Le coe ur du mémoire concerne l'enchaînement intégré de la modélisation stochastique des pluies et de la modélisation des débits et autres flux associés. <br />Une première partie traite de l'aspect spatial des transferts, visant à exprimer sous une forme très synthétique la structure arborescente du réseau hydrographique. Elle suffit à transcrire des effets d'échelle et les grands contrastes internes au bassin versant concernant la fonction de production, ce qui asseoit une méthode de régionalisation efficace. Une variante plus réaliste dans la représentation de l'hydraulique permet de représenter l'atténuation hydraulique au sein d'un bassin versant. <br />La modélisation stochastique de la pluie (CECP) procède par désagrégation de la pluie totale d'un épisode en sous épisodes. Cette décomposition \textit{quantité} x \textit{forme} permet d'utiliser des fonctions monotones à forme donnée, et donc d'inverser le modèle ou de calculer facilement des probabilités conditionnelles, opérations généralement impossibles avec d'autres modèles. Le modèle n'est donc pas restreint à une utilisation en simulation, mais permet un calcul explicite (numérique) des fréquences rares. <br />Les probabilités conditionnelles se révèlent par ailleurs une représentation conjointe des aspects dynamiques et probabilistes que l'on propose d'appeler modèle pluie-débit-durée-fréquence, et qui manifeste l'existence de durées critiques dépendantes de la fréquence. On propose par ailleurs une formulation approchée, sous forme de loi dérivée, c'est à dire une distribution de probabilité dont les paramètres sont les paramètres de la transformation pluie-debit. <br />Pour estimer ce modèle dans des conditions variées de disponibilité de l'information, on propose d'utiliser l'information de Kullback-Leibler, avec une adaptation pour les valeurs extrêmes.

Les sécheresses exceptionnelles observées ces dernières années, ont montré la vulnérabilité de certaines activités humaines face à une pénurie de la ressource en eau. Le retour d'expérience de la sécheresse de 2003 a montré que cette situation aurait pu être mieux anticipée, incitant les services qui ont à charge la gestion des cours d'eau à se doter d'outils de prévision des étiages. Cette recherche porte sur l'analyse des étiages des cours d'eau de l'est de la France situés dans les bassins du Rhin et de la Meuse. L'objectif est de proposer une modélisation conceptuelle applicable pour la prévision opérationnelle. Un des intérêts réside dans le choix d'un nombre élevé de bassins, situés dans un contexte climatique homogène, mais aux caractéristiques géologiques diversifiées. Cet échantillonnage permet d'aborder une étude comparée du comportement des bassins et d'en expliquer la variabilité spatiale des écoulements en étiage. Dans un souci de transposabilité nous avons cherché à orienter notre démarche vers des méthodes uniques, applicables et reproductibles pour l'ensemble des bassins. Au final, malgré la diversité des milieux géologiques des bassins étudiés, des modèles uniques, aux paramètres descripteurs d'une réalité de terrain sont adoptés. Enfin, les incertitudes liées à la démarche conceptuelle ont pu être réduites grâce à l'analyse statistique, en proposant un compromis entre les fondements conceptuels et les applications employant les approches probabilistes.

Les modèles pluie-débit sont des outils essentiels pour de nombreuses applications hydrologiques, notamment la prévision des crues. L’objet de cette thèse est d’examiner les performances d’un modèle événementiel distribué, dont l’intérêt est de résumer la représentation des processus à la phase de crue, et la condition initiale à un indice de saturation du bassin facilement observable ou accessible. Ce dernier dispense de modéliser la phase inter-crue, et simplifie la paramétrisation et le calage du modèle. Le modèle étudié combine une fonction de production type SCS et une fonction de transfert type lag and route, appliquées à une discrétisation du bassin en mailles carrées régulières.Le modèle est d’abord testé sur le bassin versant du Real Collobrier. Ce bassin méditerranéen est suivi depuis plus de 50 ans par l’IRSTEA, et dispose d’une exceptionnelle densité de mesures de pluies et de débits. Cet environnement favorable permet de limiter les incertitudes sur l’estimation des pluies et d’évaluer les performances intrinsèques du modèle. Dans ces conditions, les crues sont bien reconstituées à l’aide d’un jeu de paramètres unique pour l’ensemble des épisodes testés, à l’exception de la condition initiale du modèle. Celle-ci apparaît fortement corrélée avec l’humidité du sol en début d’épisode, et peut être prédéterminée de façon satisfaisante par le débit de base ou l’indice w2 fourni par le modèle SIM de Météo-France. Les performances du modèle sont ensuite étudiées en dégradant la densité des pluviomètres, et rendent compte du niveau de performances du modèle dans les cas que l’on rencontre le plus souvent. .La variabilité spatiale des paramètres du modèle est étudiée à l’échelle de différents sous-bassins du Real Collobrier. La comparaison a permis de mettre en évidence et de corriger un effet d’échelle concernant l’un des paramètres de la fonction de transfert. Les relations entre la condition initiale du modèle et les indicateurs d’humidités des sols en début d’épisode restent bonnes à l’échelle des sous-bassins, mais peuvent être significativement différentes selon les sous-bassins. Une seule relation ne permet pas de normaliser l’initialisation du modèle sur l’ensemble des sous-bassins, à une échelle spatiale de quelques km2 ou dizaines de km2. Dans le cas de l’indice d’humidité du sol w2, une explication possible est que cet indice ne prend pas en compte suffisamment finement les propriétés des sols. Enfin, la variabilité spatiale des paramètres du modèle est étudiée à l’échelle d’un échantillon d’une quinzaine de bassins méditerranéens de quelques centaines de