Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Les modèles terrestres (« Earth system model » ou ESM) sont des outils mathématiques permettant la prévision du climat. L'une des composantes de ces modèles est le modèle de la surface terrestre, qui comprend les échanges d'eau, d'énergie, de quantité de mouvement et de gaz entre la surface de la Terre et l'atmosphère. Les travaux effectués dans le cadre de ce projet ont été réalisés dans le but éventuel d'améliorer la capacité des ESM à prévoir et à comprendre le climat. Le sujet a été étudié sous deux angles, soit un angle d'ingénierie et de physique environnementale. Le premier projet présenté porte sur la calibration de capteurs de gaz de CH₄ à faible coût dans le but d'évaluer leur potentiel à remplacer des instruments plus performants, mais beaucoup plus dispendieux pour la quantification des flux de CH₄ naturels. Les résultats appuient d'autres groupes ayant travaillé sur les mêmes capteurs, et démontrent qu'ils peuvent être utilisés à cet effet. Ces mesures de flux sont utilisées pour calibrer et tester les modèles de la surface terrestre. Le second projet améliore la capacité des modèles climatiques à modéliser les flux d'eau dans les plantes, afin de mieux représenter le flux de transpiration. Le nouveau modèle a été testé et permettra de bien modéliser les flux d'eau dans la végétation pour les modèles de la surface terrestre. / Earth system models (ESMs) are mathematical tools for predicting climate. One of the components of these models is the land surface model, which represents the exchange of water, energy, momentum and gases between the Earth's surface and the atmosphere. The overarching goal of this project is improving the ability of ESMs to predict and understand climate. The problem has been studied from engineering and environmental physics perspectives. The first project presented focuses on the calibration of low-cost CH₄ gas sensors, and evaluates their potential to replace more precise but highly expensive instruments for the quantification of natural CH₄ fluxes. The results demonstrate that they can be used for this purpose, in support of the conclusions of other groups who have worked on the same sensors. In the context of improving ESM predictability, the flux measurements can be used to calibrate and test land surface models. The second project improves the ability of land models to represent water fluxes in plants so as to better model the transpiration flux. The new model was tested and shows promise as a new and improved plant hydraulics land model component.

Au Canada, comme dans de nombreux pays de l'OCDE (Organisation de Coopération et de Développement Économiques), l'exploitation plus efficace des actifs hydroélectriques existants devient de plus en plus pertinente. Le fonctionnement optimal d'un système hydroélectrique est un problème de prise de décision séquentielle. Une séquence de décisions de soutirage d'eau doit être déterminée sur une période de planification donnée en tenant compte de diverses contraintes physiques et écologiques. Étant donné que cette période de planification peut s'étendre sur un futur plus ou moins lointain, les décisions de soutirage sont influencées par la disponibilité de prévisions hydrologiques fiables, y compris les systèmes de prévisions hydrologiques d'ensemble (H-EPS). Les hydrologues s'appuient souvent sur des scores statistiques pour évaluer la fiabilité et l'exactitude du H-EPS, mais ces scores ne donnent aucune indication sur la valeur économique des prévisions. Cette étude cherche à identifier les attributs les plus pertinents des prévisions hydrologiques d'ensemble en production hydroélectrique. Pour ce faire, un large ensemble de prévisions est construit à partir de 20 modèles hydrologiques et de prévisions météorologiques d'ensemble de 50 membres sur une période de 6 ans (2011-2016). De ce large ensemble, plusieurs H-EPS sont ensuite produits (configurés) et utilisés par un modèle d'optimisation hydroélectrique. La gestion du système hydrique est ensuite simulée en horizon roulant sur une période de 6 ans (2011-2016). Les résultats de la simulation indiquent qu'il existe une tendance entre la qualité globale et la valeur de la prévision en termes deproduction d'énergie, mais que cette relation n'est pas directement proportionnelle (1 :1). La configuration multimodèle fonctionne un peu mieux que les autres configurations. De plus, les résultats