Ce travail de thèse, qui s'inscrit dans le cadre du programme AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine), vise à modéliser le fonctionnement hydrologique de la Haute Vallée de l'Ouémé (14400 km$²$) au Bénin. Il a pour but de réaliser une première estimation des bilans hydrologiques et de contribuer au développement d'outils capables de simuler les impacts climatiques et anthropiques sur la ressource en eau. Dans un premier temps, nous avons cherché à caractériser le fonctionnement hydrologique de la région, et à quantifier les principaux termes du bilan hydrologique à méso-échelle. Pour conceptualiser ces bassins versants, une démarche comparative a été adoptée, et deux modélisations parcimonieuses ont été mises en oeuvre: GR4J, structure empirique et générique, et TOPAMMA, formalisme dérivé de TOPMODEL et développé au cours de ce travail. Un cadre d'évaluation complet a été défini, permettant de juger les modèles en terme: (i) de performances, (ii) d'incertitudes associées à leurs prédictions ; (iii) de réalisme. Ainsi, bien que leurs performances pour simuler la relation pluie-débit soient comparables, ces modèles se distinguent lorsque les incertitudes sur les simulations et les autres composantes du cycle hydrologique sont considérées. La variabilité hydro-climatique observée dans la région au cours de 50 dernières années a également permis d'évaluer le pouvoir d'extrapolation des modèles et leur application dans des conditions non stationnaires. Nous nous sommes en particulier intéressés aux aspects méthodologiques de la détection de changements de la relation pluie-débit à partir des modèles hydrologiques. Enfin, une première estimation de la sensibilité de la réponse hydrologique au régime de mousson a été réalisée, à travers différents scénarios de forçage pluviométrique.

Thèse doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2003. Thèse doctorat : Génie civil : Université Ibnou Zohr d'Agadir : 2003. / Thèse en cotutelle. N° d'ordre (Lille 1) : 3434. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 128-139.

Depuis plus de 30 ans, Anjouan, île volcanique tropicale humide de l'archipel des Comores situé à l'entrée Nord du Canal de Mozambique entre l'Afrique et Madagascar dans l'océan indien, connaît une perturbation du régime hydrologique de ses bassins versants avec une diminution des ressources en eau sur les zones côtières mais aussi des excès responsables de crues violentes et de mouvements de masse. Les origines du phénomène, mal connues, sont fréquemment associées à la déforestation anthropique sur les versants. Pour répondre à cette problématique, une approche méthodologique multi-source, multi-date et multi-échelle a été adoptée. Elle s'appuie sur la mise en œuvre d'un Système d'Information Géographique associant des Modèles Numériques de Terrain, des images satellites (Spot 5 et Quickbird de de Google Earth) et des photographies aériennes (1950, 1969 et 1998) aux statistiques climatiques et démographiques ainsi qu'à des relevés écologiques et des enquêtes. Les résultats de l'étude sur deux bassins versants pilotes aux régimes d'écoulements différents, l'un permanent situé dans le domaine du Sud-Ouest et l'autre temporaire à l'Est d'Anjouan, montrent une réalité multi-causale et plus complexe de la perturbation du fonctionnement hydrologique des bassins versants d'Anjouan. Les mesures techniques ne suffisent pas pour résoudre le problème. Il est de ce fait préconisé un modèle d'aménagement qui intègre les composantes environnementales, sociales, économiques et politique des bassins versants.