km2, associés à des paysages et des fonctionnements hydrologiques divers. La comparaison montre qu’à cette échelle, le lien entre les indicateurs de saturation du bassin et la condition initiale peut rester stable par type de bassin, mais varie significativement d’un type de bassin à l’autre. Des pistes sont proposées pour expliquer cette variation.En conclusion, ce modèle événementiel distribué représente un excellent compromis entre performances et facilité de mise en œuvre. Les performances sont satisfaisantes pour un bassin donné ou pour un type de bassin donné. L’analyse et l’interprétation de la variabilité spatiale des paramètres du modèle apparaît cependant complexe, et doit faire l’objet du test d’autres indicateurs de saturation des bassins, par exemple mesures in situ ou mesures satellitaires de l’humidité des sols. / Rainfall-runoff models are essential tools for many hydrological applications, including flood forecasting. The purpose of this thesis was to examine the performances of a distributed event model for reproducing the Mediterranean floods. This model reduces the parametrization of the processes to the flood period, and estimates the saturation of the catchment at the beginning of the event with an external predictor, which is easily observable or available. Such predictor avoids modelling the inter-flood phase and simplifies the parametrization and the calibration of the model. The selected model combines a distributed SCS production function and a Lag and Route transfer function, applied to a discretization of the basin in a grid of regular square meshes.The model was first tested on the Real Collobrier watershed. This Mediterranean basin has been monitored by IRSTEA for more than 50 years and has an exceptional density of rainfall and flow measurements. This favourable environment made it possible to reduce the uncertainties on the rainfall input and to evaluate the actual performances of the model. In such conditions, the floods were correctly simulated by using constant parameters for all the events, but the initial condition of the event-based model. This latter was highly correlated to predictors such as the base flow or the soil water content w2 simulated by the SIM model of Meteo-France. The model was then applied by reducing the density of the rain gauges, showing loss of accuracy of the model and biases in the model parameters for lower densities, which are representative of most of the catchments.The spatial variability of the model parameters was then studied in different Real Collobrier sub-basins. The comparison made it possible to highlight and correct the scale effect concerning one of the parameters of the transfer function. The catchment saturation predictors and the initial condition of the model were still highly correlated, but the relationships differed from some sub-catchments. Finally, the spatial variability of the model parameters was studied for other larger Mediterranean catchments, of which area ranged from some tenth to hundreds of square kilometres. Once more, the model could be efficiently initialized by the base flow and the water content w2, but significant differences were found from a catchment to another. Such differences could be explained by uncertainties affecting as well the rainfall estimation as the selected predictors. However, the relationships between the initial condition of the model and the water content w2 were close together for a given type of catchment.In conclusion, this distributed event model represents an excellent compromise between performance and ease of implementation. The performances are satisfactory for a given catchment or a given type of catchment. The transposition of the model to ungauged catchment is less satisfactory, and other catchment saturation indicators need to be tested, e.g. in situ measurements or satellite measurements of soil moisture.

Les dommages dus aux inondations sont en constante augmentation malgré la réglementation de l'urbanisation. La politique traditionnelle de lutte contre les crues ne donne pas satisfaction, tant du point de vue de la sécurité que des impacts sur les milieux naturels. La gestion du risque d'inondation doit s'inscrire à l'échelle du bassin versant et respecter le fonctionnement naturel des rivières. Il est nécessaire de développer des outils techniques nouveaux pour l'aide à la décision. Nous proposons une méthodologie de modélisation opérationnelle pour la gestion intégrée du risque d'inondation dans le contexte des rivières de moyenne montagne. La recherche de solutions techniques adaptées à chaque rivière peut s'appuyer sur un diagnostic complet du risque et l'exploration de scénarios de prospective. Pour permettre une approche à grande échelle, nous proposons une méthode de production et de sélection d'événements de référence conservant la même fréquence en tout point du bassin versant. Ces événements sont utilisés en simulation pour produire une cartographie précise de l'aléa en intensité et en fréquence. Le diagnostic du risque d'inondation permet d'identifier les enjeux à protéger et les hydrosystèmes à réhabiliter. Pour répondre à ces attentes, nous avons testé en prospective une renaturation de la rivière. L'application à la vallée de la Thur (68) et la simulation à l'aide d'une rivière virtuelle montrent que ce type de projet ne permet pas de réduire sensiblement l'aléa pour les rivières à pente forte. La pertinence des événements de référence choisis fait l'objet d'une discussion. Nous avons par ailleurs montré que les endiguements ne constituent pas une protection durable contre les crues. L'étude de scénarios de changement climatique annonce une aggravation des crues à moyen terme. Ainsi, nous intégrons dans la méthodologie l'étude de stratégies de résilience, encore peu explorées en France. La société doit réapprendre à vivre avec les crues pour concilier développement économique et équilibre des milieux naturels.

