Résumé : Les eaux souterraines ont un impact majeur sur la vie terrestre, les besoins domestiques et le climat. Elles sont aussi un maillon essentiel du cycle hydrologique. Au Canada par exemple, plus de 30 % de la population est tributaire des eaux souterraines pour leur alimentation en eau potable. Ces ressources subissent de nombreuses pressions sous l’influence de certains facteurs comme la salinisation, la contamination et l’épuisement. La variabilité du climat et la demande croissante sur ces ressources imposent l'amélioration de nos connaissances sur les eaux souterraines. L’objectif principal du projet de recherche est d’exploiter les données d’anomalies (TWS) de la mission Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) pour localiser, quantifier et analyser les variations des eaux souterraines à travers les bassins versants du Bas-Mackenzie, du Saint-Laurent, du Nord-Québec et du Labrador. Il s’agit aussi d’analyser l’influence des cycles d’accumulation et de fonte de neige sur les variations du niveau des eaux souterraines. Pour estimer les variations des eaux souterraines, la connaissance des autres paramètres du bilan hydrologique est nécessaire. Ces paramètres sont estimés à l’aide des sorties du modèles de surface CLM du Système Global d’Assimilation des Données de la Terre (GLDAS). Les données GRACE qui ont été utilisées sont celles acquises durant la période allant de mars 2002 à août 2012. Les résultats ont été évalués à partir d’enregistrements de niveaux piézométriques provenant de 1841 puits localisés dans les aquifères libres du bassin des réseaux de suivi des eaux souterraines au Canada. Les valeurs de rendements spécifiques des différents types d’aquifères de chaque puits et celles des variations mensuelles du niveau d’eau dans ces puits ont été utilisées pour estimer les variations des anomalies des eaux souterraines in-situ. L’étude de corrélation entre les variations des anomalies des eaux souterraines estimées à partir de la combinaison GRACE-GLDAS et celles issues de données in-situ révèle des concordances significatives avec des valeurs de 𝑅=0,46 et 𝑅 = 0,50 entre ΔGW et ΔGWPiézo, respectivement pour le bassin du Bas-Mackenzie et celui du Saint-Laurent. Quant à la combinaison de tous les bassins, elle s’est caractérisée par une corrélation un peu plus faible (𝑅=0,44). Les valeurs des coefficients de corrélation calculée avec des données indépendantes de SWE venant des produits GlobSnow ; R = -0,68 sur le bassin du Bas-Mackenzie, R = -0,76 sur le bassin versant du Nord-du-Québec et du Labrador, R = -0,51 sur le bassin versant du Saint-Laurent et R = -0,52 pour les trois bassins réunis, montrent que ΔGW est très sensible à la quantité d’eau dans la neige, avec des spécificités pour chaque bassin versant étudié. / Abstract : Groundwater is an important component of the hydrological cycle. In Canada, more than 30% of the population relies on the main source of water for domestic use. These resources are under pressure factors such as salinization, contamination and exhaustion. Our knowledge on groundwater needs improvement because of climate variability and an increasing demand for these resources. The main objective of this project is to use the Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) mission data (TWS) anomalies to locate, quantify and analyze the groundwater changes in Mackenzie St. Lawrence, North-Quebec and Labrador basins. Also this work aims to analyze the influence of accumulation cycles and snowmelt on groundwater level changes. For this groundwater changes estimation, it is necessary to estimate other water balance parameters. These parameters are estimated by using the outputs of the land surface model CLM of the Global Land Data Assimilation System (GLDAS) Data Products. The TWS data used are from March 2002 to august 2012. The results were evaluated by using the groundwater levels records from 1841 wells located in the free aquifers of different Canadian groundwater monitoring networks. The Specific yields values of the different types of aquifers from each well and the monthly changes in the water level in these wells were used to estimate changes in the in-situ groundwater anomalies. The correlation study between changes in groundwater anomalies estimated from the combination GRACE-GLDAS and those from in-situ data reveals significant matches with values of R = 0,46 and R = 0,50 between ΔGW and ΔGWPiézo respectively for the Lower-Mackenzie and the St. Lawrence basins. The combination of all the basins is characterized by a slightly weaker correlation (R = 0, 44).The correlation coefficients calculated with an independent data coming from SWE GlobSnow products are R = -0, 68 for Lower-Mackenzie River Basin, R = -0, 76 for Nord-du-Québec and Labrador basin, R = -0, 51 for St. Lawrence basin and R = -0, 52 for the three basins taken together. These correlations show that ΔGW is very sensitive to the snowmelt water amount, but with specificities for each studied basin.

