Dissertations / Theses on the topic 'Gestion des ressources en eau – Prévision – Modèles mathématiques'

Le Sud de la France subit régulièrement des inondations dévastatrices et meurtrières résultant d’épisodes pluvieux très intenses et localisés. La prévision de ces événements rapides et complexes est très difficile. Créé dans ce contexte, le projet FLASH (Flood forecasting with machine Learning, data Assimilation and Semi-pHysical modeling) regroupe plusieurs laboratoires partenaires qui ont pour objectif de fournir au SCHAPI (Service Central d’Hydrométéorologie et d’Appui à la Prévision des Inondations) des modèles de prévision des crues afin d’alimenter la carte de vigilance des crues disponible sur internet. La zone d’étude principale est le Gardon d’Anduze. Des modèles à réseaux de neurones avec deux types d’architecture sont réalisés pour prévoir la hauteur du cours d’eau à partir des pluies et des hauteurs passées. La sélection du nombre de neurones cachés, du nombre de variables, de certains paramètres de l’algorithme d’apprentissage, ainsi que l’initialisation des paramètres des réseaux, déterminante pour l’estimation des performances des modèles, est effectuée par validation croisée. Les prévisions obtenues en test sont intéressantes jusqu’à un horizon de prévision de 2h voire 3h suivant l’événement en test. La mise en œuvre d’un apprentissage adaptatif est décevante. L’utilisation de hauteurs de pluies issues des mesures radar, plutôt que celles provenant des pluviomètres, a conduit à des premiers résultats équivalents. Enfin, la méthodologie établie a été appliquée à la conception de modèles pour la prévision des crues sur le Gardon à Remoulins, bassin versant qui inclut celui précédemment étudié ; ces modèles donnent des résultats satisfaisants
The South of France is often subject to dramatic floods, which cause casualties and damages. Very intense, localized rainfalls generate fast, complex flash floods that are very difficult to forecast. The FLASH project (Flood forecasting with machine Learning, data Assimilation and Semi-pHysical modeling) was created in this context. It brings together several laboratories from different scientific fields, whose purpose is to provide the French Flood Surveillance Service (SCHAPI), with a model of flood forecasting. These forecasts will feed the real-time flood vigilance map that is available on the Internet. The main watershed under investigation here is the Gardon d’Anduze. Two types of neural networks are designed and trained to forecast the water level at Anduze from the past water levels and rainfalls. The selection of the number of hidden neurons, of the number of inputs, of some parameters of the training algorithm, and of the initialization of the networks parameters, which is crucial for estimating the generalization capability of the models, is performed by cross validation. The forecasts on the test events are satisfactory for 2 to 3 hour-ahead predictions, depending on the test event. An attempt at on-line training for model adaptation was unconvincing. Encouraging preliminary results are obtained by using rainfall estimates from radar images instead of rain gauge measurements. Finally, the methodology is applied to design predictive models of the water level of the Gardon at Remoulins, a watershed that includes the Gardon d’Anduze catchment. The level forecasts at Remoulins are statisfactory up to a prediction horizon of seven to nine hours

La pénurie d'eau et l'augmentation de la demande en eau, en particulier pour un usage résidentiel sont les principaux défis auxquels sont confrontés la Palestine. La nécessité de prévoir avec précision la consommation d'eau est utile pour la planification et la gestion de cette ressource naturelle. L'objectif principal de cette recherche est de (i) étudier les principaux facteurs qui influent la consommation d'eau en Palestine, (ii) de comprendre le schéma général de la consommation d'eau des ménages, (iii) d'évaluer les éventuels changements dans la consommation d'eau des ménages et de proposer des solutions appropriées et (iv) élaborer un modèle de prédiction de la consommation d'eau dans les villes palestiniennes basé sur le Réseau de Neurones Artificiels.Le travail de recherche est organisé en quatre parties. La première partie comprend une analyse bibliographique des travaux réalisés sur la consommation d'eau des ménages. La deuxième partie concerne la collecte de données, la méthodologie, l’enquête sur la consommation d'eau des ménages et le traitement de données. La troisième partie présente une analyse statistique des données de consommation d'eau dans deux villes palestiniennes. La dernière partie développe la modélisation de la consommation d'eau dans les deux villes à l’aide des Réseaux de Neurones Artificiels
Water scarcity and increasing water demand especially for residential use are major challenges facing Palestine. The need to accurately forecast water consumption is useful for the planning and management of this natural resource. The main objective of this research is to (i) study the major factors influencing the water consumption in Palestine, (ii) understand the general pattern of Household water consumption, (iii) assess the possible changes in household water consumption and suggest appropriate remedies and (iv) develop prediction model based on the Artificial Neural Network to the water consumption in Palestinian cities.The research is organized in four parts. The first part includes literature review of household water consumption studies. The second part concerns data collection methodology, conceptual framework for the household water consumption surveys, survey descriptions and data processing methods. The third part presents descriptive statistics, multiple regression and analysis of the water consumption in the two Palestinian cities. The final part develops the use of Artificial Neural Network for modeling the water consumption in Palestinian cities