de la simulation montrent que les prévisions d'ensemble à court terme (CT) ont dela valeur, mais la marge d'amélioration se situe clairement dans les prévisions à moyen terme(MT, saisonnières), car un grand réservoir en amont contrôle la disponibilité de l'eau dans tout le système. Par ailleurs, les prévisions probabilistes donnent de meilleures performances que les déterministes, car elles donnent des informations sur l'incertitude du modèle d'optimisation.Enfin, les prévisions CT ont de la valeur tandis que les modèles d'optimisation CT-MT sont couplés. / In Canada, like in many OECD (Organization for Economic Co-operation and Development) countries, the more efficient use of existing hydropower assets is becoming increasingly relevant.The optimal operation of a hydroelectric system is a sequential decision making problem. A sequence of release decisions must be determined over a given planning period taking into account a variety of physical and ecological constraints. Since this planning period may extend over a more or less distant future, release decisions are influenced by the availability of reliable hydrologic forecasts, including hydrological ensemble prediction systems (H-EPS).Hydrologists often rely on statistical scores to assess the reliability and accuracy of H-EPS,but those scores do not give any indication of the economic value of the forecasts. This studyseeks to identify the most relevant attributes of ensemble hydrological forecasts in hydropower production. To do this, a large set of forecasts is built from 20 hydrological models and ensemble meteorological forecasts of 50 members over a period of 6 years (2011-2016). From this large set, several H-EPS are then produced (configured) and used by a hydroelectric optimization model. The management of the water system is then simulated on a rolling horizon over a period of 6 years (2011-2016). The simulation results indicate that there is a trend between the overall quality and the value of the forecast in terms of energy production,but that this relationship is not directly proportional (1: 1). The multi-model setup works a bit better than the other setups. In addition, the simulation results show that the ensemble forecast at short-term (ST) has value, but the room for improvement is clearly in the forecastat mid-term (MT, seasonal), as a large reservoir upstream controls the availability of water throughout the system. In addition, probabilistic forecasts give better performance than determinists, because they provide information on the uncertainty of the optimization model.Finally, ST forecasts have value while ST-MT optimization models are coupled.

L'objectif de cette thèse est de développer, tester et valider des méthodes, techniques et outils permettant de traiter et décomposer les hydrogrammes en temps sec et en temps de pluie, dans le but de comprendre, de représenter et de prédire les dynamiques liées à ces composantes de débits sur des bassins versants urbanisés. Les données en continu de temps sec recueillies sur ces deux bassins versants Chassieu et Ecully ont été traitées à partir de la méthode de traitement des signaux bruités par ondelettes, puis analysées. L'utilisation de ces méthodes et l'analyse des données en continu a permis de mettre en évidence des composantes périodiques intra et inter journalières dans les débits mesurés. Ces composantes ont ensuite été caractérisées puis ont servi de base pour l'élaboration d'une typologie des hydrogrammes de temps sec relatif à chaque site d'étude. Des méthodes, techniques et outils de traitement, d'analyse de séries de données et de calage de modèles pluie-débit ont également été utilisés et deux modèles pluie-débit ont été proposés pour représenter : (i.) la composante liée aux eaux de ruissellement pour les deux sites d'études et (ii.) la composante d'eaux parasites d'infiltration événementielle. La typologie des hydrogrammes de temps sec ainsi que les modèles de production de flux d'eaux en périodes pluvieuses ont été implémentés dans une plate-forme de modélisation hydrologique appelée " Hydrobox ". Les débits simulés ont ensuite été confrontés aux débits mesurés. Les résultats de comparaison montrent l'intérêt de prendre en compte la signature particulière portée par chaque composante dans le but d'améliorer la compréhension et la représentation des dynamiques liées aux processus hydrologiques intervenant sur des bassins versants urbanisés.

