Le fonctionnement optimal d'un système de réservoirs est un processus décisionnel complexe impliquant, entre autres, l'identication d'un compromis temporel concernant l'utilisation de l'eau : la dernière unité d'eau doit-elle être conservée ou plutôt utilisée pour un usage immédiat? La variabilité des apports hydrologiques complique encore davantage ce processus décisionnel puisque la recherche de ce compromis doit être effectuée sans une connaissance parfaite des conditions futures. De manière générale, l'équilibre optimal entre les utilisations immédiates et futures de l'eau nécessite l'intégration de règles de gestion à court et à long terme. Si les règles à court terme conduisent à des décisions à courte vue, les stratégies opérationnelles à long terme ne sont pas appropriées pour gérer des événements à court terme tels que les inondations. Nous proposons un cadre de modélisation basé sur l'approche de décomposition temporelle (DT) : Les stratégies à moyen/long terme sont tout d'abord déterminées puis utilisées comme limites pour l'optimisation des stratégies à court terme. Le modèle d'optimisation à moyen terme capture la persistance temporelle trouvée dans le processus des apports hydrologiques hebdomadaires, alors que les prévisions hydrologiques d'ensemble (PHE) sont utilisées pour piloter le modèle à court terme sur un pas de temps journalier. Plus spécifiquement, la programmation dynamique stochastique duale (SDDP) génère les fonctions des bénéces de valeur hebdomadaires qui sont ensuite imposées à un modèle de programmation linéaire implémenté sur chaque membre des PHE de 14 jours. Ce cadre de modélisation est mis en oeuvre selon un mode de gestion en horizon roulant sur une cascade de centrales hydroélectriques dans le bassin de la rivière Gatineau dans la province du Québec au Canada. À l'aide de ce cadre de modélisation, nous analysons la relation entre la valeur économique et les caractéristiques statistiques des PHE. Les résultats montrent que l'énergie générée par le système hydroélectrique augmente avec la précision et la résolution de la prévision, mais que la relation n'est pas univoque. En effet, d'autres facteurs semblent contribuer à l'utilité de la prévision / The optimal operation of a system of reservoirs is a complex decision-making problem involving, among others, the identification of a temporal trade-offs regarding the use of water. Should the last unit of water be kept in storage or rather be released for use downstream? The variability of natural inflows further complicates this decision-making problem: at any given point in space and time, this trade-off must be made without a perfect knowledge of future reservoir in flows. Generally speaking, the optimal balance between immediate and future uses of water requires the integration of short- and long-term policies. If short-term policies lead to shortsighted decisions, long-term operational strategies are not appropriate to handle short-term events such as floods. We propose a modeling framework based on the time decomposition (TD) approach: mid/long-term policies are determined first and then used as boundary conditions for the optimization of short-term policies. The mid-term optimization model captures the temporal persistence found in the weekly streamflow process whereas Ensemble Streamflow Forecasts (ESF) are used to drive the short-term model on a daily time step. More specifically, a Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP) generates the weekly benefit-to-go functions that are then imposed to a linear programming model implemented on each 14-days member of the ESF. This modelling framework is implemented in a rolling-horizon mode on a cascade of hydropower stations in the Gatineau River basin, Quebec, Canada. Using this modelling framework, we analyze the relationship between the economic value of different sets of short-term hydrologic forecasts. The results show that the energy generated by the hydropower system increases with the forecast's accuracy and resolution but that the relationship is not univocal; other factors seem to contribute to the forecast's utility.