Dans un contexte de développement durable, la gestion des sols et des ressources en eau est un enjeu primordial non seulement d’un point de vue environnemental mais aussi socio-économique. L’humidité, la rugosité, la composition et la structure du sol sont des variables clés pour la compréhension et la modélisation des catastrophes naturelles telles que l’érosion, la sécheresse ou les inondations. Pour des sols nus agricoles (très propices au ruissellement), de nombreuses études ont déjà montré le potentiel des données RADAR acquises en bande C pour la cartographie de l'humidité et la rugosité du sol. Cependant l’application de ces méthodes dans un cadre opérationnel était limitée.Dans ce contexte, les travaux de cette thèse présentent un premier volet sur l’analyse de la sensibilité aux états de surface (EDS) du sol du signal en bande X du capteur TerraSAR-X à très haute résolution spatiale et temporelle. Différentes configurations TerraSAR-X ont été analysées et les résultats ont permis de définir les configurations instrumentales optimales pour caractériser chaque paramètre d’EDS du sol. La comparaison de la sensibilité du capteur TerraSAR-X à celle des capteurs en bande C montre que le capteur TerraSAR-X est sans conteste le plus adapté pour estimer et cartographier l’humidité du sol à des échelles fines (50 m²).Le second volet était de développer une méthode permettant d’estimer et de cartographier l’humidité des sols nus agricoles. Dans ce but, les méthodes d'inversion généralement utilisées en bande C ont été testées sur les données en bande X. La précision sur les estimations d’humidité issues de l'algorithme d’inversion du signal TerraSAR-X a été déterminée et l’applicabilité de la méthode sur de nombreux sites d'étude a été testée avec succès. Une chaine de traitements cartographiques allant de la détection des sols nus à l’estimation de l’humidité et ne nécessitant qu’une seule image TerraSAR-X a été développée. Cette chaine innovante de traitements cartographiques « automatique et autonome » devrait permettre d’utiliser les données TerraSAR-X pour cartographier l’humidité du sol en mode opérationnel
In the context of sustainable development, soil and water resources management is a key issue from not only the environmental point of view, but also from a socioeconomic perspective. Soil moisture, roughness, composition, and slaking crusts are some key variables used to understand and model natural hazards, such as erosion, drought and floods. For agricultural bare soils (most subject to runoff), numerous studies have already shown the potential of C-band RADAR data for the mapping of soil moisture and roughness. However, the application of these methods in operational settings remained limited.In this context, the first objective of this thesis was to analyse the sensitivity of X-band TerraSAR-X sensors to soil surface characteristics (SSC) at high spatial and temporal resolutions. Different TerraSAR-X configurations were evaluated and results were used to define the optimal instrumental configuration for the characterization of each SSC parameter. The comparison of TerraSAR-X sensor sensitivity with equivalent levels recorded with the C-band sensor showed that the TerraSAR-X sensor is undoubtedly the most suitable of the two when estimating and mapping soil moisture at a fine scale (50 m²).The second objective of this work was to develop a method to estimate and map soil moisture levels of agricultural bare soil. To achieve this goal, methods that are commonly used to retrieve soil moisture from C-band, have been tested on X-band data. The accuracy of soil moisture estimations using an empirical algorithm was determined, and validated successfully over numerous study sites. A mapping process based uniquely on TerraSAR-X data, both for bare soil detection and for the estimation of soil moisture content, was developed. This innovative chain of « automatic and autonomous» mapping processing steps should enable the utilization of TerraSAR-X data for the mapping of soil moisture levels in operational conditions

