La pollution des eaux par les nutriments, pesticides et sédiments est un problème majeur dans les bassins versants agricoles. En Bretagne, l'intensification de l'agriculture, avec à la fois l'augmentation de la consommation d'intrants et la disparition des haies et des zones humides entre les parcelles et les cours d'eau, est considérée comme la principale cause de la dégradation de la qualité des eaux. Les travaux menés depuis les années 1970 sur le bocage montrent que localement, le rôle hydrologique et hydrochimique des haies est important.<br />Le premier objectif de cette thèse est d'aborder l'impact du bocage sur les flux d'eau et de nutriments à l'échelle du bassin versant, compatible avec la gestion de la ressource en eau. Le second objectif est d'articuler les connaissances sur les fonctions tampons des haies avec les connaissances sur l'organisation et l'évolution des paysages sous l'effet de dynamiques agricoles. Trois axes ont été développés : un axe conceptuel pour définir le rôle tampon des paysages, un axe empirique de comparaison du rôle tampon à l'exutoire de cinq bassins versants et un axe de modélisation. Ce<br />dernier comprend d'une part l'intégration des résultats locaux sur le fonctionnement hydrique des haies (évapotranspiration) dans un modèle hydrologique spatialisé et d'autre part une démarche de modélisation de paysages à partir de règles de fonctionnement (allocation des usages) et d'évolution des exploitations agricoles (agrandissement, changement de système de production), couplée à deux modèles de description de l'organisation fonctionnelle des réseaux de haies, l'un pour les transferts de surface, l'autre pour les transferts de subsurface.<br />Une analyse bibliographique critique du concept de rôle tampon et de sa mesure à des échelles spatiales larges a été réalisée. Elle a débouché sur une typologie des effets tampons des structures paysagères, basée sur la prise en compte du temps, et sur la définition d'un effet tampon des paysages intégrant l'effet des structures paysagères et du milieu physique. L'étude empirique montre un gradient de rôle tampon qui va dans le sens du gradient de densité de bocage entre les bassins. Elle fait ressortir la co-variation des types de géomorphologie, des types de système de production, des types de parcellaire, et des types de bocages, dans les paysages. La modélisation hydrologique montre spécifiquement le rôle hydrologique des haies à l'échelle annuelle, plus marqué les années sèches.<br />Dans la modélisation de paysages, le rôle de l'exploitation agricole dans l'organisation spatiale des usages et de leur évolution est pris en compte explicitement. Elle montre qu'une même évolution des exploitations se traduit par une évolution variable de l'effet tampon à l'échelle des bassins versants.<br />Le rôle tampon sur les transferts de subsurface apparaît plus stable et plus résilient que le rôle tampon sur les transferts de surface, très dépendant de la continuité du réseau de haies..

Dans les bassins versants reposant sur un socle géologique peu perméable et peu profond, les nappes superficielles de versant jouent un rôle prépondérant non seulement dans la genèse des débits mais également dans le transfert des solutés. Ces nappes, caractérisées par de fortes variations saisonnières des niveaux piézométriques, se développent dans un matériau aquifère constitué principalement de roche altérée et de matériaux non consolidés dont les propriétés hydrodynamiques restent peu étudiées. La connaissance du fonctionnement hydrologique et hydrochimique de ces systèmes, des processus qui déterminent les voies de transfert des solutés et leur temps de résidence dans le milieu, est essentielle en particulier dans un contexte où la recherche est de plus en plus sollicitée pour évaluer les effets de changements de pratiques agricoles sur les pollutions diffuses. Le travail présenté ici vise à comprendre les processus de transfert de solutés et de dénitrification dans les aquifères superficiels à partir de l'étude d'un aquifère d'un bassin versant élémentaire expérimental de l'ouest de la France, appartenant à l'ORE AgrHys. L'analyse repose sur les données acquises sur un dispositif instrumental original permettant un suivi spatial et temporel du niveau de la nappe et de sa composition chimique sur un versant. Les propriétés hydrodynamiques du matériau aquifère ont été étudiées au laboratoire et in situ, ce qui a permis de calibrer un modèle hydrologique à base physique et en 2D (développé avec le code Hydrus 2D) simulant de manière satisfaisante la dynamique saisonnière des niveaux piézométriques dans le versant. Les relations mises en évidence entre le cycle hydrologique et les variations intra-annuelles de la composition chimique, nous permettent de proposer un modèle conceptuel synthétisant les mécanismes mis en jeu dans le transfert d'un soluté conservatif dans la nappe. Une étude de la variabilité spatiale et temporelle de la composition isotopique de l'azote et de l'oxygène du nitrate n'a pas révélé la présence d'une dénitrification apparente dans l'aquifère. Enfin, un modèle de transport des solutés basé sur le modèle hydrologique calibré précédemment a permis de tester les hypothèses émises à partir des données expérimentales. La principale conclusion de ce travail est que les nappes superficielles de versant présentent une variabilité spatiale et temporelle importante, qui résulte de processus de mélange à partir de compartiments dont la contribution varie saisonnièrement. En période hivernale, la recharge rapide des nappes par des écoulements préférentiels joue un rôle important dans les variations de composition chimique de la partie supérieure de la nappe, ce que la plupart des modèles actuels ne permettent pas de prendre en compte.