Pour les pays du sous-continent ouest africain soumis depuis une trentaine d'années à un changement climatique sans précédent au XXème siècle, la modélisation de l'impact de la variabilité prévisible du climat sur les ressources en eau est fondamentale pour la planification des aménagements. L'objectif de ce travail est l'utilisation de simulation de pluies et d'évapotranspiration potentielle issues de scénarii climatiques en entrée de modèles hydrologiques, calés pour les grandes rivières d'Afrique de l'Ouest (Sénégal, Gambie, Sassandra) et Centrale (Logone-Chari), afin d'étudier la variabilité probable des ressources en eau au cours du XXIème siècle. Cette approche se fonde sur : - la connaissance de la variabilité des régimes pluviométriques et hydrologiques. Globalement, la période 1970-1998 est déficitaire et la décennie 90 témoignent de la persistance de la sécheresse. Ces déficits peuvent s'expliquer par une variation de l'espace couvert par la mousson s'inscrivant dans une dynamique à l'échelle de la circulation atmosphérique générale ; - l'évaluation d'outils de modélisation des régimes hydrologiques des grands cours d'eau régionaux. Deux modèles de bilans hydrologiques (GR2M et WBM), fonctionnant au pas de temps mensuel sur des grilles à la résolution du demi degré carré, ont été retenus. L'analyse de sensibilité modèles montre l'importance des précipitations et des états de surface dans la modélisation hydrologique. Cette évaluation souligne également la performance et la robustesse du modèle GR2M ; - le développement et l'application de scénarii climatique à partir des données issues des Modèles de Circulation Générale. Les sorties de modèles climatiques ne sont pas vraiment fiables mais les variations prévues peuvent être combinées aux observations pour générer des scénarii climatiques. L'utilisation des données de précipitations et de température du modèle HadCM3-A2, via deux scénarii climatiques, dans les modèles hydrologiques GR2M et WBM conduisent à la diminution des débits du Sénégal et de la Gambie, une augmentation suivie d'une diminution des débits du Sassandra et une augmentation des débits du Logone-Chari.

La France, comme la majeure partie de l'Europe risque d'être confrontée à des changements climatiques sévères au cours du 21ème siècle. Cette thèse se propose d'en étudier les impacts sur le cycle hydrologique, à l'échelle des bassins versant français.<br />Une méthode de désagrégation statistique, basée sur le concept de type de temps, est développée et mise en œuvre afin de régionaliser un ensemble de scénarios climatiques pour forcer un modèle hydro-météorologique. Des impacts sévères sont visibles dès le milieu du 21ème siècle, avec notamment une forte diminution des débits moyens en été et automne, et une large augmentation du nombre de jours d'étiage.<br />D'autres méthodes de désagrégation sont utilisées afin de tester la sensibilité des résultats <br />au choix de la méthode: celle-ci s'avère limitée. La principale source d'incertitude <br />réside en fait dans le choix du modèle climatique. Nous essayons pour finir de mieux comprendre les raisons physiques de cette dispersion des scénarios climatiques sur l'Europe.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour but de mieux définir et quantifier lesprocessus d'érosion actuels en domaine glaciaire et proglaciaire. Le Glacier des Bossons,situé dans le massif du Mont-Blanc (Haute-Savoie, France), est un bon exemple de systèmenaturel non anthropisé permettant d'étudier cette thématique. Il repose sur deux lithologiesprincipales (le granite du Mont-Blanc et le socle métamorphique) et cette singularitépermettra de déterminer l'origine des sédiments glaciaires. Afin de comprendre lesmécanismes d'érosion mécanique et de transport particulaires en domaine glaciaire, lessédiments ont été prélevés à la surface du glacier, sous le glacier et dans les torrents sousglaciaires.L'étude des distributions granulométriques et des provenances des sédiments a étéeffectuée par une analyse lithologique à macro-échelle (à l'oeil nu) et géochimique à microéchelle(datation U-Pb sur zircons). Elles ont permis de préciser les caractéristiques del'érosion et du transport glaciaire. (1) la charge supra-glaciaire issue de l'érosion des versantsrocheux est essentiellement composée de sédiments grossiers et ne se mélange pas ou peu à lacharge sous-glaciaire, excepté au niveau de la langue terminale ; (2) les vitesses d'érosionsous-glaciaire ne sont pas homogènes, l'érosion sous la glace tempérée (0,4-0,8mm.an-1) estau moins seize fois supérieure à celle sous la glace froide (0,025-0,05mm.an-1) ; (3) lessédiments sous-glaciaires contiennent une fraction silteuse et sableuse résultant des processusd'abrasion et de crushing qui est évacuée par les torrents sous-glaciaires. L'acquisition hauterésolutiontemporelle de données hydro-sédimentaires durant la saison de fonte entre le 5 Maiet le 17 Septembre 2010 