L’objectif de cette thèse est de développer, tester et valider des méthodes, techniques et outils permettant de traiter et décomposer les hydrogrammes en temps sec et en temps de pluie, dans le but de comprendre, de représenter et de prédire les dynamiques liées à ces composantes de débits sur des bassins versants urbanisés. Les données en continu de temps sec recueillies sur ces deux bassins versants Chassieu et Ecully ont été traitées à partir de la méthode de traitement des signaux bruités par ondelettes, puis analysées. L’utilisation de ces méthodes et l’analyse des données en continu a permis de mettre en évidence des composantes périodiques intra et inter journalières dans les débits mesurés. Ces composantes ont ensuite été caractérisées puis ont servi de base pour l’élaboration d’une typologie des hydrogrammes de temps sec relatif à chaque site d’étude. Des méthodes, techniques et outils de traitement, d’analyse de séries de données et de calage de modèles pluie-débit ont également été utilisés et deux modèles pluie-débit ont été proposés pour représenter : (i.) la composante liée aux eaux de ruissellement pour les deux sites d’études et (ii.) la composante d’eaux parasites d’infiltration événementielle. La typologie des hydrogrammes de temps sec ainsi que les modèles de production de flux d’eaux en périodes pluvieuses ont été implémentés dans une plate-forme de modélisation hydrologique appelée « Hydrobox ». Les débits simulés ont ensuite été confrontés aux débits mesurés. Les résultats de comparaison montrent l’intérêt de prendre en compte la signature particulière portée par chaque composante dans le but d’améliorer la compréhension et la représentation des dynamiques liées aux processus hydrologiques intervenant sur des bassins versants urbanisés. / The objective of this thesis is to develop, test and validate methods, techniques and tools which can process and decompose hydrographs in order to understand, represent and predict the dynamics associated with these flow components in urbanized watersheds. The development of the methodology is based on rainfall and runoff data including qualitatives measures of the flow rate (conductivity, pH and turbidity) continuously acquired as part of the Field Observatory for Urban Hydrology (OTHU) for two watersheds in Lyon: Django Reinhardt (Chassieu) and Ecully. The continuous data collected in dry weather period from these two watersheds were analyzed using wavelets transforms. These methods combined to signal treatments analysis helped to reveal periodic component in the measured flows. These components were then characterized and used as a basis for developing a typology of hydrographs of dry weather period for each study site. Methods, techniques and tools for processing and analyzing of data sets and calibrating of rainfall-runoff models have been used to propose two models which represent respectively: (i) the component related to the runoff contribution for the two study sites and (ii.) the component related to parasitic water infiltration. The typology of hydrographs for dry weather period, the rainfall-runoff model and the infiltration-inflow model were implemented in a platform for hydrological modeling called “Hydrobox”. The simulated and the measured flow values were then compared. The comparison results show the importance of taking into account the particular signature carried by each component in order to improve the understanding and representing the dynamics related to hydrological processes in urbanized watersheds.

Les ressources en eau sont généralement considérées comme l'une des ressources naturelles les plus importantes du développement social, en particulier pour soutenir les usages domestiques, agricoles et industriels. Au cours de la dernière décennie, en raison de l'augmentation des activités humaines, telles que l'urbanisation et l'industrialisation, les impacts sociaux sur l'environnement naturel deviennent de plus en plus intenses. Par conséquent, de nos jours, les problèmes d'eau par rapport à avant deviennent plus compliqués. Pour faire face au problème complexe depuis les années 1970, les gens ont reconnu que le système d'aide à la décision (DSS) présente des avantages évidents. De plus, avec le développement de l'informatique et des techniques web, les DSS sont souvent utilisés pour appuyer la décision locale. Les décideurs pour gérer les ressources naturelles de la région en particulier les ressources en eau. La modélisation hydrologique en charge de la représentation des caractéristiques du bassin versant joue un rôle important dans le système d'aide à la décision environnementale (EDSS). Parmi les différents types de modèles, le modèle hydrologique distribué déterministe est capable de décrire l'état réel de la zone d'étude de manière plus détaillée et précise. Cependant, le seul obstacle à la limitation des applications de ce type de modèle est pointé vers le grand besoin de données demandé par sa configuration de modélisation. Dans cette étude d'évaluation de la modélisation hydrologique dans le projet AquaVar, un modèle distribué déterministe (MIKE SHE) est construit pour l'ensemble du bassin versant du Var avec moins d'informations de terrain disponibles dans la zone. Grâce à une stratégie de modélisation raisonnable, plusieurs hypothèses sont conçues pour résoudre les problèmes de données manquantes dans les intervalles de temps quotidiens et horaires. La simulation est étalonnée sur une échelle de temps quotidienne et horaire de 2008 à 2011, qui contient un événement de crue extrême en 2011. En raison des impacts des données manquantes sur les entrées et les observations du modèle, l'évaluation de l'étalonnage de la modélisation n'est pas seulement basée sur des coefficients statistiques tels que le coefficient de Nash, mais aussi des facteurs physiques (p. ex. valeurs maximales et débit total). Le modèle calibré est capable de décrire les conditions habituelles du système hydrologique varois, et représente également le phénomène inhabituel dans le bassin versant tel que les inondations et les sécheresses. Le processus