Dans un contexte de recul des glaciers causé par le changement climatique et d'augmentation des besoins en eau due à l'accroissement de la population et au développement économique, quantifier les contributions à l'origine des écoulements dans les bassins versants de montagne himalayens est nécessaire à la gestion de la ressource en eau actuelle ainsi qu'à la recherche de solutions d'adaptation aux impacts du changement climatique.La modélisation hydrologique est un outil adapté à la compréhension du fonctionnement des bassins versants de montagne cependant, le manque de données météorologique dans les régions de haute altitude et la représentation simplifiée des processus cryosphériques dans les modèles hydrologiques induisent de fortes incertitudes sur la simulation des débits dans les rivières.Cette thèse vise à quantifier les différentes contributions aux écoulements ainsi que leurs variations saisonnières à l'échelle locale en appliquant un modèle glacio-hydrologique dans un bassin englacé de l'Himalaya népalais.Une nouvelle paramétrisation de l'albédo de la neige et de la fonte des glaciers couverts ainsi qu'une implémentation d'un module d'avalanche sont ajoutés dans le modèle DHSVM-GDM pour améliorer la simulation du couvert neigeux et de l'évolution des glaciers.L'analyse du bilan hydrologique simulé avec la nouvelle configuration du modèle montre que les glaciers jouent un rôle important sur les débits à l'exutoire, notamment en hiver où les débits sont principalement contrôlés par l'écoulement de l'eau liquide stockée dans les glaciers.Cette thèse met en relief la difficulté de quantifier la contribution des glaciers dans les débits de rivière, en effet, sur le bassin étudié, cette contribution est estimée à 45 % de l'écoulement total si on considère la part des écoulements issus de la fonte de glace, ou bien à 70 % si on considère la part des écoulements provenant des zones englacées.L'incertitude des résultats de modélisation est étudiée en évaluant les impacts de la représentation des processus dans le modèle et de l'incertitude des données de forçage sur la simulation des contributions aux écoulements.L'incertitude sur la surface englacée dans le bassin génère une incertitude de 20 % sur le volume de fonte de glace simulé et l'incertitude sur les données de précipitations aboutit à une estimation de la contribution de la fonte de glace aux écoulements est comprise entre 28 et 70 % des débits annuels. / In a context of glacier shrinkage caused by climate change and in a context of an increase of the water demand due to population growth and economic development, it is necessary to quantify the contributions to the outflow in the Himalayan mountain catchments in order to improve the present water resource management and find adaptation solutions to climate change.Hydrological models are useful tools to understand the water balance in mountain catchment, however, the lack of meteorological data in high altitude regions and the simplified representation of the cryospheric processes in the models lead to large uncertainties on the simulated river discharges.This study quantifies the different contributions to the outflow as well as their seasonal variations at local scale using a glacio-hydrological model in a glacierized catchment located in the Nepalese Himalayas.New parametrizations for the snow albedo and debris covered glaciers, as well as an avalanche module, were implemented in DHSVM-GDM model in order to improve the simulation of the snow cover dynamics and the glacier evolution.The simulated water balance obtained with the new configuration of the DHSVM-GDM model shows that glaciers have a major impact on the river discharges, especially during winter when the outflow is mainly controlled by the release from the englacial water storage.This study highlights the complexity of quantifying the glacier contribution to the river discharges because, on the studied catchment, the glacier contribution is equal to 45 % of the total runoff considering the share of ice melt to the river discharge, or 70 % considering the share of runoff originating from glacierized areas.The impact of the representation of the cryospheric processes in the model and the impact of the forcing data on the simulated water components are analysed to assess the uncertainty on the hydrological modelling.The uncertainty related to the glacierized area estimation leads to an uncertainty of 20 % on the simulated ice melt volume, and the uncertainty related to the precipitation datasets result in a simulated ice melt contribution to the outflow ranging from 28 et 70 % of the annual outflow.