a permis de définir le comportement saisonnier des fluxhydrologiques et sédimentaires. La majeure partie des flux détritiques est concentrée sur lasaison de fonte, et une quantification de la quantité de sédiments exportés par le torrent desBossons complétée par une mesure régulière de l'évolution de la topographie du systèmefluvio-glaciaire permet d'effectuer un bilan global de l'érosion des domaines glaciaires etproglaciaires. Au cours de l'année 2010, près de 3000 tonnes de sédiments ont été érodés dont430 tonnes se sont déposeés sur le plan des eaux. Grâce à une analyse de l'évolution desconcentrations de matières en suspension en entrée et en sortie de la plaine alluviale fluvioglaciairedu torrent des Bossons, les composantes glaciaires et non-glaciaires de l'érosion ontpu être découplées. L'érosion des moraines dénudées encadrant le plan des eaux au cours desévénements orageux est responsable au minimum de 59% du flux de sédiments transporté parle torrent des Bossons, l'érosion glaciaire (41% du flux) est donc relativement moins efficace.L'évolution à long terme des systèmes glaciaires en période de réchauffement climatiquemontrerait donc une érosion soutenue des environnements proglaciaires (versants et moraines)récemment libéré des glaces et de ce fait une intensification des flux détritiques. Le glacierdes Bossons protège le sommet du Mont-Blanc, l'érosion différentielle entre les zones sous laglace et non-glaciaires pourrait mener à un accroissement de la différence d'altitude entre lesvallées et les sommets.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la notion de performance environnementale comme cadre analytique pour l’étude des impacts des activités agricoles sur l’environnement. Après avoir mis en évidence un manque de formalisation de cette notion dans la littérature, nous la définissons comme la distance entre l’état environnemental d’un écosystème à un moment donné et un état environnemental à atteindre pour cet écosystème, dit « de haute performance environnementale ». Dans cette étude, l’état environnemental est approché par trois critères liés à la ressource « eau » : les concentrations en nitrates et en matières en suspension, et les débits.Suite à la description de l’état initial, nous proposons une méthode d’optimisation de la performance environnementale des activités agricoles basée sur un couplage entre un modèle agro-hydrologique (SWAT) et un modèle d’optimisation multicritère (Weighted Goal Programming). La démarche d’optimisation considère la réaffectation spatialisée de systèmes de culture sur l’espace considéré comme facteur d’amélioration, les différents critères de l’optimisation étant examinés simultanément.La méthode est implémentée sur le bassin versant de la Boulouze (coteaux de Gascogne). Les résultats montrent une amélioration de la performance environnementale du système étudié. L’analyse de la nouvelle occupation des sols souligne qu’au-delà des évolutions quantitatives des surfaces allouées aux systèmes de culture, la spatialisation des changements d’un système vers un autre influe également sur la performance environnementale à l’échelle du bassin versant. Enfin, nous interrogeons l’applicabilité de cette méthode et mettons en évidence l’intérêt qu’elle présente comme outil à la fois de modélisation de scénarios et de communication. / We introduce in this thesis the notion of environmental performance as an analytical framework aimed at studying the impacts of agricultural activities on the environment. We outline first a need to formalize this notion and then define it as the distance between the “environmental” state of a system at a specific time and a state of “high environmental performance” to achieve. Focus is on water management at the watershed level with three criteria: nitrogen, sediments (water quality) and water flows (water quantity).Our aim is to optimize the environmental performance of agricultural activities at the watershed scale. First the initial status of the watershed is described, then a method is proposed. This method is based on a coupling between an agro-hydrological model, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), and the Weighted Goal Programming optimization method. Our purpose is the reallocation of farming systems within the watershed when considering the optimization criteria simultaneously.We implement this method on the Boulouze watershed (coteaux de Gascogne, in the southwestern part of France). Results outline an improvement of the environmental performance. The analysis of the new land-use plan emphasizes the fact that the changes of farming systems are not only due to evolutions of the surfaces where they are implemented, but that the environmental performance at watershed scale is also affected by their location.Finally we explore the applicability of the method used highlighting its attributes as a relevant tool for modeling scenarios and for communicating.