de validation mis en œuvre de 2011 à 2014 dans l'intervalle de temps journalier et horaire confirme la bonne performance de la simulation dans le Var. La simulation MIKE SHE dans Var est l'une des parties principales du système de modélisation distribuée déterministe de l'EDSS d'AquaVar. Après l'étalonnage et la validation, le modèle pourrait être utilisé pour prévoir les impacts des événements météorologiques à venir (par exemple, des crues extrêmes) dans cette région et produire les conditions aux limites pour d'autres modèles distribués déterministes dans le système. La conception de l'architecture EDSS, la stratégie de modélisation et le processus d'évaluation de modélisation présentés dans cette recherche pourraient être appliqués comme un processus de travail standard pour résoudre les problèmes similaires dans d'autres régions. / Water resource is commonly considered as one of the most important natural resources in social development especially for supporting domestic, agricultural and industrial uses. During the last decade, due to the increase of human activities, such as urbanization and industrialization, the social impacts on the natural environment become more and more intensive. Therefore, recently, water problems compared to before become more complicated. To deal with the complex problem, since 1970s, started from the companies, people recognized that the Decision Support System (DSS) has obvious advantages Moreover, with the development of computer science and web techniques, the DSS are commonly applied for supporting the local decision makers to manage the region natural resources especially the water resources. The hydrological modelling in charge of representing the catchment characteristics plays significant role in the Environment Decision Support System (EDSS). Among different kinds of models, the deterministic distributed hydrological model is able to describe the real condition of the study area in more detail and accurate way. However, the only obstacle to limit the applications of this kind of model is pointed to the large data requirement requested by its modelling set up. In this study of hydrological modelling assessment in AquaVar project, one deterministic distributed model (MIKE SHE) is built for the whole Var catchment with less field information available in the area. Through one reasonable modelling strategy, several hypothesises are conceived to solve the missing data problems within daily and hourly time intervals. The simulation is calibrated in both daily and hourly time scale from 2008 to 2011, which contains one extreme flood event at 2011. Due to the impacts of missing data on both model inputs and observations, the evaluation of modelling calibration is not only based on the statistic coefficients such as Nash coefficient, but also effected by some physical factors (e.g. peak values and total discharge). The calibrated model is able to describe usual condition of Var hydrological system, and also represent the unusual phenomenon in the catchment such as flood and drought event. The validation process implemented from 2011 to 2014 within both daily and hourly time interval further proves the good performance of the simulation in Var. The MIKE SHE simulation in Var is one of the main parts of the deterministic distributed modelling system in the EDSS of AquaVar. After the calibration and validation, the model could be able to use for forecasting the impacts of coming meteorological events (e.g. extreme flood) in this region and producing the boundary conditions for other deterministic distributed models in the system. The design of the EDSS architecture, modelling strategy and modelling evaluation process presented in this research could be applied as one standard working process for solving the similar problems in other region.

La prévision hydrologique nécessite une connaissance adéquate des quantités de neige présentes sur ses bassins versants, particulièrement pour des bassins versants montagneux. Pour beaucoup de bassins, la densité du réseau de stations nivométriques est faible ou parfois même inexistante. De leur côté, les données satellitaires MODIS permettent de suivre l’évolution du couvert de neige sur de grandes superficies de façon journalière et à une résolution spatiale de 500 m. Dans ce contexte, un projet de recherche a été proposé en partenariat entre Rio Tinto Alcan (RTA) et l’Université de Sherbrooke afin d’évaluer l’apport de la télédétection du couvert de neige (MODIS) pour améliorer la prévision hydrologique en période de crue. Le bassin versant à l’étude est celui de la rivière Nechako, situé en Colombie-Britannique (Canada) et caractérisé par sa topographie montagneuse et les grandes quantités de neige s’accumulant sur son territoire. D’abord, une analyse statistique a été réalisée permettant d’obtenir une relation empirique entre l’évolution du volume de crue et la variation de la superficie du couvert de neige (SCN) tirée des images MODIS. Ensuite, les SCN MODIS ont été utilisées pour le calage du modèle hydrologique SWAT selon 9 différentes techniques de calage. Finalement, avec l’aide d’un système de prévision, assimilant d’abord les SCN MODIS pour mettre à jour les conditions initiales, la performance de 5 des 9 calages effectués a été analysée en prévision hydrologique court terme (déterministe) et moyen terme (probabiliste). À partir des résultats, il a été possible d’observer que l’assimilation des SCN MODIS permet d’améliorer les prévisions à plus long terme, particulièrement des volumes de crue. À court terme, la qualité des prévisions d’apports est sensiblement identique avec ou sans assimilation MODIS bien qu’une meilleure simulation des conditions initiales de neige soit observée avec assimilation MODIS. Finalement, la comparaison des calages en prévision hydrologique démontre qu’une légère amélioration des prévisions d’apports moyen terme (3 à 5 mois) est possible lorsque les données MODIS sont utilisées dans la procédure de calage. Cependant, les résultats sont variables dépendamment de la technique de calage utilisée.