L'objet de cette thèse est de fournir, à partir de la théorie économique, des éléments de réflexion pour une gestion efficace du système aquifère girondin. On présente, dans le premier chapitre, un modèle spatial de gestion d'aquifère côtier soumis à intrusion saline. Ce modèle intègre le déplacement de l'interface entre l'eau salée de la mer et l'eau douée de l'aquifère. L'analyse, menée à l'équilibre stationnaire, permet d'identifier les externalités de coût qu'exercent, dans l'espace, les usagers les uns sur les autres. Dans le chapitre 2, nous montrons qu'une ville située en amont peut, par des prélèvements élevés, interdire à une ville en aval un accès direct à la ressource aquifère. Les coûts sociaux divergent alors des coûts privés. L'instauration de redevances pour prélèvements différenciés dans l'espace conduit les gestionnaires des services des villes à prendre les décisions optimales. Dans le chapitre 3, nous considérons une exploitation jointe de l'aquifère et d'une ressource substitut. Nous montrons que l'approvisionnement optimal à partir des deux ressources en eau dépend de la localisation des usagers. Ici encore, les prélèvements des usagers amonts en ressource aquifère doivent tenir compte de la rareté de celle-ci. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous estimons des fonctions de demande en eau pour le département de la Gironde. L'estimation de la fonction de demande en eau des usagers domestiques girondins, présentée dans le chapitre 5, est effectuée sur un échantillon de communes observées de 1990 à 1994. Les résultats mettent en évidence une sensibilité des usagers domestiques au prix de l'eau réelle, mais modérée. Dans le chapitre 6, nous estimons les fonctions de demande en eau des industriels de la Gironde par une approche duale multiproduits de la représentation de leur technologie. Les résultats des estimations traduisent finalement une plus grande sensibilité au prix de l'eau pour les industriels que pour les usagers domestiques.

Un projet de gestion globale du système aquifère multicouche médocain est proposé à travers l'élaboration d'un outil d'optimisation régional. Cet outil ne pouvait s'envisager qu'inséré au sein d'un cadre hydrogéologique maîtrisé. Une révision majeure du modèle géologique local nous a ainsi conduit à la construction d'un modèle numérique régional (31000 km2) représentatif des échanges entre les 5 nappes du système. Cette mise à jour du modèle dans la zone d'intérêt pressentie pour une future exploitation de la nappe oligocène, a souligné son compartimentage local. La caractérisation hydrogéologique de ces formations s'est appuyée sur l'étude des modelé piezométrique et des chroniques de charge ainsi que sur l'interprétation d'essais de puits par une méthode pétrolière permettant de caractériser finement le complexe puits/réservoir. Une nouvelle méthode de calcul du coefficient d'emmagasinement, basée sur l'utilisation conjointe des fluctuations naturelles de piezométrie et des mesures de dilatation par DGPS est proposée. L'impact de l'exploitation prévue de l'aquifère oligocène est calculé par une approche multi-échelle basée sur deux modèles : - un modèle semi-analytique utilisé pour calculer l'impact de l'exploitation d'un champ captant dans sa proche périphérie (500 km2) ; - un modèle numérique permettant de calculer l'impact de cette exploitation sur l'ensemble des nappes à l'échelle régionale. Le développement d'un outil d'optimisation basé sur la théorie des Réponses Unitaires a permis d'optimiser les volumes exploitables. L'extension de cet outil à l'ensemble du système aquifère multicouche médocain constitue la finalité de ce travail.

Les opérations d'aménagement du territoire s'exercent dans un contexte incertain car les modes d'aménagement urbain ou péri-urbain font intervenir plusieurs aspects et paramètres incertains dans lesquels les risques, notamment ceux liés à la gestion hydrologique/hydrogéologique, sont importants. Ce contexte nous a conduits à développer un modèle décisionnel multi-objectif destiné à aider les acteurs de l'aménagement du territoire à prendre des décisions face aux différentes logiques d'aménagement en avenir incertain. Le modèle proposé vise, dans un premier temps à concevoir un outil d’aide à la décision configurable « sur mesure » et dans un deuxième temps, à choisir rationnellement un mode d’aménagement qui prend en compte les risques. L’étude considère non seulement le risque naturel (l’aléa, la précipitation forte) mais aussi le facteur humain et les modalités d’évaluation des groupes d’acteurs. La faisabilité de cette recherche repose sur les techniques d’analyse décisionnelles multidimensionnelles de la théorie de l’utilité multi-attributs. L’usage nouveau que l’on peut faire de cette théorie nous permet de répondre à la problématique de la gestion lors de l’élaboration d’aménagement ou d’urbanisme, en fournissant finalement un outil adaptable chacun des cas envisagés.