L'aménagement des versants méditerranéens en terrasses et en fossés avait pour but d'augmenter la surface agricole et de permettre une meilleure gestion de l'eau. La dégradation des terrasses et des drains peut conduire à une augmentation des risques d'inondation, d'érosion et de maintien des cultures. Pour améliorer la connaissance de l'impact réel sur la réponse hydrologique des versants, cette thèse suit différentes approches de modélisation. D'abord la réponse hydrologique d'un bassin versant méditerranéen (0.91 km2) avec des terrasses et des fossés aménagés est simulée à l'aide d'un modèle distribué, événementiel, à base physique, adapté aux bassins versants agricoles. La performance est très satisfaisante pour certains événements simulés, même si le modèle ne tient pas compte des terrasses. Afin de modéliser l'impact des terrasses agricoles et de l'écoulement artificiel, nous avons conçu un nouveau modèle distribué et parcimonieux qui utilise une distribution linéaire du temps de réponse, combiné avec l'hydrogramme unitaire instantané géomorphologique. Les simulations sur des versants et bassins virtuels avec un réseau non-optimal de drainage (non-OCN) montrent que (i) pour de longues interfaces entre une parcelle et un cours d'eau la réponse hydrologique est plus rapide et le débit de pointe plus élevé; (ii) la vitesse du ruissellement de surface a un plus grand impact sur le débit de pointe que la vitesse d'écoulement dans les fossés; et (iii) la densité de drainage accrue combinée avec la création de terrasses résulte en un débit de pointe plus élevé en aval et moins élevé en amont. / Terrace cultivation and artificial drainage were implemented on Mediterranean hillslopes for multiple reasons: agricultural terraces increase arable land surface and artificial drainage allows for better water management. Degradation of terraces and channels inevitably leads to an increase in flood risk, erosion and, eventually, crop damage. Little is known about their effect on hillslope hydrologic response, and therefore this thesis presents an integrated method where we compare different modelling approaches. We first simulated the hydrologic response of a Mediterranean catchment (0.91 km2) with terrace cultivation and artificial drainage using a physically-based, fully distributed storm flow model for agricultural catchments. Simulation performance is impressive for some storms, even though the model does not account for terraces. In order to model the effects of terrace cultivation and artificial drainage on hillslope hydrologic response explicitly, we subsequently developed a new distributed model with only geometric and flow velocity parameters, using a linear response time distribution combined with the hillslope geomorphologic instantaneous unit hydrograph. Simulations on virtual hillslopes and catchments with a non-optimal channel network suggest that (i) drainage is faster and attains higher peak flows for longer interface lengths between agricultural fields and drainage channels; (ii) overland flow velocity has greater influence on peak flow than channel flow velocity; and (iii) the combined effect of increased drainage density and introduction of terrace cultivation is enhanced peak flow at the outlet, and a reduction of peak flow from upstream terraces.