Les modèles hydrologiques sont des outils indispensables pour calculer les débits a l’exutoire des bassins versants, la gestion des aménagements hydrauliques ou encore la prévision et la prévention des inondations. Les précipitations représentent la variable climatique principale à l’origine des débits des cours d’eau qui s’écoulent au sein d’un bassin versant. De ce fait, la réponse hydrologique du bassin est fortement dépendante de la représentativité des données d’entrée de précipitation.Les radars météorologiques, qui permettent aujourd’hui d’accéder a des mesures a haute résolution spatiale et temporelle des champs de précipitation, sont de plus en plus utilises dans le domaine de la prévision, pour le suivi des situations hydrométéorologiques. Cependant, la mesure des précipitations par radar est entachée d’erreurs qui peuvent affecter gravement la qualité des simulations de débit. De ce fait, l’utilisation des données de précipitations a haute résolution spatiale pour la modélisation hydrologique est souvent limitée par rapport a l’utilisation des données pluviométriques.Récemment, Météo-France a développe une réanalyse des lames d’eau au pas de temps horaire, sur une durée de 10 ans, en combinant l’ensemble des données de précipitation radar et pluviométriques : les mesures radars ont été corrigées et étalonnées avec le réseau de mesure au sol horaire et journalier. Dans cette thèse, nous proposons d’étudier l’intérêt de cette nouvelle base de données à haute résolution spatiale pour la modélisation pluie-débit.Dans un premier temps, nous avons développe et valide un modèle hydrologique semi-distribue qui a la capacité de fonctionner pour différentes résolutions spatiales, de la représentation globale jusqu’a une discrétisation spatiale très fine des bassins. Dans un deuxième temps, l’impact de la résolution spatiale des données d’entrée de précipitation sur la simulation des débits a été analysé. L’apport de l’information radar pour l’estimation des précipitations a été évalue par rapport a une utilisation exclusive des pluviomètres, par le biais de la modélisation pluie-débit en termes de précision des débits a l’exutoire des bassins. Enfin, le modèle semi-distribue TGR a été comparé avec le modèle global GRP actuellement opérationnel dans les Services de Prévision des Crues. L’originalité de notre travail réside sur l’utilisation de données d’observation sur un large échantillon de 181 bassins versants français représentant une grande diversité de tailles et conditions climatiques, ce qui nous permet d’apporter un diagnostic robuste et des éléments de réponse sur les problématiques scientifiques traitées. / Hydrologic models are essential tools to compute the catchment rainfall-runoff response required for river management and flood forecast purposes. Precipitation dominates the high frequency hydrological response, and its simulation is thus dependent on the way rainfall is represented. In this context, the sensitivity of runoff hydrographs to the spatial variability of forcing data is a major concern of researchers. However, results from the abundant literature are contrasted and it is still difficult to reach a clear consensus.Weather radar is considered to be helpful for hydrological forecasting since it provides rainfall estimates with high temporal and spatial resolution. However, it has long been shown that quantitative errors inherent to the radar rainfall estimates greatly affect rainfall-runoff simulations. As a result, the benefit from improved spatial resolution of rainfall estimates is often limited for hydrological applications compared to the use of traditional ground networks.Recently, Météo-France developed a rainfall reanalysis over France at the hourly time step over a 10-year period combining radar data and raingauge measurements: weather radar data were corrected and adjusted with both hourly and daily raingauge data. Here we propose a framework to evaluate the improvement in streamflow simulation gained by using this new high resolution product.First, a model able to cope with different spatial resolutions, from lumped to semi-distributed, was developed and validated. Second, the impact of spatial rainfall resolution input on streamflow simulation was investigated. Then, the usefulness of spatial radar data measurements for rainfall estimates was compared with an exclusive use of ground raingauge measurements and evaluated through hydrological modelling in terms of streamflow simulation improvements. Finally, semi-distributed modelling with the TGR model was performed for flood forecasting and compared with the lumped forecasting GRP model currently in use in the French flood forecast services. The originality of our work is that it is based on actual measurements from a large set of 181 French catchments representing a variety of size and climate conditions, which allows to draw reliable conclusions.