The objective of this PhD research is to simulate the water balance of the Tolomosa watershed, using the physically based GIS (ArcView) linked software package SWAT (Soil and Water Assessment Tool), as part of the evaluation of the hydrological response to development scenarios in allocating available water resources and quantifying the value in relation to the economic production of the basin. The methodology includes the review of the relevant scientific articles and combines natural sciences and field surveys with remote sensing techniques (1997 Landsat 5TM imagery), hydrological modelling and water valuation. Out of the six conducted modellings, the assessment of the predictions and uncertainties associated with the results indicates that TOLOHRU, which has the finest spatial discretisation, shows the best performance for the hydrological simulation of the basin. Three development scenarios of the basin are considered. The results of the functional form of the hedonic property pricing of eighty seven agricultural plots draw aside the agricultural scenario. Only the mixed sylvo-pastoral scenario is considered, cattle breeding being related to all the activities of the basin. The water valuation is estimated by comparing the changes between the total flow reaching the storage reservoir and the value of the watershed production of a 30 year period in the case of: (1) Current situation with an estimated agriculture, pastoral and hydroelectric annual production of 59.1 million USD (constant price); (2) Forestry-cattle breeding scenario contributes to a forestry-cattle breeding and hydroelectric production of 74.3 million USD (constant price). In unit terms, a cubic meter of water has a relative value of 0.31 USD which depends of the hypothesis of this research. Furthermore, we hope that this approach will be considered by the regional decision makers, including those of the Tolomosa River Contract (TRC) project, as an effective management tool for developing sustainable river basin water resources policy./Lobjectif de la thèse vise à estimer les termes du bilan en eau du bassin de la Tolomosa par le modèle semi-distribué SWAT (Soil and Water Assessment Tool) couplé au SIG ArcView, en vue détablir, analyser et comparer la réponse hydrologique du bassin face aux changements biophysiques lors de lapplication dun scénario de développement pour, à terme, allouer et quantifier la valeur unitaire du bien « eau » en relation avec la production économique du bassin. La méthodologie comprend la révision de la littérature scientifique pertinente et combine les sciences naturelles et les études de terrain avec les techniques de télédétection (image Landsat 5TM 1997), de modélisation hydrologique et de valorisation économique. Des six modélisations hydrologiques conclues, lanalyse des performances et des incertitudes associées aux résultats montre que TOLOHRU, qui possède le découpage spatial le plus fin, présente la meilleure robustesse qui permet despérer une bonne connaissance de la réaction hydrologique du bassin en fonction d'une pluviométrie identifiée. Trois scénarios productifs de développement sont envisagés. Les résultats de la forme fonctionnelle du prix hédonique de quatre-vingt-sept propriétés agricoles écartent le scénario de production agricole. Seul le scénario mixte sylvo-pastoral est retenu, lélevage étant intrinsèquement lié à toutes les activités du bassin. Enfin, la valorisation de leau est déterminée en comparant la variation du bilan en eau et de lécoulement total atteignant le réservoir avec la différence de la valeur actualisée de la production du bassin sur une période de 30 ans entre les cas suivants: (1) Situation actuelle avec une valeur actualisée de la production annuelle agricole, pastorale et hydroélectrique estimée à 59,1 millions USD; (2) Scénario sylvo-pastoral avec une valeur actualisée de la production annuelle sylvo-pastorale et hydroélectrique de 74,3 millions USD. En termes unitaires, le rapport entre la différence de la valeur de la production en USD et celle de lécoulement total à lexutoire en mètres cubes correspond à une valeur relative de 0,31 USD du mètre cube deau, fonction des hypothèses considérées par cette étude. En plus des résultats obtenus, nous avons lespoir que cette démarche soit considérée par les décideurs régionaux y compris ceux du projet Contrat Rivière Tolomosa (CRT) comme un outil de gestion disponible permettant dappuyer le développement dune politique rationnelle, soutenable et économiquement viable des ressources hydriques dun bassin versant.

