Pour une meilleure gestion de l’eau, la Directive Cadre sur l’Eau requiert la prise en compte des relations entre les masses d’eau superficielles et souterraines. Dans ce cadre, la dynamique des échanges entre eaux de surface et eaux souterraines est étudiée, pour un aquifère alluvial du Rhône. Deux approches sont utilisées: une analyse des séries temporelles de niveaux de nappes et de rivières, à l’aide de techniques de traitement du signal, et des modèles d’écoulements numériques, déterministes, à base physique. Ces techniques sont mises en œuvre sur un secteur (Péage-de-Roussillon) à forts enjeux socio-économiques pour l’usage de la ressource en eau. Les résultats sont analysés du point de vue de leurs complémentarités.Une analyse en composantes principales, à partir des signaux piézométriques, a montré que les fluctuations de niveaux du Rhône expliquent la majeure partie des variations de niveau de la nappe. Les analyses corrélatoires et spectrales, ont permis de caractériser la relation existant entre les niveaux du Rhône et de la nappe. Des comportements particuliers de l’hydrosystème ont été identifiés : colmatage du fond des cours d’eau, écoulements transverses aux cours d’eau,…. Ces comportements ont ensuite pu être étudiés, plus en détail, à l’aide d’un modèle hydrodynamique de la nappe qui intègre un module de calcul des écoulements surfaciques. Le modèle permet également de quantifier les flux échangés entre la nappe et le cours d’eau. / For better water management, the Water Framework Directive requires to take into account the relationships between surface water and groundwater bodies.In this frame, the exchanges dynamic between surface water and groundwater is studied, for a Rhône alluvial aquifer. Two sets of tools are employed: a time series analysis of groundwater and rivers levels, using signal processing techniques, and numerical flow models, deterministic and physically based. These techniques are implemented on an area (Péage-de-Roussillon) with high socio-economic stakes regarding water resources. The complementarities among the results are analysed.A principal component analysis, based on piezometric head signals, showed that the fluctuations of the Rhône water level explain most of the groundwater variations. Correlative and spectral analysis were used to characterise the relationship between the Rhône and the groundwater level. Specific behaviours of the hydrosystem were identified: clogging of river beds, transversal flows below river beds,… These behaviours were then studied, in details, using a hydrodynamic model of the aquifer, which incorporates a surface runoff calculation module. The model also allows quantifying the exchange rates between rivers and groundwater.

La sole commune présente au cours de son cycle de vie un changement ontogénétique d’habitat. Les larves sont marines et pélagiques, les juvéniles sont benthiques et vivent dans les nourriceries côtières (lagunes et estuaires) alors que les adultes sont benthiques et marins en zones plus profondes. Les otolithes sont des concrétions minéralisées de carbonate de calcium de l’oreille interne des téléostéens qui ne subissent ni dissolution ni résorption. Ils enregistrent les caractéristiques chimiques et isotopiques des milieux traversés.L’étude de la croissance, de la composition chimique et isotopique des otolithes des soles des nourriceries a confirmé l’existence de deux stocks de soles dans le golfe du Lion, un à l’Est et l’autre à l’Ouest. Les faibles valeurs de 13C et les fortes valeurs de Ba/Ca des otolithes des soles de l’Est du golfe ont été associées à une forte influence des apports rhodaniens sur la phase de vie larvaire lors des années où le débit du Rhône est normal. En période de crue, une forte influence du fleuve est visible sur les otolithes des soles des nourriceries de l’ensemble du golfe. La croissance des otolithes des juvéniles a été plus élevée lorsque la salinité a été proche de 20 et la température comprise entre 20 et 25°C (période estivale). Les signatures des otolithes de Mauguio et Berre ont présenté des 13C et Sr/Ca plus faibles que ceux de Thau (influences plus marines sur les proies et les masses d’eau). La spécificité des signatures chimiques et isotopiques des otolithes a permis d’élaborer des profils qui ont été retrouvés chez les populations de soles adultes du golfe, mais aussi vers Marseille et Bandol. Ces soles ont montré une influence du Rhône durant la phase de vie larvaire à 53%. Elles ont également montré une forte similarité avec les profils chimiques de type lagune de Thau (10-56%) et Rhône (19-30%) durant leur vie juvénile. Toutefois, une