La gestion des ressources en eau doit etre consideree a l'echelle du bassin versant. Dans ce travail, la modelisation des flux d'eau est etudiee dans un systeme global sol-nappe-riviere. Les objectifs sont d'obtenir des flux spatialises et precis, notamment pres du fleuve : le domaine d'application se situe dans le bassin de la charente a l'amont de la ville d'angouleme (charente, france). Une synthese des caracteristiques des differents etats du systeme sol-nappe-riviere est abordee. Apres avoir inventorie et complete les informations relatives au bassin, une modelisation numerique en deux temps est realisee. La modelisation de la zone non-saturee est elaboree a plusieurs echelles : parcellaire, communale et bassin entier. Celles-ci ont induit plusieurs approches et conduit a l'utilisation d'outils differents. Ainsi, l'acces a l'occupation du sol a l'echelle du bassin n'a pu etre obtenue qu'avec le recours a la teledetection. Une modelisation hydrodynamique du bassin a permis de visualiser les variations spatiales des flux echanges entre les cours d'eau et les nappes. L'importance des echanges est quantifiee sur la periode d'une annee. Les proprietes reservoirs de l'aquifere du jurassique moyen et superieur sont mises en evidence. Enfin, l'importance des prelevements agricoles et leur influence sur les variations des niveaux dans les nappes et les rivieres sont evaluees et interpretees spatialement et temporellement. La modelisation demontre la presence de liens plus fort entre la nappe et la riviere en certains endroits du bassin et la vulnerabilite des nappes devant l'importance des prelevements.

La modélisation des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques d’un territoire est une préoccupation grandissante pour la communauté scientifique œuvrant dans les domaines des ressources en eau. Cette tâche est complexe car elle recèle de nombreuses incertitudes se cumulant lors du processus de modélisation, de la définition des scénarios de gaz à effet de serre jusqu’à la réalisation des projections hydrologiques. L’ensemble des outils de modélisation employés influence alors potentiellement notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques. Dans ce contexte, l’incertitude de modélisation associée à 20 modèles hydrologiques globaux conceptuels, 24 formules d’évapotranspiration potentielle et 7 modules de neige a été évaluée sur deux bassins versants : au Saumon (Province de Québec, Canada) et Schlehdorf (État de la Bavière, Allemagne). Les travaux menés cherchent à apprécier dans un premier temps la capacité de transposabilité des modèles hydrologiques ainsi que matérialiser l’intérêt d’une approche multimodèle dans ce contexte de changements climatiques. Par la suite, la démarche évalue la contribution des différents outils à l’incertitude cumulée, puis cherche à comprendre l’origine de leur sensibilité. Cette analyse s’appuie sur l’usage de critères de performance, de représentations graphiques des écoulements, d’outils statistiques et d’indicateurs hydrologiques du changement. Les incertitudes liées aux membres climatiques sont également évaluées pour le bassin versant québécois et permettent une comparaison avec les outils principalement étudiés. Les résultats révèlent que notre capacité à produire un diagnostic de l’incidence du changement climatique sur le régime hydrique des deux bassins versants est distinctement affectée par le choix des outils hydro-météorologiques globaux conceptuels. Chacun de ceux-ci ajoute à l’incertitude avec cependant une plus grande prédominance liée au choix des formules d’évapotranspiration potentielle et des modèles hydrologiques, les modules de neige étant eux plus transparents. Néanmoins, l’analyse comparative indique que le choix du membre climatique apporte encore plus à l’incertitude cumulée que les outils spécifiquement évalués. Ces travaux permettent d’apporter une réponse détaillée sur notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques de deux bassins, ainsi que de proposer une démarche méthodologique originale pouvant être directement appliquée ou adaptée à d’autres contextes hydro-climatiques.
Modeling climate change impacts on water resources remains one of the major challenges for the scientific community. This task is complex and contains numerous cumulated uncertainties all along the modeling process, from the greenhouse gas scenarios definition to the hydrological projections. All the modeling tools can thus potentially affect our ability to render a diagnosis of the impacts of climate changes on water resources. In this context, modeling uncertainty related to 20 lumped conceptual hydrological models, 24 potential evapotranspiration formulations, and 7 snow modules was evaluated on two catchments: au Saumon (Province of Quebec, Canada) and Schlehdorf (State of Bavaria, Germany). This work first assessed the transposability in time of the hydrological models and examined the interest of the multimodel approach in a climate change context. Then, contribution of the different tools to cumulated uncertainty is evaluated, followed by an investigation of individual sensitivity origins. This analysis was based on performance criteria, discharge graphical displays, statistics tools, and hydrological indicators of changes in water resources. More, uncertainties related to climatic members are also appraised on the Quebec catchment to allow a direct comparison with the principal studied tools. Results demonstrated that our capacity to render a diagnosis of the impacts of climate change on water resources on the two studied catchments was highly connected to the choice of the hydro-meteorological lumped modeling tools. Each one contributed to the total uncertainty; however, with a larger prevalence for the potential evapotranspiration formulations and hydrological models, snow modules being more neutral. Nevertheless, comparative analysis showed that the selection of a climatic member was affecting the total uncertainty the most. This research proposed a detailed analysis on our capacity to realise a diagnosis of the impacts of climate change on water resources for two studied catchments and provided a specific and original methodology directly applicable and adjustable to other hydro-climatic contexts.