Utilisation des isotopes et du tritium dans les études limnologiques.

L'utilisation par les agriculteurs de fertilisants et de produits phytosanitairesentraîne un risque de contamination de la ressource en eau. Ce risque, joint aux exigences de qualité de cette dernière, a pour effet un accroissement de son coût et sa fragilisation. Le souci de concilier l'emploi des produits de protection des cultures et la qualité de la ressource en eau a conduit en particulier à l'élaboration du projet EUREKA ISMAP, dont l'objectif est la réalisation d'un système- d'information et d'aide à la décision pour la gestion des pollutions diffuses d'origine agricole . Dans ce système, la composante "modélisation" est appelée à jouer un rôle important. Les travaux présentés dans ce mémoire entrent dans le cadre de cette composante: le but de cette thèse est la conception et l'application à un site-test d'une méthodologie d'utilisation des outils de simulation des transferts en milieu souterrain de l'eau et des contaminants, afin de déterminer les quantités maximales de produits phytosanitaires pouvant être épandues à la surface du sol, sans pour autant risquer de contaminer les captages en aquifère.

Au Québec, la gestion de l'eau se fait selon les directives de la politique nationale de l'eau qui a instauré la gestion intégrée de l'eau par bassin versant (GIEBV) en 2002. Ce mode de gestion considère que les acteurs du bassin versant se concertent pour discuter des enjeux et des orientations liés à l'eau du territoire, et ce, dans une perspective de développement durable, au sein d'un conseil d'administration. Cette gestion ou concertation s'appuie sur les connaissances (scientifiques et traditionnelles) disponibles pour le bassin versant. Peu d'études s'intéressent à l'image de la GIEBV que se font les gestionnaires (membres du conseil d'administration) ni à la place accordée aux connaissances scientifiques dans les prises de décision. Pour répondre à ces questions, les administrateurs des conseils de bassins des rivières des Escoumins, du Nord et du Lièvre ont été interrogés à l'aide d'un questionnaire construit par nos soins, et testé avec cinq des administrateurs du conseil de bassin de la rivière Rimouski. L'analyse de ces données a permis de qualifier la représentation que se font les administrateurs de la gestion de l'eau. Ces derniers ont une image comparable à celle diffusée officiellement par le ministère du Développement durable, de l'Environnement et des Parcs, responsable du dossier. D'autre part, toute l'importance des connaissances scientifiques dans les prises de décisions est notée. Cette constatation s'explique de par l'objectivité et la prouvabilité des connaissances scientifiques, contrairement à la subjectivité induite par l'origine des connaissances traditionnelles. Une théorie d'administrateur-vulgarisateur est aussi mise de l'avant. En effet, plusieurs administrateurs avouent faire confiance aux autres quant à l'origine des connaissances scientifiques qu'ils utilisent pour prendre les décisions ainsi que pour leur fournir l'aide nécessaire à la compréhension de ces connaissances scientifiques. Les gestionnaires ont aussi soulevé plusieurs problèmes comme le manque de financement, le manque de connaissances scientifiques disponibles ou le manque de pouvoir pour agir. Les résultats sont aussi mis en parallèle avec la Loi 27, qui était, au moment de l'étude, à l'état de projet. Cette loi soulève de nombreuses questions qui sont discutées comme l'influence du redécoupage territorial sur le futur de la GIEBV au Québec. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : GIEBV, PNE, connaissances scientifiques et traditionnelles, gestion, gouvernance.