Le bassin de l'Yzeron (147 km²) est composé de trois grands ensembles : 1) à l'ouest, les Monts du Lyonnais essentiellement ruraux ; 2) au centre, le Plateau Lyonnais, sur une grande partie duquel s'étend l'actuelle couronne périurbaine de l'agglomération lyonnaise ; 3) à l'est, la paléovallée du Rhône et de la Saône, dont la majeure partie est occupée par une urbanisation dense. Un grand nombre d'incisions ont été identifiées à l'aide d'indicateurs visuels et des relations de géométrie hydraulique aval (space-time substitution technique). L'ensemble des tronçons incisés se situe sur les cours d'eau de tête de bassin (ordre 1 ou 2 selon Strahler). Les incisions sont plus importantes sur le Plateau Lyonnais où elles ont principalement été engendrées par l'imperméabilisation des sols et le développement des réseaux de drainage artificiels. Le rôle de l'urbanisation est également souligné par les analyses dendrochronologiques des arbres riverains qui montrent que les incisions ont principalement débuté entre 1970 et 1990. En effet, la superficie des zones urbaines a doublé durant cette période dans le bassin de l'Yzeron (Radojevic et al. 2002), et cette progression moyenne a probablement été supérieure sur le plateau qui a connu la plus forte croissance démographique relative. Sur le plateau, aucune incision n'a été identifiée dans les bassins dont le taux d'imperméabilisation est inférieur à 10%, seuil déjà observé par plusieurs auteurs dans différentes régions (Schueler 1995 d'après Doll et al. 2002, Booth et Jackson 1997, Bledsoe et al. 2001a, Coleman et al. 2005). Néanmoins, un tiers des incisions (en pourcentage de la longueur totale des tronçons incisés) se situent également dans les Monts du Lyonnais où l'urbanisation s'est très peu développée. Dans cette unité paysagère, la croissance des arbres riverains n'a pas été affectée par l'abaissement du niveau du lit si bien que nous n'avons pas pu dater les incisions. Les faibles dimensions des chenaux incisés et leur stade d'évolution suggèrent néanmoins qu'il s'agit également d'incisions relativement récentes, bien que leurs origines puissent remonter à plusieurs décennies, voire plusieurs siècles. En effet, l'étude de l'évolution pluriséculaire de l'occupation du sol a montré que l'emprise des terres cultivées, et plus particulièrement des labours et des vignes, était nettement plus importante au 19ème et au début du 20ème siècle. Par ailleurs, l'ancienneté des occupations humaines dans la région lyonnaise, ainsi que certaines archives historiques (Privolt 2010 ; N. Jacob, communication personnelle), suggèrent que ces terres cultivées étaient très étendues bien avant le 19ème siècle. Celles-ci ont donc probablement favorisé pendant plusieurs siècles une production sédimentaire abondante des versants et des dépôts corrélatifs dans les fonds de vallée. C'est d'autant plus probable que les terres cultivées se situaient principalement sur les versants alors que les fonds de vallée, plus humides, étaient généralement en prairies. La rugosité plus élevée des fonds de vallées a donc pu contribuer au dépôt des sédiments issus du ruissellement sur les versants cultivés (colluvions) ou des débordements de crues (alluvions). Les statistiques annuelles du 20ème siècle ont montré une importante diminution des surfaces agricoles. Dans les Monts du Lyonnais, celles-ci ont été principalement remplacées par des prairies et, plus récemment, par des boisements. Cette évolution a fortement diminué le ruissellement et l'érosion des sols, d'où un déficit sédimentaire relatif qui contribue à perturber l'équilibre des chenaux. De plus, l'exhaussement des chenaux dans les fonds de vallée propices au remplissage sédimentaire (en tête de bassin, avec une pente faible et une largeur plus importante) a entraîné une augmentation de la pente avec les tronçons aval dont l'énergie est relativement plus forte (absence de dépôts), ce qui favorise des incisions régressives. Sur le Plateau Lyonnais, les terres agricoles ont également laissé place aux surfaces urbaines. Aussi, lorsque l'urbanisation se développe sur un bassin versant ayant subi les effets à long terme des labours, ces deux dernières perturbations se cumulent et peuvent engendrer des incisions extrêmement développées, comme c'est par exemple le cas sur le ruisseau de la Chaudanne. De plus, quelle que soit l'occupation du sol, les drains artificiels (routes, pistes, réseaux d'assainissement) peuvent entraîner des incisions. Celles-ci sont d'autant plus longues que la longueur des drains et la pente du fond de vallée augmentent. Cette tendance peut être expliquée par la faible disponibilité en sédiments mobilisables dans le lit et les berges : à mesure que les