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.

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.

Géographe hydro-climatologue, mes recherches en sciences de l'environnement traitent des interactions entre l'eau, le climat et la société. Les applications portent sur un espace sous-continental de l'Europe de l'Ouest soumis à un climat océanique à dégradation continentale et drainé par deux fleuves constituant des axes de circulation et d'échanges transnationaux majeurs : le Rhin et la Meuse. Ce document présente un aperçu de mes recherches au cours des dix dernières années. Trois thèmes ont charpenté mon activité de recherche pendant cette décennie : i) Le changement climatique contemporain d'échelle régionale ; ii) La caractérisation et la gestion des impacts hydrologiques en contexte climatique non stationnaire et en avenir incertain ; iii) La géographie physique du flux de précipitations et de l'écoulement de rivière dans une optique de régionalisation des composantes du cycle hydrologique. Le premier thème est certainement celui qui a le plus retenu mon attention en raison de la forte demande sociétale qu'il a suscité au cours de ma période d'activité. Avec le recul, je pense que ces trois thèmes de recherche sont liés par un concept transversal : celui du changement qui se manifeste à toutes les échelles d'espace et de temps. L'eau et le climat se situent dans un environnement progressivement transformé par l'Homme et participent eux-mêmes à ce changement affectant les sociétés humaines par leur dynamique intrinsèque et leur stochasticité. Il y a là une dualité qui suppose d'adopter une approche socio-environnementale et intégrative des hydrosystèmes pour comprendre leur dynamique et mieux maîtriser leur gestion, renforcer leur résilience et leur faculté d'adaptation au changement. Cette dualité suppose " d'installer " une chaîne d'analyse et de modélisation contrainte par le diagnostic des modèles (climatiques et hydrologiques) et l'interaction " terrain-modèle ". Seule une telle démarche expérimentale permet de poser des limites opérationnelles face aux enjeux sociétaux suscités par les changements affectant le fonctionnement des hydrosystèmes et leur réponse face aux perturbations climatiques. La première partie de ce mémoire a pour objectif de définir les objets de recherche. Ainsi, le changement climatique est-il défini comme une intégration dans le temps des transitions préférentielles de l'atmosphère vers un régime de temps particulier. Les fondements de son étude se décline autour des mots-clés suivants : détection, attribution, modélisation et prospective. La régionalisation pour sa part est définie comme une science géographique qui, partant de l'observation et d'un effort de théorisation, cherche à identifier des similitudes de comportement, des combinatoires de variables permettant de prévoir ou prédéterminer, à partir ou non de l'information géographique, une information hydrologique ou climatologique là où elle n'existe pas ou que partiellement. Pour ces deux objets de recherche, l'enjeu socio-environnemental est considérable : il s'agit fondamentalement d'améliorer la connaissance des opportunités et des contraintes qui émanent des évolutions de l'environnement dans lequel l'Homme s'insère. L'objectif est de contribuer à faire de lui un meilleur gestionnaire, un meilleur gardien de cet environnement dont il est un acteur majeur pour qu'il adopte, de plus en plus, un comportement de " sentinelle ", i.e. proactif et réactif face au changement. Mon effort de recherche s'est déployé à différents niveaux scalaires mais toujours aux échelles spatiales qui sont directement en prise avec les impacts sociétaux du changement climatique. Les espaces sont de dimension variable (de quelques km² à quelques dizaines de milliers de km²) et leurs contours ont surtout été dictés par l'ancrage géographique des projets de recherche et la disponibilité de jeux de données cohérents. En outre, mon effort de recherche s'est nourri de données collectées par des réseaux de mesure d'envergure régionale. Par conséquent, les échelles temporelles investiguées ne vont pas au-delà de l'échelle séculaire. Les pas de temps des chroniques que j'ai traitées s'étendent de l'horaire à l'annuel. La seconde partie problématise les objets de recherche tout en fixant les échelles spatiales et temporelles auxquels ils sont traités. Les questionnements posés par mes objets de recherche sont nombreux et variés : comment crédibiliser les observations climatiques ? Comment concevoir les futurs du climat ? Comment les appliquer au fonctionnement hydrologique actuel des bassins-versants ? Quelles en sont les sources d'incertitude ? Comment évaluer le modèle d'impact hydrologique et comment le choisir ? Comment prendre en compte la variabilité spatiale des précipitations et de l'écoulement pour construire un modèle régional ? Comment s'organise cette variabilité ? Peut-on la modéliser, la prévoir, et à quelles échelles d'espace et de temps ? Quels sont les descripteurs physiques qui rendent compte de cette variabilité ? Pour répondre à ces questionnements scientifiques, il m'a fallu recourir à un arsenal de méthodes quantitatives décrites dans la troisième partie du document. Ces méthodes relèvent pour l'essentiel de l'analyse de données, de la statistique multivariée, de la statistique décisionnelle et de l'analyse spatiale. Les innovations résident principalement dans le développement des méthodes simples et fiables de détection du changement régional ou encore de cartographie automatique d'une variable d'intérêt à échelle fine. La quatrième partie est consacrée aux résultats produits tout au long de mon itinéraire de recherche. La synthèse n'est pas exhaustive. Les résultats saillants se rapportent à la caractérisation du réchauffement climatique contemporain (amplitude et localisation) au sein de l'espace rhéno-mosan, à la modulation spatiale du signal de changement pluviométrique hivernal, à l'évolution future du climat et des débits dans les bassins de la Sûre et de la Meuse ou encore à la valorisation des mesures hydrométriques patrimoniales pour l'interpolation du débit des rivières. Enfin, le document s'achève avec la présentation de quelques perspectives de recherches qui se projettent sur mon horizon scientifique, à plus ou moins brève échéance. La question de l'analyse spatiale des flux hydrologiques et celle de la résilience climatique des hydrosystèmes s'inscrivent au cœur de ces perspectives.