L’eau constitue un des défis majeurs de notre époque quelque soit le continent, et à l’instar de nombreux pays de la rive sud de la méditerranée, le Maroc est particulièrement affecté par une pénurie d’eau. Il apparaît que pour pallier ce manque d’eau il est fait appel à la grande hydraulique (128 barrages au Maroc) pour alimenter, à partir des régions les plus arrosées, des bassins versants les plus propices ou des régions riches en eau souterraine, les villes principales ou des périmètres agricoles irrigués de grande surface. Néanmoins cette politique de grande hydraulique qui prévaut actuellement se heurte à plusieurs limites (durée limitée des réservoirs, nombres de sites propices, investissements) si bien qu’un des leviers prometteurs reste une gestion efficiente des ressources en eau. Cependant, pour bien les gérer il est essentiel de connaître la quantité d’eau disponible dans chaque bassin ainsi que ses différentes utilisations. Ce travail de thèse est une contribution à la connaissance de la ressource en eau sur un territoire clef. Le Moyen-Atlas, que l’on peut considérer comme le "château d’eau" du Maroc. Une démarche géographique est mise en place, tant au niveau de l’évaluation de la ressource que celle de l’utilisation, sur une des trois grandes unités hydrologiques qui draine le Moyen-Atlas : le bassin versant du Sebou à l’amont de la station hydrométrique d’Azzaba. Organisé en 4 parties ce travail, inscrit dans un cadre de coopération franco-marocain, démontre l’hétérogénéité des processus hydrologiques en relation avec un contexte géographique montagnard complexe. Tant l’analyse des phases hydrologiques que l’apport de la modélisation démontrent une contribution importante des eaux souterraines aux débits des cours d’eau mais également l’importance de sa redistribution à l’intérieur du bassin du Haut Sebou et vers les bassins contigus. D’autre part une enquête auprès des agriculteurs démontre les mutations agricoles en cours dans ce secteur du Moyen-Atlas et met en évidence les changements des modes de prélèvement d’eau dans l’hydrosystème : le système traditionnel de prélèvement au fil de l’eau étant de plus en plus concurrencé par des prélèvements à même la nappe par pompage
Water is one of the major issues of our time in all continents. Like many countries on the southern shore of the Mediterranean Sea, Morocco is particularly affected by water shortages. It seems that to overcome this lack of water, the country uses large hydro (128 dams in Morocco) to power, from the regions that receive the largest amounts of rain, or regions richest in groundwater, major cities and agricultural areas irrigated large area. However, this large and predominant hydraulic policy faces such several limitations (limited life of reservoirs, number of sites suitable, and investment) that promising levers remain efficient ways of managing water resources. However, to effectively manage this, it is essential to know the amount of water available in each basin and its different uses. This thesis is a contribution to the knowledge of water resources in a key area. The Middle Atlas can be considered the "water tower" of Morocco. A geographical approach is in place, both in terms of the resource assessment and use of one of three major hydrological units that drains the Middle Atlas: the watershed of the Sebou up stream of the hydrometric station Azzaba. set in 4 parts, this work- being of the Franco-Moroccan academic cooperation- demonstrates the heterogeneity of hydrological processes in relation to a complex mountainous geographical context. Both the analysis of hydrological phases and the contribution of modeling show a significant contribution of groundwater to stream flow, the importance of redistribution within the basin of the Upper Sebu and from adjacent basins. In this regard, research in the form of survey aimed at apopulation farmers shows agricultural changes forming in the Middle Atlas sector, and highlights the changes in water sampling modes in river systems, the traditional sampling system over water being increasingly challenged by levies same groundwater pumping