La gestion des eaux pluviales urbaines connait une évolution majeure depuis les années 1960 : d'une stratégie basée sur l'évacuation rapide et totale des eaux pluviales de la ville, on passe progressivement à une stratégie de contrôle à la source (CS). Ces 10 dernières années ont vu une généralisation du CS, ainsi qu'en témoigne l'augmentation du nombre de réglementations de rejet. Ces dernières imposent, dans les nouvelles parcelles urbanisées, la réalisation d'ouvrages ayant pour fonction de réguler et/ou de retenir les eaux pluviales : les techniques alternatives (TA). Une systématisation de ces réglementations ne va pas manquer de générer dans l'avenir de nombreux bassins versants urbains fortement équipés en TA, et dont le comportement hydrologique sera déterminé par les réglementations appliquées. Il apparaît que le choix d'une réglementation par une collectivité est un choix complexe et, d'une collectivité à l'autre, des logiques différentes sont appliquées, dont la cohérence globale peut être discutée. Cette thèse questionne et analyse les politiques de CS, et en particulier les réglementations de rejet, dans une perspective de compréhension de leurs effets hydrologiques dans le long terme. Elle comprend deux analyses complémentaires : nous étudions d'abord l'évolution des politiques de CS dans six collectivités en France, afin de déterminer les logiques appliquées dans le choix des réglementations. Nous présentons ensuite une analyse hydrologique des conséquences de ces réglementations sur le comportement de bassins versant urbains "modèles". Cette analyse, centrée sur la modélisation hydrologique des bassins, permet de questionner les politiques de CS actuelles, mais aussi de discuter des outils que l'hydrologie urbaine peut fournir pour permettre la mise en place de politiques de CS cohérentes, en phase avec le fonctionnement hydrologique des bassins versants / Urban stormwater management is facing a major evolution since 1960: from a strategy based on the complete and fast conveyance of stormwater outside of the urban area, to a strategy based on source control (SC). Recently, SC is becoming a common practice, in connection with the increasing diffusion of flow regulations. These regulations prescribe, for all new urban development, to build facilities (Best Management Practices, BMP) to reduce the flow-rate or the volume of stormwater entering the sewer system. A wide application of flow regulations will determine the future hydrological behaviour of many urban catchments. The choice of a regulation is a complex task for local authorities, involving several logics, whose global coherence can be discussed. This thesis analyses SC policies and regulations and discusses them in terms of their long-term hydrological effects. Two complementary approaches are developed. The first is based on the analysis of the evolution of SC policies in six French authorities, and it aims to define and discuss the logics applied. The second consists in the hydrological modelling of the consequences of SC regulations on the behaviour of two experimental catchments. This hydrological analysis allows (i) to evaluate the pertinence of actual SC policies and (ii) to discuss which tools urban hydrology can provide to support the development of coherent SC policies, according to the hydrological functioning of urban catchments

L’objectif de cette thèse est de mettre en évidence la relation climat/bilan hydrologique. Pour une meilleure analyse de la relation pluie/débit, une spatialisation pluviométrique est faite à partir de l’interpolation, en tenant compte de l’altitude et des coordonnées géographiques des stations.L’impact de la variabilité pluvio-hydrologique et de la dynamique des états de surface sur la sédimentation est aussi examiné.La variabilité des écoulements et la dynamique sédimentaire dans le bassin-versant Mono-Ahémé-Couffo pendant la période 1961-2000 dans un contexte de gestion intégrée des ressources en eau (GIRE) ont été analysées, en fonction des lames d’eau précipitées, des effets de lâchers d’eau du barrage de Nangbéto mis en service depuis septembre 1987, de la dynamique des états de surface et du substratum géologique (socle et grès) en place. L’approche combinée de l’utilisation des données météorologiques, hydrologiques, d’occupation du sol, sédimentologiques, associées aux études antérieures et aux observations de terrain, ont permis de développer des méthodes statistiques efficaces pour atteindre les objectifs fixés pour cette étude.Les résultats montrent que les déficits pluviométriques des décennies 1970 et 1980 ont multiplié par 4les déficits de l’écoulement, avec pour conséquence un déficit de la recharge. Mais, avec la légère reprise pluviométrique (3 %) de 1988 à 2000 par rapport à la sous-période 1965-1987, on assiste à un excédent d’écoulement de 0,1 % sur le Couffo et 37 % sur le Mono. Les effets du barrage de Nangbéto se traduisent par une augmentation de 97 % des débits d’étiage alors que les débits de crue ont connu une baisse de 3 %. Ceci montre le rôle joué par le barrage de Nangbéto sur le débit d’écoulement et l’atténuation des inondations