investis dans l'amélioration de la robustesse des modèles pour les études d'impact sur le changement climatique, notamment en développant les structures des modèles plus appropriés et en proposant des procédures de calage qui augmentent leur robustesse. Ces travaux permettent d’apporter une réponse détaillée sur notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques du bassin Au Saumon et de proposer une démarche méthodologique originale d’analyse pouvant être directement appliquée ou adaptée à d’autres contextes hydro-climatiques. / The possibility to estimate the impact of climate change on the hydrological behavior of hydrosystems, the hydrological risks, and the associated resources is a necessity in order to anticipate the inevitable and necessary adaptations that must consider our societies. In this context, the doctoral project presents a study on the evaluation of the uncertainty of hydrological projections for the future climate when considering: (i) The non-robustness of hydrological model parameter identification, (ii) the use of several ensembles of equifinal parameter sets over a given calibration period and (iii) the use of different model structures for the hydrological model. To quantify the impact of the first source of uncertainty on the model outputs, four climatically contrasted sub-periods are first identified within the observed time series. The models are calibrated on each of these four periods, then generated outputs are analyzed on calibration and validation data. The calibration and validation tests were performed according to the configurations of four Different Split-sample Tests (Klemeš, 1986; Wilby, 2005; Seiller et al., 2012; Refsgaard et al., 2014). In order to study the second source of uncertainty related to the model structure, the equifinality of the parameter sets is taken into account by considering an ensemble of equifinal parameter sets for each sub-period calibration. Finally, to assess the third source of uncertainty, five hydrological models of different levels of complexity are applied (GR4J, MORDOR, HSAMI, SWAT, and HYDROTEL) on the watershed of the Au Saumon River (Québec, Canada).The three sources of uncertainty are assessed in the past observed period and in future climate conditions. Results show that, given the evaluation approach followed in this Ph.D. research, the use of different levels of complexity of hydrological models is the major source of variability in streamflow projections in future climate conditions for the five models tested. This is followed by the lack of robustness of parameter identification. The hydrological projections generated by an ensemble of equifinal parameter sets are close to those associated with the optimal set. Therefore, it seems that greater effort should be invested in improving the robustness of models for climate change impact studies, especially by developing more suitable model structures and proposing calibration procedures that increase their robustness. This work serves to provide a detailed response on our ability to make a diagnosis of the impacts of climate change on water resources of the Au Saumon watershed and proposes a novel methodological approach that can be directly applied or adapted to other hydro-climatic contexts.