Au cours des deux derniers siècles, le Rhône a connu de fortes modifications de son régime hydrologique et de sa dynamique fluviale, aboutissant à une diminution drastique de la diversité structurelle et fonctionnelle des habitats, à la fois sur le fleuve et ses marges. Un programme de restauration ambitieux du fleuve a ainsi été lancé à la fin des années 1990. Cette thèse s'inscrit dans le suivi des travaux de restauration, entrepris entre 1999 et 2006, sur 18 chenaux latéraux. Elle se fonde sur l'analyse croisée de mesures in situ de la granulométrie du substrat, des épaisseurs de lames d'eau et de sédiments fins dans les chenaux latéraux, de données topographiques et hydrologiques ainsi que d’acquisitions photographiques aéroportées. Nous disposons de données avant travaux pour 12 chenaux latéraux et de 3 à 7 campagnes de mesures post-travaux, couvrant de 5 à 15 années. Afin d'évaluer l'ajustement des conditions hydromorphologiques, la diversité fonctionnelle et la pérennité des chenaux latéraux en tant qu'habitats aquatiques, l'étude s'appuie sur des statistiques et de la modélisation à portée prédictive. Nous démontrons que les patrons granulométriques et les vitesses d'accumulation des alluvions fines peuvent être relativement bien estimés à partir de descripteurs de l'hydrodynamisme des écoulements de crue dans les bras dépendant de leur géométrie (fréquence de connexion amont, contrainte de cisaillement et capacité de reflux). Les relations statistiques empiriques établies indiquent qu'il est possible d'estimer, a priori, l’effet de la modification de la géométrie des bras restaurés sur les patrons granulométriques et la quantité de fines qui s’y déposent. La durée de vie potentielle des bras est également estimée à partir des données acquises et discutée en fonction de différents modèles tendanciels. A l’issue de ces analyses, des outils opérationnels sont ainsi proposés, permettant de guider les futures opérations de restauration de ce type sur le Rhône. / Over the past two centuries, the hydrological regime and the fluvial dynamics of the Rhône River have been highly modified, leading to a drastic decrease in the structural and functional habitat diversity of the main river channel and floodplains. An ambitious restoration project was initiated at the end of the 1990's. This thesis deals with the monitoring of 18 floodplain channels, which were restored between 1999 and 2006. We combined analysis based on grain size of deposits, fine sediment thicknesses, water depth, topographical and hydrological data and airborne imagery. We used pre-restoration data for 12 floodplain channels coupled with between three and seven post-restoration surveys for each channel, ranging from 5 to 15 years after restoration. To assess the adjustment of hydromorphological conditions, the physical functional diversity and the persistence of floodplain channels as aquatic habitats, we used statistical analysis and a modeling approach that allowed us to forecast conditions. Results demonstrate that both (i) grain size patterns and (ii) fine sediment accumulation rates can be predicted using simple hydrologic and/or hydraulic descriptors (upstream overflow frequency, shear stress, back-flowing capacity), which reflect the control exerted by the geometry of floodplain channels on their flooding regime (upstream overflow frequency, shear stress and backflow capacity). Such empirical statistical relationships can be used a priori to estimate the potential effects of different floodplain channel geometries on the propensity to accumulate fine sediment and the grain sizes of this sediment. Estimates of potential ranges of floodplain channel life spans are provided and discussed according to multiple trend models. This research has direct application and provides tools to river managers that will help guide this type of floodplain channel restoration design in the future on the Rhône River.

L'estimation d'indices d'étiage est d'une grande importance pour une meilleure connaissance de la ressource en eau disponible et en déduire des règles de gestion de cette ressource et des risques associés. Idéalement, ces indices sont calculés en sites jaugés à partir de longues chroniques de débits mesurés. En sites non jaugés, ces indices doivent être estimés. Cette thèse s'inscrit dans le projet d'amélioration de l'outil informatique " LoiEau " utilisé par les DREAL et les Agences de l'eau. Le principal objectif est de développer un modèle hydrologique simple et flexible pour estimer tous les indices d'étiage souhaités à des intervalles de temps journaliers ou supérieurs en sites non jaugés. La simplicité du modèle repose sur l'hypothèse forte que deux paramètres plus facilement régionalisables suffisent à estimer les indices avec une précision voulue. Cette précision dépend de la fonction objectif qu'il a fallu adapter aux faibles débits pour caler convenablement les paramètres du modèle sur des sites jaugés. Le modèle se veut flexible dans le sens où il est applicable à une large variété de bassins versants. Il a été comparé au modèle journalier à quatre paramètres GR4J et au modèle mensuel à deux paramètres LoiEau en s'intéressant aussi à la façon de régionaliser les paramètres. Des comparaisons ont également été réalisées avec une méthode d'estimation dite stochastique d'un indice d'étiage classique. Ces travaux montrent le potentiel du modèle à deux paramètres et l'avantage du pas de temps journalier, la variabilité temporelle des précipitations n'étant pas sans conséquence sur l'estimation de débits moyens en raison de la non-linéarité des modèles pluies-débits. / Estimating low-flow indices is of paramount importance to understand low flows and to manage water resources and risk assessments. These indices are derived from time-series of river discharges that are measured at gauged sites over long periods. At ungauged sites, the indices must be estimated. This research work is part of a project to improve “LoiEau”, a software package that is used by French regional environmental or water agencies. The main objective is to develop a simple and flexible rainfall-runoff model to simulate low-flow indices of ungauged sites at daily or longer time intervals. The model simplicity relies on the strong assumption that two free parameters are sufficient to provide accurate enough estimates of low-flow indices, yet making easier the regionalisation of models. The model accuracy depends on the objective function that is used to calibrate model parameters on gauged sites and had to be adapted to low-flow simulations. The model is flexible in the sense that it is designed to fit to a wide variety of catchments and hydro-meteorological behaviours. This model was compared with GR4J, a daily rainfall-runoff model which involves four parameters, and LoiEau, a monthly model. Comparisons were also carried out with a stochastic estimation method applied to a specific low-flow index. This research work shows the potential of the two-parameter model, but also the advantage of a daily time step to account for the temporal variability of precipitations, which is not without consequence on the assessment of average discharges due to the nonlinearity of rainfall-runoff models.