et par conséquent une pérennisation de l’écoulement en aval du bassin.L’utilisation du modèle GR2M se révèle assez efficace à simuler les débits moyens malgré l’influence des lâchers d’eau du barrage de Nangbéto.En revanche les faibles coefficients d’écoulement et la faible corrélation entre écoulement et recharge,montrent que la précipitation ne constitue pas le seul paramètre expliquant le fonctionnement hydrologique du bassin, mais qu’interviennent aussi le substratum géologique et les états de surface.Ces derniers déterminent l’aptitude des sols à l’infiltration, au ruissellement et à l’érosion. De 1956 à2000, on note une évolution régressive des formations végétales naturelles au profit des formations anthropiques, du fait des pratiques agricoles. Cette pression humaine a entraîné une diminution de plus de 60 % des formations de forêts et de savanes arborées, qui jouent un rôle modérateur sur l’écoulement, facilitent l’infiltration et ralentissent les apports solides vers les lits des cours d’eau.Leur dégradation entraînerait donc une augmentation de l’écoulement et de l’évaporation au détriment de l’infiltration, accélérant le déficit des réservoirs souterrains ainsi que l’érosion et donc la sédimentation.À cet effet, la variation pluvio-hydrologique, associée à la dégradation actuelle des unités paysagiques, a contribué à l’augmentation des charges solides dans le bassin, dont les plus importantes parviennent au lit en période des hautes eaux, et occupent seulement 8 % de ce temps.Ces apports sont à la fois d’origine continentale et marine, dont les plus importants sont ceux drainés par les cours d’eau. Ils ont contribué à la réduction des superficies des plans d’eau de 4 % dans la basse vallée. Avec les apports du Mono avant la construction du barrage de Nangbéto, le système lagunaire se comble de 1,6 mm.an-1 et pourrait engendrer, la destruction de la biocénose et donc la disparition des ressources halieutiques. / This thesis aims to highlight the relationship between climate and water balance process on the basin of the complex river-lagoon Mono-Aheme-Couffo. A better analysis rain/flow is made using rainfall spatialization from interpolation, taking into account altitude and geographical coordinates of hydrometeorological stations. Also, pluvio-hydrological variability and surface states dynamics impacts on sedimentation are examined. Runoff variability and sediment dynamics in the watershed Mono-Aheme-Couffo over the period 1961-2000 in a context of integrated water resources management (IWRM) were analyzed according to the rainfall depths, effects of water releases from the Nangbeto dam operational since september 1987,the dynamic of surface state and geological bedrock (crystalline basement and sandstone). Thisapproach combined the use of meteorological, hydrological, land use land cover, sedimentological data, associated with a previous studies and field observations data have enabled us to develop efficient statistical methods for achieving the objectives of this study.The results show that rainfall deficits of the 1970s and 1980s have multiplied by 4 deficit of flow, due to recharge lack. But, slight high rainfall (3%) of 1988-2000 period compared to the sub-period 1965-1987, caused an excess flow of 0.1 % on Couffo basin and 37 % on Mono basin. Effects of the dam Nangbeto result in an increase of 97 % of low flows whereas rising flows fall of 3 %. This shows the role of the dam Nangbeto on stream flow and flood reduction and consequently perpetuation of the flow on the downstream of the basin. The GR2M model proves effective enough to simulate the average flows despite the influence of water releases from the dam Nangbeto.In contrast, the low runoff coefficients and the low correlation between runoff and recharge, show that precipitation is not the only factor explaining the hydrological basin functioning, but also geological bedrock and surface conditions play also key role. These determine the suitability of soils for infiltration, runoff and erosion. From 1956 to 2000, there was a regressive evolution of natural forestland and increase of agriculture land. Human pressure on the catchments induce decrease of over60 % of the forest and savannah land, which play a moderating role on the flow, make easier infiltration and reduce sediment transport towards the rivers beds. Natural vegetation degradation could only lead to runoff and evaporation increase, decrease of infiltration and groundwater shortage and so accelerated erosion and sedimentation process.To this effect, pluvio-hydrological change linked to land use land cover change has contributed to increase of sediment transport which largest part reach the river bed during the period of high waterhold only 8 % of this time. These solid charge contributions are both marine and continental origins;the most important are drained by rivers. They have contributed to the water bodies area reduction of 4 % in the lower valley. Mono sediment inputs before the dam Nangbeto drive the lagoon system closing of 1.6 mm/year and could cause the biocenose destruction and therefore disappearance of fishstocks.