proportion non négligeable de soles originaires de nourriceries non caractérisées (26-50%) a été observée. / The life cycle of the common sole shows an ontogenetic shift of habitats. The larvae are marine and pelagic, the juveniles are benthic in coastal nurseries (lagoons and estuaries) whereas adults are benthic and live in marine deeper areas. Otoliths are paired calcified structures from the inner ear of teletost fish. They are metabolically inert (neither resorption nor dissolution) and they record, both the age (daily and annual increments) and the chemical and isotopic characteristics of the environment inhabited. Otoliths study provides information on the life history traits of individuals.The study of growth, chemical and isotopic otolith composition of soles from nurseries confirmed the existence of two sole stocks in the Gulf of Lions, one in the Eastern part and the other in the Western part. Low values in 13C and higher values in Ba/Ca ratio measured in Eastern sole otoliths during the larval life were associated to a high influence of the Rhône River discharge during a normal flow rate periods. Conversely, the one hundred return flood of the 2nd of December 2003 was very high and visible on otoliths from all nurseries in the Gulf of Lions. Juvenile otolith growth was higher in nurseries with low salinity (~20) and temperatures between 20 and 25°C than in more marine nurseries. 13C and Sr/Ca ratios of otoliths from Berre and Mauguio coastal lagoons were lower than those observed in Thau coastal lagoon (more marine influences on preys and water masses). These specificities of otolith compositions were used for the elaboration of reference profiles, which have been identified in adult populations of the Gulf of Lions, Marseilles and Bandol. Adult have shown an influence of the Rhône River during their larval life at 53%. They have shown a similarity with Thau chemical profile (10-56%) and Rhône profile (19-30%) during their juvenile life. However, 26-50% of fish from uncharacterised nurseries have been observed.

A l’image du Rhône au sud-est de la France, les fleuves font l’objet de multiples usages, entrainant des modifications profondes de leurs dynamiques fluviales. Par conséquent, les fonctionnements hydro-sédimentaire et écologique de leurs chenaux ainsi que de leurs plaines alluviales sont altérés. Des programmes intégrés de restauration s’attellent à définir les potentiels et les risques liés à de tels ‘écosystèmes anthropo-construits’ et de comprendre les interactions entre divers facteurs de contrôle ayant influencé leur formation. La présente étude s’est focalisée sur 293 casiers Girardon – des unités rectangulaires délimitées par des digues submersibles longitudinales et latérales construites dans le lit mineur au 19ème siècle afin d’améliorer la navigabilité du Rhône. Ceux-ci sont distribués sur quatre secteurs court-circuités au 20ième siècle pour la production hydro-électrique. Nous avons analysé les patrons spatio-temporels de la sédimentation, ainsi que la structure et la composition des boisements grâce à des données issues de la télédétection et de terrain. Nous proposons également un modèle conceptuel des facteurs de contrôle et des processus potentiels en lien avec les patrons observés. Quatre-vingts pourcents des casiers ont évolué du stade aquatique à un stade terrestre et boisé, suivant des trajectoires historiques variées à la fois inter- et intra-secteurs. Les boisements diffèrent en caractéristiques structurelles de boisements de référence plus naturels. Leur composition est plus proche de celle des systèmes matures que pionniers. Nous observons également une forte présence d’espèces allochtones, comme par exemple l’Érable negundo (Acer negundo), invasive, en particulier dans les stades de régénération. Notre approche comparative constitue une première étape pour démêler les effets cumulatifs des facteurs de contrôle et hiérarchiser leurs rôles individuels. Nous avons constaté que des facteurs locaux jouent un rôle majeur, en particulier la connectivité au chenal principal court-circuité. L’évolution des facteurs environnementaux eux-mêmes a contribué à la complexité des patrons. Ce travail ouvre la voie à des futures études sur des écosystèmes anthropo-construits sur cours d’eau, et donne une nouvelle perspective aux gestionnaires du Rhône relativement à son échelle spatiale innovante. / The multiple uses made of large rivers, such as the Rhône in south-eastern France, have provoked profound modifications of their fluvial dynamics. As a consequence, the hydro-sedimentary and ecological functioning of their channels and floodplains are