La modelisation de la gestion integree de la ressource en eau dans le bassin versant du mae klong (31 000 km 2) s'appuie sur l'approche systemique. La variabilite de la ressource et l'intensification des usages (production hydroelectrique, irrigation, alimentation en eau potable, protection contre les intrusions salines, tourisme ecologique) incitent a une gestion prudente des hydrosystemes amenages. Pour aborder des conditions dynamiques complexes, les modeles de simulation qui prennent en compte des regles de gestion parfaitement definies jouent un role crucial. L'analyse systemique, d'une part, et l'outil de modelisation vensim, base sur les methodes de dynamique des systemes, d'autre part, constituent des moyens d'analyse et de representation des systemes complexes. Deux types de modeles sont mis en uvre : un modele pluie-debit pour estimer les ressources en eau en plusieurs points de controle du bassin versant et un modele de decision integrant la conduite operationnelle des ouvrages, les contraintes reglementaires et l'evaluation economique.

La construction d'un grand barrage est un projet aux conséquences économiques et sociales importantes voila pourquoi elle doit être précédée d'une étude opérationnelle et socio-économique détaillée. En premier lieu, l'étude opérationnelle doit porter sur les dimensions et le régime d'utilisation du barrage, la configuration géographique de son bassin de drainage et ses caractéristiques hydrologiques aussi bien que sur les contraintes de type environnemental qui peuvent s'exercer dans un cadre législatif national ou international. En second lieu, l'étude socio-économique doit prendre en compte tous les paramètres susceptibles d'influencer sur la durabilité du projet. Jusqu'à une époque récente, la large majorité des barrages était financée et gérée par le secteur public. Ainsi la profitabilité des projets n'était pas un élément prépondérant dans la décision de les construire. De nos jours, la libéralisation du marché de l'énergie dans les pays développés a conduit à la privatisation des infrastructures énergétiques et par voie de conséquence à l'application de nouveaux objectifs économiques dans le financement et la gestion des projets de barrage. Les décisions d'investissement sont conditionnées par l'évaluation de leur viabilité technique et de leur profitabilité tout au long de leur durée de vie qui est typiquement de 50 ans. Cette évaluation est basée sur l'usage d'un critère quantitatif nommé Valeur Actualisée Nette (VAN) aussi appelé Net Present Value en anglais (NPV). Cependant, comme l'eau est le fluide nécessaire au fonctionnement des centrales hydroélectriques, leur exploitation interfère avec la gestion des ressources en eau du bassin hydrographique qui les accueille. De ce point de vue, de nouvelles pratiques et réglementations ont été introduites dans l'Union Européenne par la Directive Cadre sur l'Eau (idem, WFD en anglais). Cette directive contraint chaque projet d'exploitation des ressources en eau à suivre des recommandations portant sur ses conséquences sociales et son impact sur l'environnement en respectant des contraintes à long terme relatives à sa durabilité en cas de changement climatique. Le travail présenté porte sur l'exploration du couplage entre différents modèles mathématiques traitant de l'hydrologie, l'exploitation hydroélectrique, le changement climatique et l'évaluation économique dans le but de proposer les moyens d'effectuer des décisions équilibrées satisfaisant aux exigences des critères de financement de projet , au bien-être du public et aux pratiques qu'exigent la gestion de bassin hydrographique. Ce travail est illustré par l'étude du futur barrage de Temenos, projet mixte de production électrique et d'irrigation intéressant le bassin hydrographique du Mesta-Nestos. Ce bassin est partagé entre la Bulgarie pour sa partie amont et la Grèce pour sa partie aval. La rivière termine son cours dans la mer Egée après avoir formé le delta du Nestos dont la majorité de la surface est occupée par un système d'irrigation. Deux ouvrages hydroélectriques occupent actuellement la partie montagneuse du