En 2004, la Ville de Mont-Tremblant, traversée par la rivière du Diable, fait face à plusieurs défis relatifs à ses ressources en eau. Elle souhaite sécuriser son approvisionnement en eau potable; encadrer les développements immobiliers, récréotouristiques et routiers en plein essor sur son territoire, et ce, dans le respect de la capacité de support des écosystèmes aquatiques; et réduire l'opposition entre les usagers de l'eau. En somme, elle cherche à instaurer une gestion davantage intégrée et durable de ses ressources en eau. Inspirée par le modèle québécois de gestion intégrée de l'eau par bassin versant, elle décide d'instaurer une gouvernance participative de l'eau et entame une planification intégrée de ses ressources en eau selon une approche écosystémique, visant le développement durable. La Ville stimule la création d'un organisme de bassin versant pour la rivière du Diable. Fondée en 2005, l'Alliance pour une gestion intégrée et responsable du bassin versant de la rivière du Diable regroupe tous les décideurs politiques et les usagers socioéconomiques de l'eau de son territoire. Ces acteurs de l'eau s'engagent dans un processus de concertation dans le but d'élaborer un plan directeur de l'eau pour le bassin versant de la rivière du Diable. En tant qu'observatrice participante, nous avons collaboré au processus d'élaboration du premier Plan directeur du bassin versant de la rivière du Diable, de 2005 à 2008. À travers cette étude de cas, nous analysons d'une part, les forces et les faiblesses du modèle québécois de gestion intégrée de l'eau par bassin versant. D'autre part, nous évaluons les opportunités et les contraintes relatives au contexte d’étude, soit les contextes naturel et socioéconomique du bassin versant de la rivière du Diable de 2005 à 2008. En général, nous constatons que le modèle proposé permet de rencontrer la plupart des objectifs initiaux. Nous proposons toutefois quelques améliorations. Le plan directeur de l'eau, dans la forme exigée, permet de cerner les problèmes relatifs à l'eau et leurs causes, de cibler les enjeux, les grandes orientations, les objectifs à atteindre et les actions à entreprendre pour améliorer la gouvernance et la gestion de l'eau dans le cadre d'un bassin versant. Afin de raffiner l'analyse spatiale des problèmes, nous recommandons l'utilisation de systèmes d'informations géographiques. Afin d'alimenter ceux-ci, les gouvernements doivent rendre leurs données à référence spatiale disponibles auprès des organismes de bassin versant. L'institutionnalisation du bassin versant comme cadre d'analyse et de décision pour la gestion des ressources en eau est nécessaire. Nous constatons que la consultation des usagers de l'eau par les décideurs politiques, sous la forme de tables de concertation animées par un facilitateur indépendant, permet de créer un lieu d'échange propice à la résolution de conflits et de créer une communauté de pratique. Les acteurs de l'eau y participant apprennent à se connaître et à s'entendre sur des compromis face à l'utilisation des ressources en eau. La recherche du plus grand niveau possible de consensus est louable mais peu réaliste; le fait de ne pas atteindre de consensus comme tel ne devrait pas représenter un échec. Pour sa part, l'information et la sensibilisation de tous les acteurs de l'eau est un élément essentiel du processus. En somme, la démarche menée par AGIR pour la Diable a permis d'instaurer certains éléments de gouvernance participative de l'eau dans le cadre du bassin versant de la rivière du Diable et représente une première ébauche de planification intégrée des ressources en eau. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Développement durable, gestion intégrée de l'eau par bassin versant, gouvernance participative, Québec.