L’urbanisation a de multiples impacts sur les processus hydrologiques. A l’échelle du bassin versant, ces impacts sont difficiles à quantifier et les résultats de la littérature sur ce sujet sont assez disparates. L’objectif de cette thèse est d’analyser conjointement l’évolution de l’urbanisation et l’évolution des écoulements des bassins versants. La détection et la quantification des changements d’écoulement potentiellement liés à l’urbanisation des bassins nécessitent de distinguer les changements de débits liés à l’urbanisation de ceux liés à d’autres facteurs de variabilité hydrologique, tels que le climat. Ceci soulève plusieurs questions liées notamment à la relation entre la variabilité du climat et celle de la réponse hydrologique des bassins, et aussi à la détermination d’une mesure de l’urbanisation utile pour l’hydrologie. Pour répondre à ces questions, plusieurs approches ont été testées : 1) Nous avons analysé la fiabilité d’un modèle hydrologique pour simuler l’impact de l’urbanisation. Pour cela, nous avons utilisé la technique des bassins versants appariés : un bassin versant urbanisé proche d’un autre bassin versant non-urbanisé servant de témoin permet d’évaluer l’impact de l’urbanisation sur la réponse hydrologique des bassins. 2) Nous nous sommes également intéressés à la caractérisation de l’urbanisation par des mesures de structure du paysage urbain, en complément de mesures plus classiques (imperméabilité et fraction de surface urbaine). 3) Nous avons ensuite étudié les variables qui expliquent le mieux chaque variable hydrologique de bassin (module et débits caractéristiques de crue et d’étiage. 4) Nous avons enfin utilisé un modèle hydrologique permettant de synthétiser le comportement du bassin versant au cours e son urbanisation.Les résultats ont montré que l’approche par modélisation hydrologique permettait de quantifier d’une façon satisfaisante l’impact du changement d’occupation du sol. Cette approche par modélisation donne des résultats proches de celle par bassins appariés. La thèse met également en évidence que l'impact de l'urbanisation sur la réponse hydrologique du bassin versant reste difficile à généraliser. En effet, une majorité de bassins versants urbains ne présente pas de tendance significative sur les caractéristiques hydrologiques analysées (débits caractéristiques de crue et d’étiage). Enfin, les caractéristiques de fragmentation du paysage urbain fournissent des éléments complémentaires aux mesures plus classiques de l’urbanisation. / Urbanization and population concentration are suspected of having multiple impacts on the catchment’s hydrologic response. It is difficult to synthetize the results from the numerous case studies related to the impact of urbanization on catchment’s hydrologic response. The main objective of this study is to compare the flow changes detected by urbanization. The change flow quantification is impacted simultaneously by climate variability and urbanization, which makes it difficult to distinguish the causal effects of change. To cope with this climate confusing effect and determination a useful measure of urbanization for catchment hydrological response several approach have been tested: 1) We are looking for changes in the hydrological signal time-series in urbanizing catchments and then identifying repeatedly model parameters on successive time periods. The conceptual modelling (top-down) approach was used to calibrate model on the urbanized catchments and simulated the non-urban condition. 2) In addition to traditional urban measures (total impervious area) the urban area were characterized by landscape metrics, which enable analyzing the patterns of historical urban growth. 3) We combine a hydrological model, catchments characteristics and landscape metrics to quantify the explaining variables for the hydrologic response change. 4) We were used the hydrological model to evaluate the catchment behavior over time. Results confirmed that the hydrological model is useful to quantify the impact of land use change. The results show the good agreement between conceptual modelling approaches and the paired catchments approaches change detections.The impact of urbanization on the catchment hydrological response remains difficult to generalize. The most of catchment show the no significant trend on hydrological response over the study. However, results confirmed that the urban fragmentation and landscape metrics provide additional elements compared to the total impervious study.