Les crues « éclair » parfois dévastatrices qui touchent les bassins versants méditerranéens du Sud de la France sont difficiles à anticiper. Leur prévision passe par l'utilisation de modèles pluie-débit, dont l'efficacité est encore limitée par les incertitudes liées notamment à la variabilité spatiale des pluies méditerranéennes et à la caractérisation de l'état hydrique initial des hydrosystèmes. Dans le cas de bassins karstiques, à ces incertitudes s'ajoutent celles liées à la dynamique des aquifères et à leur rôle sur la formation des crues. La première partie de ce travail de thèse propose un modèle pluie-débit horaire, distribué, événementiel et parcimonieux pour reproduire les crues « éclair » à l'exutoire du bassin karstique du Lez (Montpellier) de 114 km2. Le modèle est évalué non seulement sur la qualité des simulations de débits mais aussi sur la qualité de son initialisation obtenu grâce à une relation entre sa condition initiale et divers indicateurs de l'état hydrique de l'hydrosystème. Calibré sur 21 épisodes de crues, le modèle fournit des simulations satisfaisantes, et sa condition initiale est significativement corrélée à l'indice d'humidité Hu2 du modèle SIM de Météo-France ou à la piézométrie dans l'aquifère du Lez. Les pluies mesurées par radar en début d'automne sont de bonne qualité et conduisent à une amélioration des simulations de débit et de l'estimation de la condition initiale du modèle. En revanche, les pluies mesurées par radar en fin d'automne sont de moindre qualité et n'améliorent pas les simulations. Face aux incertitudes liées à la paramétrisation du modèle ou à l'estimation des pluies radar, la deuxième partie du travail de thèse analyse l'apport de l'assimilation des débits observés pour corriger en temps réel les paramètres les plus sensibles du modèle et notamment sa condition initiale ou les pluies radar en entrée du modèle. La procédure d'assimilation de données a été mise en place à l'aide du coupleur PALM, qui permet de relier modèle hydrologique à l'algorithme d'assimilation. La correction de la condition initiale du modèle permet généralement d'améliorer les prévisions (sous hypothèse de pluie future connue); la correction de la pluie a des effets similaires. Néanmoins les limites de cette correction sont atteintes dans le cas où le modèle ne reproduit pas de façon satisfaisante la partie initiale de montée des eaux, ce qui pourra être amélioré par la suite. Finalement, ce travail de thèse montre que la complexité d'un bassin karstique peut être représentée efficacement à l'aide d'un nombre réduit de paramètres, pour simuler les débits, et contribue à l'amélioration des outils opérationnels pour la prévision des crues. / The sometimes devastating flash floods which affect the Mediterranean watersheds of the South of France are difficult to anticipate. Flood forecasting requires the use of rainfall-runoff models which are limited in their efficiency by uncertainty related to the spatial variability of Mediterranean rainfall and the characterization of the initial hydric state of the system. In karstic catchments, these uncertainties are added to those due to aquifer dynamics and their role in flood genesis. The first part of this work will present a distributed event-based parsimonious hourly rainfall-runoff model in order to reconstruct flash flood events at the outlet of the 114 km2 Lez Catchment (Montpellier). The model is evaluated not only for the quality of the simulations produced, but for the quality of its parameter initialization obtained using a relationship between the initial condition and various hydric state indicators of the system. Calibrated using 21 flood episodes, the model produces satisfactory simulations and its initial condition is significantly correlated with the Hu2 soil humidity index of the Météo-France model or piezometers measuring the Lez aquifer. Radar rainfall data measured in early fall are of good quality and lead to improved discharge simulations and an improved estimation of the model initial condition. However, rainfall measured by radar in late fall are of poor quality and do not improve the simulations. Confronted with the uncertainty related to model parametrization or the estimation of radar rainfall, the second part of this dissertation analyzes improvements achieved by assimilating observed discharge measurements in order to perform real-time corrections to the most sensitive model parameters and notably the initial condition and the radar rainfall input to the model. The data assimilation procedure was implemented with the help of the PALM coupling software which allows for the linking of the hydrological model with the assimilation algorithm. Correcting the initial condition allowed for, on average, the improvement of forecasting (under a known future rainfall hypothesis); correcting the rainfall had similar effects. Nevertheless, the limits of this approach are reached when the model is unable to satisfactorily reproduce the rising limb of the hydrograph, a problem which may be addressed by future research. Finally, this body of work demonstrates that the complexity of a karstic catchment can be efficiently represented with a reduced number of parameters in order to simulate discharges and contribute to the improvement of operational tools for flood forecasting.