volumes déversés par les drains augmentent, la recharge sédimentaire s'accomplit sur un plus grand linéaire de cours d'eau faute de pouvoir être pleinement satisfaite dans les dimensions verticales et latérales ; lorsque la pente augmente, les chenaux présentent plus de matériaux grossiers résistants à l'érosion et une plus faible dynamique latérale, ce qui favorise encore davantage les ajustements dans la dimension longitudinale. L'influence secondaire de la pente peut également être liée à l'épaisseur des formations superficielles et à la taille du bassin versant : de manière générale, l'épaisseur des formations superficielles est plus faible dans les fonds de vallée à forte pente si bien que les drains artificiels peuvent intercepter plus efficacement les écoulements subsurfaciques ; ces fonds de vallée drainent des bassins versants plus petits où la part des écoulements subsurfaciques est naturellement plus élevée, si bien que l'augmentation des écoulements superficiels est relativement plus intense après implantation de routes ou de pistes. Par ailleurs, l'influence de la taille du bassin versant a été clairement mise en évidence, même parmi les cours d'eau de faible rang : aucune incision n'a été recensée au-delà de 4 km², et ce seuil descend à 2 km² sur la plupart des cours d'eau des Monts du Lyonnais. Les petits cours d'eau sont donc intrinsèquement plus sensibles à toute perturbation qui contribue à réduire la capacité d'infiltration des sols et à intercepter les écoulements subsurfaciques. La sensibilité à l'incision dépend également de la morphologie des fonds de vallée qui peut être prise en compte par une approche typologique (Schmitt et al. 2004). Nos résultats soulignent l'intérêt de cette typologie hydrogéomorphologique qui, associée à la superficie des bassins versants, permet d'identifier les cours d'eau potentiellement sensibles aux incisions. Les effets hydrologiques des déversoirs d'orages sur la stabilité du lit des cours d'eau ont été étudiés sur le ruisseau de la Chaudanne qui présente la plus importante incision du bassin versant. Les déversements augmentent fortement l'intensité et la fréquence de la plupart des crues morphogènes (supérieures au débit critique) mais ne s'accompagne pas d'une augmentation équivalente de leur durée annuelle. Ils tendent également à diminuer les débits de basses eaux et la durée annuelle des crues de faible intensité, du moins par rapport aux crues plus intenses. Cela entraîne une modification de l'efficacité géomorphologique relative des écoulements de différentes intensités. Les chenaux doivent alors s'ajuster à des débits nettement plus élevés mais brefs, ce qui peut considérablement retarder le rétablissement d'un nouvel équilibre morphodynamique (temps de relaxation plus long). Cette évolution pourrait également expliquer le fait que la réponse du chenal se soit manifestée par une importante incision plutôt que par un ajustement progressif de ses dimensions. Bien que les tronçons incisés ne représentent qu'une partie relativement faible du réseau hydrographique (6%), les taux d'agrandissement des chenaux sont considérables (11,7 en moyenne) et les berges érodées sont majoritairement constituées de sables (53% en moyenne). Les incisions constituent donc une importante source de sédiments fins. D'après les traçages par fluorescence, la fourniture sédimentaire depuis les tronçons incisés en amont représente 27 à 62% du transport solide annuel de la rivière Yzeron pour la fraction 0,5-4 mm (66% des dépôts sableux). Ce résultat montre que les incisions de tête de bassin contribuent de manière significative à l'ensablement des branches principales du réseau hydrographique (ordre 3 à 5 selon Strahler) étant donné leur faible capacité à évacuer ces sédiments. Leur capacité de transport est également fortement diminuée par la présence de nombreux seuils artificiels. Quand la pente est faible, ces aménagements peuvent entraîner un ensablement du lit sur plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de mètres. Enfin, nous avons formulé diverses recommandations opérationnelles pour limiter les impacts hydrogéomorphologiques liés à l'anthropisation du bassin en général, et à l'urbanisation en particulier. Ces recommandations reposent sur trois échelles d'intervention : les versants, les cours d'eau de tête de bassin et les branches principales du réseau hydrographique. Les mesures proposées visent notamment à ralentir ou à stocker temporairement les flux hydriques sur les versants, à contrôler et à redresser le profil en long des tronçons incisés dans le cas d'enjeux locaux, et à piéger une partie de la charge sableuse en transit en amont des tronçons les plus sensibles à l'ensablement.