Les environnements montagneux sont un lieu privilégié d'échange d'eau et d'énergie. Les rivières de montagne alimentent en eau 40% de la population mondiale et sont sujettes à une pression démographique et climatique important. Dans ce contexte, la compréhension des processus météorologiques, hydrologiques et hydrogéologiques est fondamentale pour la gestion globale de la ressource en eau. L'étude, présentée dans ce manuscrit de thèse, se positionne au sein des environnements montagneux où l'hydrologie est influencée par le couvert neigeux saisonnier et par les glaciers, et propose une approche de modélisation interdisciplinaire afin d'améliorer la compréhension des processus en jeu.Aujourd'hui, si les modèles sont capables de simuler le débit sur les rivières de montagnes jaugées sous influence nivale et glaciaire, un certain nombre d'incertitudes persistent quant à l'utilisation de tels modèles hors de leur conditions de validation (en réponse à un climat différent ou sur un domaine non-jaugé). La principale source d'incertitude est liée au manque de connaissance des précipitations en montagne, dont la mesure est rare et incertaine. C'est pourtant la principale composante du bilan hydrologique. A cet égard, nous proposons d'exploiter l'information fournie par la géométrie du couvert neigeux et des glaciers, en tant que “pluviomètres géants” à l'échelle de ces réservoirs, dans un modèle hydrologique à réservoirs conceptuels reposant sur la notion de bassin versant.L'information, hydrologique, nivale et glaciaire est évaluée dans un cadre de calibration multi-objectifs. Les résultats montrent que, dans cette configuration, la validation conjointe du modèle hydrologique par le débit journalier, le bilan de masse glaciaire annuel et la hauteur de neige locale journalier permet de réduire fortement l'incertitude sur le forçage météorologique journalier et d'améliorer la robustesse du modèle. Ce résultat préliminaire nous a permis de reconstruire, en conséquence, le bilan de masse local annuel à l'échelle des glaciers.Par ailleurs, la représentation des glaciers au sein d'un modèle hydrologique pose un certain nombre de défis, surtout dans la perspective de simuler les processus hydrologiques à l'échelle pluri-annuelle. En particulier, la prise en compte de l'évolution de la géométrie des glaciers au sein d'un modèle hydrologique est balbutiante. A cet égard, nous proposons, dans cette étude, des axes d'amélioration de la représentation des glaciers au sein d'un modèle hydrologique par un angle d'investigation géomorphologique. Cette approche a permis d'élaborer un modèle probabiliste permettant de décrire les surfaces englacées au sein d'un bassin versant selon une courbe de niveau. / Mountainous environments are a privileged place of water and energy exchange. Mountainous rivers feed about 40% of the world population and are subjected to climate change and a growing demography. In this context, the comprehension of meteorological, hydrological and hydrogeological processes is essential for a better overall management of water resource. This PhD study is focused squarely on the mountainous environments where hydrology is influenced by snow cover and glaciers, and introduces a multidisciplinary modeling approach in order to improve our comprehension of the process involved.Today, hydrological models are able to simulate gauged mountainous river streamflows under the influence of snow and glaciers but some uncertainties remain when applying such models out of their calibration phase (for instance in response to a different climate or on a ungauged basin). The main uncertainty source is the lack of knowledge of mountainous precipitations, whose measure is sparse and uncertain. It remains the principal component of the hydrological budget though. In this study, we suggest using the meteorological information provided by snow cover and glaciers as “giant pluviometers” to their reservoir scales, with a conceptual reservoir model associated with the concept of watershed.The information provided by hydrology processes, snow and glaciers is assessed in a multi-objective calibration phase. Results show that, in this configuration, the joint validation of the hydrological model by daily streamflow, annual mass balance and daily local snow depth reduces significantly the uncertainty on the meteorological forcing and improves the model robustness. This preliminary result has motivated, consequently, the local annual mass balance of the glaciers.Also, the representation of glaciers in a hydrological model raises a certain amount of issues, especially in the perspective of simulation long-term hydrological processes. In particular, the consideration of the evolution of the glacier geometry is at an early stage. To this end, we propose, in this study, ways of improvements for the representation of glaciers from a geomorphological perspective. This approach allowed us to build a probabilistic model able to describe the glaciated surfaces within a watershed according to a given topographic contour line.