highly altered. Integrated restoration programmes struggle in defining potentials and risks related to such ‘novel ecosystems’ and to understand the various interacting drivers which influence their formation. This study comparatively focused on 293 dike fields—rectangular units delimited by longitudinal and lateral submersible dikes constructed in the channel in the late 19th century to promote the navigability of the Rhône. They are distributed over four reaches by-passed in the 20th century for hydro-electric energy production. We investigated the spatio-temporal patterns of sediment deposition and the structure and composition of the forest stands using remote sensing and field data. We also propose a conceptual model of potential drivers and processes behind the observed patterns. Eighty percent of the dike fields have evolved from the aquatic to a terrestrial and forested stage, following variable historical trajectories both between and within reaches. The forest stands presented structural characteristics which differed from more natural reference stands and compositional characteristics closer to mature than to pioneer systems. They featured a high presence of non-native species, such as the invasive Box elder (Acer negundo). Our comparative approach constituted a first step to disentangle the cumulative effects of the drivers and define their individual roles: we discovered a prominent role of local factors, especially the connectivity to the main by-passed channel. The evolution of the environmental factors themselves added to the complexity of the patterns. This work provides a basis for future studies of novel ecosystems on rivers, and a new perspective to river managers on the Rhône due to its innovative spatial-scale.

La connaissance des flux de contaminants particulaires véhiculés par les cours d'eau est cruciale pour la gestion des pollutions environnementales, mais elle se heurte à d'importantes difficultés technologiques, méthodologiques et scientifiques. Grâce à un effort d'observation intensive rendue possible par l'Observatoire des sédiments du Rhône, ce travail de recherche s'est concentré sur la dynamique spatio-temporelle des flux de contaminants particulaires – mercure et PCB- au sein du Rhône et de ses principaux affluents contributeurs en matières en suspension (MES) : l'Arve, la Saône, l'Isère et la Durance. La stratégie d'observation choisie et validée privilégie un échantillonnage quasi-continu des débits, concentrations en MES (turbidimétrie) et teneurs en contaminants (par piège intégratif), associé à des prélèvements de référence (manuels, ou par centrifugation) et à une caractérisation détaillée des particules en termes de granulométrie et de taux de carbone organique. A partir des données ainsi mesurées et existantes, l'étude de la variabilité spatio-temporelle des différents paramètres et de leurs facteurs d'influence a permis de proposer et valider des méthodes adaptées pour la quantification des flux particulaires à l'échelle événementielle, annuelle et inter-annuelle. Ces résultats fournissent une nouvelle vision des flux particulaires dans le Rhône à l'échelle du réseau hydrographique, et soulignent l'importance des évènements hydro-sédimentaires majeurs et des interactions avec les aménagements hydro-électriques. Ces processus hydro-sédimentaires complexes motivent une contribution à l'amélioration de la simulation numérique du Rhône / The knowledge of particulate contaminant fluxes transported by rivers is crucial for the management of environmental pollution, but it is compromised by significant technological, methodological and scientific difficulties. Through an intensive observational effort made possible by the Rhône Sediment Observatory, this research focused on the spatio-temporal dynamics of particulate contaminant -mercury and PCBs- fluxes in the Rhône and its major tributaries as regards suspended particulate matters (SPM) contribution : the Arve, Saône, Isère and Durance rivers. The chosen and validated observation strategy is based on the quasi-continuous monitoring of discharge, SPM concentrations (by turbidimetry) and contaminant contents (using sediment integrative traps), associated with samples of reference (manual sampling or centrifugation) and a detailed characterization of particles in terms of grain-size and organic carbon contents. From measured and existing data, the study of spatio-temporal variability of parameters and of their factors of influence allowed us to propose and validate suitable methods for the quantification of particulate fluxes at the event, annual and inter-annual scales. These results provide a new insight into the particulate fluxes throughout the Rhône river system and highlight the importance of major hydro-sedimentary events and of the interactions with hydro-power schemes. Such complex hydro-sedimentary processes motivate the improvement of the numerical simulation of the Rhône river