Cette recherche vise, dans un premier temps, à améliorer la connaissance du fonctionnement de l’aquifère du Rhin Supérieur entre Bâle et Lauterbourg, sur une période de temps présent (janvier 1986 à décembre 2002), puis, dans un deuxième temps, à évaluer l’impact du changement climatique sur l’aquifère. Pour obtenir ces résultats, nous avons utilisé le modèle hydrogéologique HPP-INV (Chardigny, 1997) pour le calage de différents paramètres par méthode inverse, pour évaluer le fonctionnement de l’aquifère du Rhin Supérieur en temps présent. Ce modèle, associé à un modèle hydrologique que nous avons développé pour l’occasion, nous a permis de calculer les évolutions piézométriques et de débits dans les rivières pour les 2 horizons futurs par rapport la période de temps présent. Nous avons d’abord caractérisé l’aquifère et défini son fonctionnement. Au niveau de la hauteur piézométrique et du débit dans les rivières de plaine, nous avons identifié le mois de février comme le mois des hautes eaux et le mois de septembre comme celui des basses eaux. A l’inverse, le Rhin suit un régime nivo-glaciaire, soit une période d’étiage en hiver et une période de pointe durant l’été. Nous avons également mis en évidence l’importance des échanges nappe-rivières dans le fonctionnement de l’aquifère, qui représentent 59 % du débit entrant et 87 % du débit sortant par rapport à la nappe phréatique. L’impact du changement climatique sur l’aquifère est ensuite étudié selon 3 scénarios d’émission de gaz à effet de serre développés par le GIEC (Groupement d’experts Intergouvernementaux sur l’Evolution du Climat) : un scénario optimiste, un scénario pessimiste et un scénario intermédiaire. Ces 3 scénarios d’émissions de gaz à effet de serre ont permis la création de 9 scénarios météorologiques, utilisés pour les prévisions sur 2 horizons futurs par rapport au temps présent (août 1961 à juillet 2000) : un futur proche (août 2046 à juillet 2065) et un futur lointain (août 2081 à juillet 2098). Nous avons déterminé que pour la période de futur proche, l’évolution piézométrique calculée dépend du scénario météorologique. En effet, certains scénarios prévoient un abaissement non significatif du niveau de la nappe, alors que d’autres prévoient une élévation. Enfin, un dernier prévoit une élévation du niveau de la nappe dans sa moitié Sud et un abaissement dans sa moitié Nord. Pour la période de futur lointain, certaines prévisions présentent un abaissement du niveau de la nappe, plus important pour le scénario climatique le plus pessimiste. Les autres scénarios présentent une élévation globale du niveau de la nappe, très variable selon le scénario météorologique.Concernant le débit dans les rivières, tous les scénarios prévoient la même tendance pour les 2 horizons futurs. Le Rhin présente une diminution du débit estival, soit son débit de pointe, et une augmentation de son débit hivernal, soit son débit d’étiage ; ce phénomène, plus important pour la période de futur lointain que pour la période de futur proche, montre une modification du régime du Rhin vers un régime pluvio-nival. Pour les autres rivières, nous avons observé une diminution du débit d’étiage et une augmentation du débit de pointe, plus importantes pour la période de futur lointain (entre -46% et -8% pour le débit d’étiage, et entre +32% et +94% pour le débit de pointe) que pour la période de futur proche (entre -42% et -6% pour le débit d’étiage, entre +0% et +102% pour le débit de pointe). / This research aims to, firstly, improve the understanding of the functioning of Upper Rhine aquifer between Basel and Lauterbourg during present time (January 1986-December 2002) and, secondly, assess the impact of climate change on the aquifer. To obtain these results, we used the hydrogeological model HPP- INV (Chardigny, 1997) for different parameters calibration by inverse method, to assess the functioning of the Upper Rhine aquifer in present time. Combining this model with a hydrological model that we developed for the occasion, we could calculate changes of piezometric level and flows in rivers for two future horizons of this report time period. We first characterized the aquifer and defined its operation. At the pressure head and flow in lowland rivers, we identified the month of February as the month of high water and September as the low water month. On the opposite the Rhine follows a snow and ice regime, a period of low water in winter and a peak during summer. We also highlighted the importance of exchange water table/river in the functioning of the aquifer, which represent 59% of the inflow and 87% of the outflow compared to the groundwater. The impact of climate change on the aquifer is then studied through three scenarios of greenhouse gas emissions developed by the IPCC (the Intergovernmental Panel on Climate