Pour fournir des simulations fiables, les modèles hydrologiques nécessitent usuellement le calage de leurs paramètres sur des données de débit. Toutefois, ces dernières sont limitées et la plupart des bassins versants sont non jaugés. Des méthodes alternatives regroupées sous le terme de 'régionalisation' sont alors nécessaires pour estimer les paramètres des modèles. La thèse propose de combiner les trois méthodes les plus classiques afin de régionaliser les paramètres d'un modèle distribué sur deux grands bassins versants français : la Loire à Gien et la Durance à Cadarache. À partir des trois méthodes de régionalisation, le degré de spatialisation est adapté aux différents paramètres du modèle d'après leurs caractéristiques et leur rôle hydrologique. In fine, l'approche multi-méthode et multi-motif proposée (i) réduit considérablement le nombre de degrés de liberté du modèle, (ii) améliore la représentation de la variabilité physique du bassin et (iii) améliore très nettement les performances des simulations. En contexte non jaugé, la spatialisation des paramètres permet un gain d'environ 10 %, l'approche multi-méthode et multi-motif apportant en particulier un gain d'environ 7 % par rapport à une méthode de régionalisation unique. Malgré ces gains, l'impact de la spatialisation des forçages météorologiques demeure 6 fois plus important que spatialisation des paramètres. / To provide reliable simulations, hydrological models usually require the calibration of their parameters over streamflow data. However, the latter are limited and most of the catchments remained ungauged. Consequently, alternative methods termed ‘regionalization’ are needed to estimate model parameters. The thesis proposes to combine the three classical methods in order to regionalize the parameters of a distributed model over two large French catchments: the Loire catchment at Gien and the Durance catchment at Cadarache. On the basis of the three regionalization methods, the degree of spatialization is adapted to the different model parameters according to their characteristics and their hydrological role. In fine, the proposed multi-method and multi-pattern approach (i) significantly reduces the number of degrees of freedom, (ii) improves the representation of the catchment physical variability, and (iii) significantly improves the performance of the simulations. In the ungauged context, the parameter spatialization allows an improvement of about 10%, and in particular, the multi-method and multi-pattern povides an improvement of about 7% compared to a single regionalization method. Despite these improvements, the impact of the climatic input spatialization remains 6 times greater than th parameter spatialization.

Dans le cadre de ce travail, nous avons quantifié l’impact des incertitudes hydrologiques et climatiques sur la production hydroélectrique dans le bassin de la rivière Gatineau. L’approche mise en œuvre repose sur des simulations climatiques, la modélisation hydrologique et l'optimisation de l'exploitation des réservoirs. Les résultats hydrologiques confirment ce que d’autres études ont déjà montré, à savoir un hydrogramme plus contrasté, marqué par une fonte des neiges plus précoce et un volume de crue plus important, suivi d’une saison estivale plus sèche que par le passé. En termes de production d’énergie, cela se traduit par une production attendue d’énergie supérieure mais également plus variable. Ce gain d’énergie se produit essentiellement à la fin de l’hiver-début du printemps et fait suite aux précipitations plus importantes sur le bassin au cours de l’hiver. Compte tenu des caractéristiques physiques du système (capacités de stockage et de turbinage), les modifications du régime hydrologique entrainent des déversements supplémentaires, essentiellement pendant la fonte des neiges. / This research quantifies the impact of hydrological and climatic uncertainties on hydropower generation in the Gatineau River basin. The proposed approach is based on climate simulations, hydrological modeling and optimization of reservoir operation. Hydrological results from this study confirm what other studies have shown, a more mixed hydrograph marked by earlier snow melting and greater flood volume, followed by drier summers than in the past. In terms of energy production, this translates into an expected increase in energy but also in a more variable production. This gain of energy mainly occurs in the late winter-early spring and follows the higher rainfall in the basin during the winter. Given the physical characteristics of the system (storage and turbine capacity), changes in the hydrological regime entail additional spills, mainly during snowmelt.