Les contaminants, dissouts ou adsorbés sur les particules, sont principalement délivrés au milieu marin par les fleuves. La dynamique sédimentaire constitue alors un proxy de la dynamique de ces contaminants. Cette thèse s'inscrit dans le projet ANR AMORAD, et se focalise sur la dynamique du matériel particulaire délivré par le Rhône au Golfe du Lion (Méditerranée nord-occidentale), principal contributeur d'apports solides au Golfe (80 % des sédiments). Alors que des études antérieures ont permis de bien représenter les processus au niveau du fond, les processus régissant les comportements des matières en supension (MES), majoritairement rencontrées dans le panache turbide du Rhône, sont encore mal apréhendés. En vue de mieux décrire la dynamique de ces MES et d'améliorer les modèles hydrosédimentaires existants, l'objectif est de mieux caractériser ces particules. À cette fin, un vaste jeu de données issu de capteurs déployés in situ (données collectées pour 12 campagnes en mer, réalisées de 2011 à 2016) a été exploité, permettant d’obtenir une vision 2D verticale mais seulement ponctuelle (spatialement et temporellement). De façon complémentaire, une base de données d'images satellitaires (donnée couleur de l'eau du capteur MERIS-300m acquise entre 2002 et 2012), offrant une vue plus synoptique et long terme mais uniquement en surface, a été exploitée. Le jeu de données d'images satellitaire (plus de 800 images) a été traité de façon innovante par l'application d'un traitement semi-automatique permettant l'extraction de différentes métriques du panache turbide du Rhône (e.g. aire, limites d'extension, forme, centres géométriques, concentrations). La distribution spatiale et les caractéristiques physiques des MES telles que leur concentration dans l'eau, leur diamètre médian ou encore leur vitesse de chute ont été étudiées et estimées en fonction des différents forçages hydrométéorologiques actifs sur la zone d'étude (e.g. débit du Rhône, vents dominants). Un nouveau modèle hydrosédimentaire reposant sur le couplage du modèle hydrodynamique MARS-3D et du module sédimentaire multiclasse MIXSED a été configuré et les données in situ et satellitaires ont pu être mobilisées afin de contraindre la vitesse de chute des sédiments, paramètre clef de la modélisation de la dynamique hydrosédimentaire. / Contaminants, which can be dissolved in water or adsorbed on particles, are mainly delivered to the coastal environment by rivers. Thus, sediment dynamics reperesent a relevant proxy of contaminants dynamics. ThisPhD thesis is part of the ANR AMORAD project, of which one workpackage focuses on the fate of sediments in the coastal environment. This work focuses on the dynamics of Rhône River sediments in the Gulf of Lions (north-western mediterranean), this river delivering 80 % of the sediments of the Gulf. While previous studies over the area allowed a better understanding of physical processes at the water-sediment interface, processes driving suspended particulate matter (SPM) dynamics are still poorly understood. To better describe this SPM dynamics and improve hydrosedimentary models, the aim is to better characterize these particles. To this end, a large dataset collected from in situ deployed sensors (data collected for 12 field campaigns, conducted from 2011 to 2016) was analyzed to get a 2D vertical but ponctual view (both spatially and temporally). Complementary, a satellite images dataset (MERIS-300m ocean colour archive from 2002 to 2012) was built in order to get a long term and more synoptic view (but limited to surface).This dataset (more than 800 images) was originaly studied, applying a semi-empirical process to extract various Rhône River turbid plume metrics (e.g. area of extension, south-east-westernmost points, shape, centroids, SPM concentrations). Plume metrics and physical properties of SPM such as their concentration in water, their median diameter or their settling velocity were investigated regarding the different hydrometeorological forcings (e.g. Rhône River discharge, prevailing winds). A new hydrosedimentary model, based on the coupling of the 3D hydrodynamical model MARS-3D and the sedimentary module MIXSED, was set and ocean color and in situ data were used to constrain the settling velocity of particles, key parameter of hydrosedimentary modelling.