Les problèmes environnementaux liés à l’excès d’azote d’origine agricole restent une préoccupation majeure en France malgré une réglementation contraignante. Pour concilier maintien de la production agricole et limitation de cet excès, des stratégies novatrices d’atténuation des flux d’azote ont été identifiées, puis leurs effets ont été simulés à l’échelle de paysages agricoles à l’aide de modèles agro-hydrologiques spatialisés. Pour cela, la méthodologie mise en oeuvre a consisté, à partir d’enquêtes de fermes dans deux contextes contrastés (Bretagne et Gascogne),à simuler des scénarios : i) d’optimisation des pratiques agricoles en accord avec le 5ème programme d’actions de la directive Nitrate et ii) d’aménagements paysagers du territoire et en particulier des zones environnementales (prairies fauchées non-fertilisées), en variant l’emprise et la localisation. Les résultats montrent l’intérêt de placer ces zones en position d’interception (i.e. en zone riparienne humide), plutôt qu’en tête de thalweg, notamment sur le site breton où circulations d’eau sub-superficielles dominent. Cette solution limiterait les pertes nitriques sans augmenter les autres émissions d’azote. / Environmental issues related to the excess of reactive nitrogen of agricultural origin activity, are still a major concern in France despite restrictive regulations. To reconcile sustained agricultural production and reduced nitrogen emissions, we identified innovative mitigation strategies and simulated their effects were simulated using distributed agro-hydrological models. The approach consisted in farm surveys in two contrasted situations (NW and SW of France) a basis to simulate the following scenarios :i) optimisation of agricultural practices according to the 5th action programme of the Nitrate Directive ii) conversion of agricultural land into environmental zones (unmanaged grasslands), with varying extension and in different landscape positons. Results show the interest of locating them in an interception position (i.e. in humid zones around the stream network) rather than in headwater position, especially in the NW catchment were subsurface flow is the dominant pathway. This solution would reduce nitrate losses without increasing other nitrogen emissions.

La thèse explore l’utilisation de modèles hydrologiques globaux pour estimer la disponibilité en eau agricole dans le contexte des Andes chiliennes semi-arides. Dans cette région, l’approvisionnement en eau des cultures irriguées de fonds de vallée durant l’été dépend de précipitations se produisant sous forme de neige à haute altitude lors de quelques évènements hivernaux. L’influence des phénomènes ENSO et PDO induit par ailleurs une forte variabilité climatique à l’échelle inter-annuelle, marquée par l’occurrence d’années extrêmement sèches ou humides. La région connaît aussi depuis les années 1980 une progression importante de la viticulture irriguée. Afin de prendre en compte les variations saisonnières et inter-annuelles de la disponibilité et de la consommation en eau d’irrigation, une chaîne de modélisation intégrée a été développée et différentes méthodes de quantification/réduction des incertitudes de simulation ont été mises en œuvre. Les écoulements naturels ont été simulés avec un modèle hydrologique global de type empirique/conceptuel prenant en compte les processus d’accumulation et d’ablation de la neige. En parallèle, les besoins en eau d’irrigation ont été estimés à l’échelle du bassin à partir de modèles phénologiques orientés processus et d’une approche simple du bilan hydrique du sol. Dans l’ensemble, une approche holistique et parcimonieuse a été privilégiée afin de maintenir un niveau d’abstraction mathématique et de représentation des processus équivalent à celui des modèles de bassin couramment utilisés. Afin d’améliorer l’utilité et la fiabilité des simulations obtenues en contexte de changement ou de forte variabilité climatique, l’effet des températures extrêmes sur le développement des cultures et l’impact des pertes en eau par sublimation à haute altitude ont fait l’objet d’une attention particulière. Ce cadre de modélisation conceptuel a été testé pour un bassin typique des Andes semi-arides (1512 km2, 820–5500 m a.s.l.) sur une période