L’entreprise Rio Tinto effectue la gestion du système hydrique de la rivière Nechako, situé en Colombie-Britannique (Canada), à partir de règles de gestion optimisées à l’aide d’un algorithme de programmation dynamique stochastique (PDS) et de scénarios d’apports historiques. Les récents développements en recherche opérationnelle tendent à démontrer que la mise à jour des règles de gestion en mode prévisionnel permet d’améliorer la performance des règles de gestion lorsque des prévisions d’ensemble sont utilisées pour mieux cerner les incertitudes associées aux apports à venir. La modélisation hydrologique permet de suivre l’évolution d’un ensemble de processus hydrologiques qui varient dans le temps et dans l’espace (réserve de neige, humidité du sol, etc.). L’utilisation de modèles hydrologiques, en plus d’offrir la possibilité de construire des prévisions d’ensemble qui tiennent compte de l’ensemble des processus simulés, permet de suivre l’évolution de variables d’état qui peuvent être utilisées à même l’algorithme d’optimisation pour construire les probabilités de transition utiles à l’évaluation de la valeur des décisions futures. À partir d’un banc d’essais numériques dans lequel le comportement du bassin versant de la rivière Nechako est simulé à l’aide du modèle hydrologique CEQUEAU, les résultats du présent projet démontrent que la mise à jour des règles avec l’algorithme de PDS en mode prévisionnel permet une amélioration de la gestion du réservoir Nechako lorsque comparée aux règles optimisées avec l’algorithme en mode historique. Le mode prévisionnel utilisant une variable hydrologique combinant un modèle autorégressif d’ordre 5 (AR5) et la valeur maximale de l’équivalent en eau de la neige (ÉENM) a permis de réduire les déversements non-productifs et les inondations tout en maintenant des productions similaires à celles obtenues à l’aide de règles optimisées en mode historique utilisant l’ÉENM comme variable hydrologique. De plus, les résultats du projet démontrent que l’utilisation de prévisions hydrologiques d’ensemble en mode historique pour construire une variable hydrologique permettant d’émettre une prévision du volume d’apport médian pour les huit mois à venir (PVAM) ne permettait pas d’obtenir des résultats de gestion supérieurs à ceux obtenus avec la variable d’ÉENM.