L’étude vise à caractériser les indicateurs relatifs aux évènements hydroclimatiques extrêmes dans le bassin-versant de l'Ouémé à l'exutoire de Bonou. Pour atteindre cet objectif, les données climatologiques (pluies journalières, températures journalières, évapotranspiration potentielle journalières), les données hydrométriques (débits journaliers), les données de réanalyses (pression atmosphériques, humidité relative, vitesse du vent, Indices de Mousson West Africain), la température de surface océanique sur la côte de Cotonou et les données cartographiques relatives aux occupations du sol des années 1986, 2000 et 2015 sont utilisées. L’analyse de la variabilité hydroclimatique a révélé que le secteur d’étude a connu sur la période de 1951-2015, deux ruptures de stationnarité (1968 et 1987) qui ont divisé la série en trois sous-périodes. La variabilité pluviométrique révèle qu’il une régression de 18 % (au sud), de 16 % (au centre) et de 15,8 % (au nord) entre la première sous-période (1951-1968) et la deuxième sous-période (1969-1987), alors que la dernière sous-période (1988-2015) est marquée par une reprise pluviométrique de 15 % (au sud), de 16,3 % (au centre) et de 15,7 % (au nord) par rapport à la sous-période d’avant. Ce qui n’est pas sans conséquences sur la dynamique hydrologique du secteur d’étude. Ainsi, il est observé une régression de 49,27 % des débits moyens annuels entre les sous-périodes 1951-1968 et 1969-1987 et une augmentation de 65 % entre les sous-périodes 1969-1987 et 1988-2015. Sur la dernière sous-période (1988-2015), les résultats révèlent aussi une augmentation des indicateurs des évènements hydroclimatiques extrêmes susceptibles d’occasionner les inondations à Bonou. Les pluies maximales journalières ont une occurrence de 2 ans, 5 ans, 10 ans pour les événements pluvieux forts ; 20 ans, pour les événements pluvieux très forts ; 50 ans et + pour les événements pluvieux extrêmement forts dans le secteur d’étude. Les débits maximaux en 24 heures augmentent en même temps que les périodes de retour. Les débits maximaux de 50ème quantile surviennent chaque deux ans, les débits maximaux correspondants aux évènements hydrologiquement forts, très forts, surviennent tous les 10 ans et les débits extrêmement forts ont une occurrence centennale. Les conditions atmosphériques, océaniques, de la surface continentale, la vitesse du vent, l’humidité relative, les facteurs géographiques sont autant de facteurs qui interagissent dans la répartition spatio-temporelle de la pluie du secteur d’étude. La pluviométrie du bassin est également influencée par le flux de mousson (nord secteur d’étude) auquel s’associent les lignes de grains de sud-est, responsables des pluies orageuses et d’averses qui génèrent des inondations dans le bassin. De même, le contexte climatique actuel et la dynamique de l’occupation des terres constituent des déterminants qui amplifient la manifestation des inondations dans le secteur d’étude. La recherche indique que le modèle conceptuel pluie-débit GR4J, surestime les débits observés en période de basse eau et les sous-estime en période de hautes eaux. Les critères d’efficacité et de performance NSE, RMSE et KGE, mis en évidence et calculés sur les débits de hautes eaux ont donné des résultats meilleurs en calage qu’en validation. Mieux les valeurs du KGE varient de 83 à 85 % en calage et de 56 à 68 % en validation, ce qui confère au modèle GR4J, l’efficacité, la performance à reproduire les débits extrêmes de crues dans le bassin. Le GR4J peut donc être servir comme outil d’aide à la décision pour l’actualisation des normes hydrologiques dans le secteur d’étude. Dans la perspective de mieux étudier les évènements climatiques extrêmes futurs, cette recherche a évalué des données de projection de sorties des modèles climatiques régionaux issues du Programme CORDEX africain et qui pourraient être utilisées pour les projections hydrologiques des travaux futurs dans le secteur d’étude. / This research aims to characterize the indicators relating to extreme hydroclimatic events in Ouémé Watershed at Bonou’s outlet. To achieve this objective, climatological data (daily rain, daily temperatures, potential daily evapotranspiration), hydrometric data (daily flows), reanalysis data (atmospheric pressure, relative humidity, wind speed, West African Monsoon Indices), the ocean surface temperature on the Cotonou coast and land use mapping data of 1986, 2000, 2015 are used. The analysis of the hydroclimatic variability revealed that during the 1951-2015 period, the study area is marked by two breaks stationarity (1968 and 1987) which divided the series into three sub-periods. The rainfall variability reveals a regression of 18 % (in the south), 16 % (in the center) and 15.8 % (in the north) between the first sub-period (1951-1968) and the second sub-period (1969-1987), while the last sub-period (1988-2015) is marked by a rainfall recovery of 15 % (in the south), 16.3 % (in the center) and 15.7 % (in north) relative to the previous sub-period (1969-1987). This is not without consequences on the hydrological dynamics of the study area. In this sense, it is noted that there is a regression of 49.27% of the average annual flows between the 1951-1968 and 1969-1987 sub-periods and a 65 % increase between the 1969-1987 and the 1969-1987 sub-periods. 