Change): an optimistic scenario, a pessimistic scenario and an intermediate scenario. These three scenarios led to the creation of nine weather scenarios used to forecast 2 future horizons compared to the present time (August 1961-July 2000) : a near future (August 2046 to July 2065) and distant future (August 2081-July 2098). We determined that for the period of the near future, the calculated piezometric evolution depends on the weather scenario. In fact, some scenarios predict an insignificant lowering of the water, while others predict a rise. Finally, one foresees a raise of the water level in its southern half and a reduction in its northern half. For the distant future, some forecasts show a lowering of the water, the most important diminution for the pessimistic climate scenario. Other scenarios show an overall rise of the water level, variable depending on the weather scenario. Concerning the rivers flows, all scenarios predict the same trend for the two future horizons. The Rhine has a reduced summer flow - its peak flow - and an increase in winter flows - its low flow. This phenomenon, more important for the distant future compared to the near future, shows a shift of the Rhine regime to a snow and rain regime. For other rivers, we observed a decrease in low flows and an increase of the peak flow, more important for the distant future period (between -46% and -8% for low flows, and between +32% and +94% for the peak flow) than the near future

L'étude du système aquifère du Chari Baguirmi vise à améliorer sa connaissance en vue d'une gestion durable etprudente de la ressource en eaux souterraines. Dans la zone d'étude qui couvre 70000 Km2, des campagnes demesures et d'échantillonnages des eaux et de sédiments ont été réalisés. Les eaux échantillonnées ont fait l'objetd'analyses chimiques et isotopiques (O18 et 2H) afin de comprendre le comportement hydrogéochimique dusystème aquifère. La synthèse des données géologiques existantes et la mise en évidence de l'hétérogénéité litho-stratigraphiquepar l'étude granulométrique ont confirmé la complexité hydrogéologique de la zone d'étude. La minéralogie desargiles a montré que le dépôt des différents sédiments se fait de la périphérie vers le centre de la dépression. Cemode de sédimentation permet d'avancer l'hypothèse de l'existence d'une dépression vers laquelle les sédimentsseraient entrainés par l'agent de transport. Cette hypothèse de “ dépression structurale ” réfute l'hypothèseadmise jusqu'à présent d'une origine hydrogéologique (forte évaporation) de cette dépression piézométrique.L'étude basée sur la piézométrie et les données chimiques et isotopiques (O18 et 2H) des eaux a permis decomprendre les processus hydrogéochimiques qui gouvernent la minéralisation des eaux. En plus des isotopes(O18 et 2H), l'utilisation des ratios Br/Cl, Sr/Ca et l'indice d'échanges de bases a permis de mettre en évidenced'une part, l'origine de la salinité des eaux de la dépression piézométrique et d'autre part, les phénomènesd'échanges de bases liés au long temps de séjour des eaux au contact des roches encaissantes et les zones derecharge potentielles de la nappe. / The study of the Chari Baguirmi aquifer system aims to improve the knowledge about this system forsustainable groundwater resource management. In the study area, which covers 70,000 km2, measurementcampaigns and sampling of water and sediments were undertaken. The waters have been sampled for chemicaland isotopic analyzes (18O and 2H) to understand the hydrogeochemical behavior of the aquifer system.The synthesis of existing geological data and highlighting the litho-stratigraphic heterogeneity through thegranulometric study confirmed the hydrogeological complexity of the study area. Clay mineralogy showed thatthe deposition of different sediments occurred from the periphery to the center of the depression. This mode ofsedimentation can hypothesize the existence of a depression into which sediments are trained by the transportagent. This assumption of "structural depression" refutes the hypothesis of a hitherto accepted hydrogeologicalorigin (high evaporation) of the piezometric depression. The study based on the piezometry and chemical and isotopic data (18O and 2H) of water enabled to understand the hydrogeochemical processes that govern the mineralization of the water. In addition to isotopes (2H and 18O), the use of ratios Br/Cl, Sr/Ca and base exchanges index has highlighted on the one hand, the origin of the salinity of waters in the piezometric depression and secondly, the phenomena of base exchanges related to longresidence time of water in contact with rocks and areas of potential groundwater recharge. Numerical modeling of the aquifer was performed in steady state and the results confirm the prevalence of the phenomenon of evaporation in the western p