Les systèmes aquifères constituent la partie souterraine du cycle hydrologique. Ils transfèrent les pluies infiltrées à travers les sols sur des distances variables. Après un temps caractéristique de l’ordre du mois au millier d’années, les eaux souterraines regagnent la surface en alimentant les rivières et en satisfaisant en partie l’évapotranspiration. Les aquifères sont ainsi une ressource en eau majeure pour l’Homme et les écosystèmes. La prédiction de leur réponse aux pressions anthropiques et climatiques se heurte à deux difficultés (1) la faible densité d’informations directes sur les milieux géologiques et leur grande hétérogénéité (2) la complexité des échanges entre la surface et la profondeur. L’enjeu est donc de développer des modèles représentant au mieux les processus aux différentes échelles spatiotemporelles. Pour aborder cette question, nous étudions le contenu informatif de différents types d’observables (piézométrie, débit de rivière, déformation de surface...) afin de déterminer comment ils peuvent améliorer la paramétrisation des modèles. Notre travail s’appuie sur la modélisation hydrologique du site de Ploemeur (échelle locale) et du bassin du Rhin (échelle continentale). Dans les deux cas, des modèles simples sont développés en utilisant des solutions analytiques et numériques. Le modèle ModFlow a également été couplé à un modèle hydrologique. À petite échelle, les résultats illustrent l’intérêt de différents types de données transitoires pour contraindre les processus. À grande échelle, le modèle développé ainsi que les observables permettent d’affiner le rôle des systèmes aquifères dans la disponibilité de l’eau en surface. Les deux approches illustrent un contrôle des flux à différentes échelles par la topographie, la géologie et l’hétérogénéité. / Groundwater systems (GW) constitute an important part of the hydrological cycle. GW transfer water infiltrated through soils on variable distances. After a characteristic time ranging from the month to thousand of years, GW reach the surface supporting rivers and evapotranspiration. Thus, they are a major resource for human and ecosystems. PredictingGWresponse to human and climate pressures is limited by (1) the scarcity of direct information on the highly heterogeneous geological media (2) the complexity of surface-depth exchanges. So, it seems necessary to develop models representing at best the processes at different spatiotemporal scales. To address this issue, we study the informative content of different observation types (piezometry, streamflow, surface deformation. . . ) to assess how they can improve models parametrization. Our work is based on GW modeling of the Ploemeur site (local scale) and of the Rhine basin (continental scale). For both approaches, simple models are developed, using analytical or numerical solutions. Also, the ModFlow model was coupled to an hydrological model. At small scale, results show the interest of temporal and multidisciplinary data to better constrain processes. At large scale, the developed model, as well as observations, allows to precise the role ofGWfor water availability on surface. Both approaches highlight a flows control at different scales by topography, geology and heterogeneity.

Les bassins versants influencés par la présence de barrages-réservoirs constituent les objets d'étude de cette thèse. L'objectif principal est de mettre au point une méthode de prise en compte, au sein d'un modèle pluie-débit global, de l'impact de retenues d'eau artificielles sur le comportement hydrologique du bassin versant. Un tel outil, simple dans sa conception, doit permettre d'améliorer la simulation des débits de bassins versants influencés et d'évaluer l'impact de barrages-réservoirs sur le régime hydrologique des cours d'eau, en particulier lorsque l'on se place loin à l'aval de l'ouvrage. La démarche adoptée est empirique dans le sens où l'on a cherché, sur une base de données de 46 bassins versants situés en France, aux Etats-Unis et au Brésil, à exploiter au mieux, dans la structure du modèle pluie-débit, une information simple sur les ouvrages, à savoir l'évolution temporelle des volumes stockés dans les retenues. La diversité des conditions hydro-climatiques présentes dans la base de données donne aux résultats obtenus un caractère assez général. Au cours de cette thèse, un grand nombre de solutions de prise en compte des barrages-réservoirs a été testé. Les résultats montrent que cette information sur les remplissages des ouvrages peut être utilement exploitée au sein d'une structure de modèle global pour améliorer la simulation des bassins influencés. Les solutions qui se sont révélées être les plus performantes n'engendrent pas de complexification de la structure initiale du modèle puisqu'aucun ajout de paramètre n'a été nécessaire. Des gains de performances significatifs ont été réalisés, en particulier sur la simulation des étiages. Il s'agit d'un résultat important de la thèse car il montre qu'il est possible de prendre explicitement en compte, dans un modèle pluie-débit global, les barrages-réservoirs présents sur le bassin versant. Nous avons ensuite essayé de comprendre le lien entre la méthode de prise en compte des barrages-réservoirs et certaines caractéristiques physiques des bassins versants et des ouvrages de stockage afin de tenter d'adapter la solution au bassin versant considéré. Les résultats de ces tests ont montré que ce lien est difficile à mettre en évidence et qu'à ce stade, une solution générique semble la plus efficace. La solution la plus performante a ensuite été évaluée sur un échantillon complémentaire de 31 bassins versants n'ayant pas servi à son développement. L'évaluation a confirmé l'intérêt de la méthode pour l'amélioration des simulations des débits mais a également montré sa sensibilité à la disponibilité des données de stockages ainsi qu'aux transferts interbassins inconnus.