de 20 ans incluant une large gamme de conditions climatiques et des pratiques agricoles non-stationnaires (évolution des variétés de vigne, des surfaces et modes d’irrigation, etc). L’évaluation des modèles a été réalisée dans un cadre bayésien en faisant l’hypothèse d’erreurs auto-corrélées, hétéroscédastiques et non-gaussiennes. Différents critères et sources de données ont par ailleurs été mobilisés afin de vérifier l’efficacité et la cohérence interne de la chaîne de modélisation ainsi que la fiabilité statistique et la finesse des intervalles de confiance obtenus. De manière alternative, une caractérisation des erreurs de structure et de l’ambiguïté propre au choix du modèle hydrologique a été réalisée de manière non-probabiliste à partir d’une plate-forme de modélisation modulaire. Dans l’ensemble, la prise en compte explicite de la consommation en eau des cultures a mis en valeur certaines interactions entre paramètres hydrologiques et permis d’améliorer la fiabilité des simulations hydrologiques en année sèche. Finalement, une étude de sensibilité à différents seuils d’augmentation de la température et de la concentration en CO2 a été effectuée afin d’évaluer l’impact potentiel des changements climatiques sur le comportement de l’hydrosystème et la capacité à satisfaire la demande en eau d’irrigation dans le futur. / This thesis investigates the use of lumped catchment models to assess water availability for irrigation in the upland areas of northern-central Chile (30°S). Here, most of the annual water supply falls as snow in the high Cordillera during a few winter storms. Seasonal snowpacks serve as natural reservoirs, accumulating water during the winter and sustaining streams and aquifers during the summer, when irrigation demand in the cultivated valleys is at its peak. At the inter-annual timescale, the influence of ENSO and PDO phenomena result in the occurrence of extremely wet and dry years. Also, irrigated areas and grape growing have achieved a dramatic increase since the early 1980s. To evaluate the usefulness of explicitly accounting for changes in irrigation water-use in lumped catchment models, an integrated modeling framework was developed and different ways of quantifying/reducing model uncertainty were explored. Natural streamflow was simulated using an empirical hydrological model and a snowmelt routine. In parallel, seasonal and inter-annual variations in irrigation requirements were estimated using several process-based phenological models and a simple soil-water balance approach. Overall, this resulted in a low-dimensional, holistic approach based on the same level of mathematical abstraction and process representation as in most commonly-used catchment models. To improve model reliability and usefulness under varying or changing climate conditions, particular attention was paid to the effects of extreme temperatures on crop phenology and the contribution of sublimation losses to water balance at high elevations. This conceptual framework was tested in a typical semi-arid Andean catchment (1512 km2, 820–5500 m a.s.l.) over a 20–year simulation period encompassing a wide range of climate and water-use conditions (changes in grape varieties, irrigated areas, irrigation techniques). Model evaluation was performed from a Bayesian perspective assuming auto-correlated, heteroscedastic and non-gaussian residuals. Different criteria and data sources were used to verify model assumptions in terms of efficiency, internal consistency, statistical reliability and sharpness of the predictive uncertainty bands. Alternatively, a multiple-hypothesis and multi-criteria modeling framework was also developed to quantify the importance of model non-uniqueness and structural inadequacy from a non-probabilistic perspective. On the whole, incorporating the effects of irrigation water-use led to new interactions between the hydrological parameters of the modeling framework and improved reliability of streamflow predictions during low-flow periods. Finally, a sensitivity analysis to changes in climate conditions was conducted to evaluate the potential impacts of increasing temperatures and atmospheric CO2 on the hydrological behavior of the catchment and the capacity to meet future water demands.