bassin du Nestos. Il s'agit du barrage de Thissavros dont le réservoir a une capacité de 565 millions m3 et du barrage de Platanovryssi situé en aval du précédent et dont la capacité est de11 millions m3. Les deux barrages sont liés par un système de rétro-pompage STEP (Station de Transfert d'Énergie par Pompage). Le futur projet Temenos devrait être exclusivement financé sur fonds privés. Situé en aval des deux barrages précédents, il est configuré pour augmenter la production d'électricité du précédent complexe et pour réguler le système d'irrigation de la basse vallée agricole du Nestos Les scénarios de changement climatique (SRES) développés par le Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC ou IPCC, en anglais) prévoient de possibles changements climatiques décrits à l'échelle mondiale. Plus précisément, selon les résultats des modèles de circulation globale (GCM), la moyenne mondiale annuelle de la température de surface pourrait augmenter de 1.4 à 5.8°C sur une période allant de 1990 à 2100. Cette augmentation de température pourrait entrainer une augmentation de l'évaporation et influencer le régime des précipitations. Dans ce cas, un impact notable pourrait en résulter sur l'exploitation des installations hydroélectriques dont l'exploitation est particulièrement sensible à la quantité, au rythme et à la répartition géographique des précipitations et des températures. L'étude du changement climatique sur la zone du Mesta-Nestos est base sur les résultats du modèle climatique régional CLM de l'Institut de Météorologie Max Planck, Allemagne. Elle s'intéresse plus particulièrement aux scénarios B1 et A1B produits par le SRES. Le modèle CLM effectue un transfert à l'échelle locale des résultats du modèle global atmosphère-océan ECHAM5/MPIOM utilisés comme forçage. CLM est en particulier conditionné par les conditions aux limites du relief local. Les séries mensuelles de température, précipitation et évapotranspiration produites par CLM ont été utilisées comme données d'entrée du modèle hydrologique distribué MODSUR-NEIGE de manière à simuler le régime hydrographique du bassin en cas de changement climatique. Ce modèle est couplé au modèle de barrage HEC-ResSim décrivant en détail tous les éléments techniques du complexe hydroélectrique du Nestos et des réseaux d'irrigation existant dans le delta du Nestos ainsi que leur future extension à la plaine de Xanthi. Enfin, l'évaluation de la viabilité du projet Temenos en conditions de changement climatique a été effectuée à l'aide d'un nouvel outil économique basé sur le calcul de la VAN et spécialement développé pour les besoins de l'étude. La thèse propose une approche holistique de l'évaluation de projet qui dépasse le strict cadre économique. Le calcul de la VAN a été étendu de façon à réunir les éléments de strict rendement économique (recettes tirées de la vente de l'énergie électrique et de l'eau d'irrigation ainsi que l'accroissement du revenu des agriculteurs) avec des éléments concernant les « externalités » du projet que sont la valeur de l'environnement (coût de restauration du bon état des eaux de surface dans le cas où le débit environnemental minimal ne peut être maintenu) et les bénéfices sociaux (compensations aux agriculteurs dans le cas où les débits d'irrigation ne peuvent être délivrés). On argumente le fait que cette approche combinée offre un outil efficace d'évaluation du projet selon une approche de développement durable. De plus, l'étude d'impact des scenarios de changement climatique a été augmentée d'une étude portant sur les conséquences que pourraient avoir différentes hypothèses d'évolution de la politique de gestion transfrontalière du bassin en relation avec l'exécution du traité de débit signé entre la Bulgarie et la Grèce à propos des eaux du Mesta-Nestos. Enfin, dans un contexte d'application des recommandations de la Directive Cadre de l'Eau (WFD), on propose d'explorer l'utilisation des méthodes de décision multicritère (MCDA, en anglais) pour gérer les conflits d'intérêt des différents acteurs du bassin dans la phase d'acceptation du projet Temenos et dans sa phase d'exploitation.