1988-2015. In the last sub-period (1988-2015), the results also reveal an increase in the indicators of extreme hydroclimatic events likely to cause floods Ouémé Watershed at Bonou’s outlet. The results shows that daily maximum rainfall has an occurrence of 2 years, 5 years, 10 years for strong rainfall events; 20 years, for very heavy rain events, 50 years and over for extremely heavy rain events in the study area. The maximum flow rates in 24 hours at the sametime as the return periods. The maximum flow rates of 50th quantiles occur every two years (02 years), the maximum flows corresponding to the hydrologically strong events, very strong occur every 10 years and the extremely high flows have an occurrence centennial. The conditions of atmospheric, oceanic, continental surface, wind speed, relative humidity, and geographic factors are all elements that interact in the spatio-temporal distribution of rainfall in the study area. The Rainfall of the basin is also influenced by the monsoon flow (north of the study area), to which the southeastern grain lines are associated and are responsible for the stormy rains and showers that generate flooding in the area. In addition, the current climatic context and land-use dynamics are determinants that amplify the occurrence of floods in the study area. The reasearch indicates that the rain-flow conceptual model, of the Rural Engineering with four parameters and the daily time step (GR4J), overestimates the flows observed during the low water period and the sub-peaks. The efficiency and performance criteria NSE, RMSE and KGE, highlighted and calculated on high water flow rates, gave better results in calibration than in validation. Better KGE values range from 83 to 85 % calibration and from 56 to 68 % validation, which gives the GR4J model the efficiency and performance to reproduce extreme flows of floods in the study area. The GR4J can therefore be used as a decision to support tool for updating hydrological standards in the study area. In order to future study about extreme climatic events, this research assessed output projection data from regional climate models from the African CORDEX Program that could be used for hydrological projections in future work in Ouémé Watershed at Bonou’s outlet.

Le sud de la France est soumis à des crues éclair engendrées par de fortes précipitations automnales. L'évolution de ces événements avec le changement climatique est un enjeu clef pour cette région à forte dynamique démographique. L'étude de ces évolutions est freinée par la différence d'échelle entre les modélisations hydrologique et climatique. L'objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie capable de réaliser ce changement d'échelles et adaptée aux crues éclair des petits bassins versants au sud de la France. Le bassin versant du Lez est le bassin d'étude. Un modèle climatique régional à haute résolution fournit les précipitations futures sur le bassin d'étude. Les premiers résultats sur la période future suggèrent que l'intensité des crues éclair du bassin versant du Lez est susceptible d'augmenter. Cependant, ces résultats dépendent fortement du choix du modèle climatique et de l'état hydrique du bassin dont les évolutions sont méconnues. / The Mediterranean region of southern France experiences extreme autumn rainfall, sometimes leading to violent flash floods. The evolution of these floods under the influence of climate change is a key question for the Mediterranean region, where a rapidly growing population puts human lives at stake. The difference in scale between the resolution of climate model outputs and hydrological impacts is a challenge for the study of flash floods in a future climate. The goal of this doctoral thesis is to propose a methodology adapted to the study of climate change impacts on flash floods in the small Mediterranean catchments of southern France. The Lez catchment near Montpellier was selected for a case study. Early results suggest that the intensity of flash floods may increase in the Lez catchment in a future climate. However these results are heavily dependent on the choice of the climate model used to simulate changes in precipitation and the evolution of future soil conditions, which were not taken into account in this study.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.