En milieux urbains imperméabilisés, ou dans les régions où les pluies d’orage sont fréquentes et violentes, il convient de stocker temporairement les volumes des précipitations dans des ouvrages de rétention avant de les relâcher à débit contrôlé dans les réseaux d’assainissement ou le milieu naturel, ce qui limite les risques d’inondation et les impacts environnementaux. La dimension de ces ouvrages de rétention peut vite être importante et leur implantation sur un site encombré devenir compliquée et onéreuse. La solution proposée dans ce travail de thèse est de répartir la rétention sur plusieurs ouvrages de rétention reliés entre eux par des canalisations et contrôlés par des ajutages, et de jouer sur leur capacité respective et les conditions de transfert pour optimiser le rejet dans le réseau ou le milieu naturel. Un outil de modélisation de type réservoir a été développé, qui représente avec un bon niveau de précision les hauteurs dans les ouvrages de rétention et les débits transférés en fonction du temps ainsi que de l’intensité et la durée de la pluie. Ce modèle simplifié incrémenté en fonction d’un pas de temps cohérent avec l’intensité de la pluie travaille en volumes et débit sans s’attarder sur les conditions hydrauliques d’écoulement. Il a été validé par plusieurs études de sensibilité sur des séries de 2 ou 3 réservoirs et ouvre la voie à un outil de pré dimensionnement rapide, robuste et fiable
In urban environments, or in the areas where the stormy showers are frequent and violent, it is advisable to temporarily store volumes of precipitations in retaining tanks before slackening them with flow controlled in the sewage networks or the natural environment, which limits the risks of flood and the environmental impacts. The dimension of these basins can quickly be important and their establishment on an encumbered site to become complicated and expensive. The solution suggested in this study is to distribute the retention on several basins connected to each other by pipes and controlled by nozzles, and to exploit their respective capacity and the conditions of transfer to optimize the rejection in the network or the natural environment. A numerical model named tank type was developed, which represents with a good level of precision the heights in the basins and the flows transferred according to time as well as intensity and the duration of the rain. This simplified model incremented according to a step of coherent time with the intensity of the rain works in volumes and flow without being delayed on the hydraulic conditions of flow. It was validated by several studies of sensitivity on meshes of 2 or 3 tanks and opens up the way for a tool for pre simple and reliable dimensioning

Les modeles synthetiques en debits-durees-frequences, concept relativement nouveau en hydrologie, permettent de fournir une information representative du regime hydrologique en crue des bassins versants observes ou non. Grace a une bonne definition des variables hydrologiques qu'ils modelisent, a partir d'une forme mathematique souple et adimensionnelle, les modeles debits-durees-frequences dits qdf ont montre des proprietes regionales tout a fait interessantes (validation europeenne). Necessitant seulement deux descripteurs locaux, parametres d'entree, ils constituent d'un point de vue operationnel des outils hydrologiques performants, de mise en uvre aisee et conseillee en amenagement integre des cours d'eau et de leurs bassins versants

L'analyse systematique de l'interaction entre les activites humaines et le cycle de l'eau sur un territoire permet d'identifier une structure d'echanges de flux d'eau et de matieres solides et organiques entre six compartiments representant respectivement: les activites humains, les infrastructures d'adduction et d'assainissement, le sol, la nappe et le cours d'eau. Un modele integre est construit d'apres ce schema a l'aide du logiciel sosie et est applique au cas du bassin versant du lez et des etants palavasiens, sur une succession de trois sous-bassins. Les resultats de simulations rendent compte de la sensibilite a divers parametres et des possibilites d'evaluation de l'impact des choix d'equipement et d'amenagement. L'analyse est restreinte aux ordres de grandeur faute de donnees de verification. Le fonctionnement du complexe des etants palavasiens est represente par un systeme d'equations differentielles resolu par differences finies. Des processus influencant la qualite de l'eau des etangs sont compares sur divers horizons temporels. La construction du modele integre prouve leur faisabilite et leur utilite pour la gestion de l'eau. L'application identifie les donnees manquantes et revele la distinction entre les processus ecologiques et de transport des matieres

En France, les concentrations en nitrates observées dans les eaux souterraines dépassent assez fréquemment le seuil de potabilité fixé à 50 mg/l. L'agriculture constitue la source principale d'apport des nitrates. Les eaux usées domestiques, les rejets industriels contribuent aussi à l'augmentation de ces concentrations. Les recherches réalisées dans deux bassins versants de la nappe de la craie de la France du Nord : le nord Audomarois et le Cambrésis, m'ont permis de répondre à plusieurs interrogations : quels sont les taux de participations respectives de l'agriculture et de l'urbanisation à l'augmentation des concentrations en nitrates dans les eaux souterraines ? Quelle est l'évolution prévisible (jusqu'à 2020) de ces concentrations ? Les mesures adoptées (programme Ferti-Mieux et amélioration des rejets grâce aux stations d'épurations) peuvent-elles répondre à l'objectif fixé par la Directive Cadre Européenne (DCE) ? Quelles sont les captages d'eaux potables les plus menacés par l'évolution négative des teneurs en nitrates ? J'ai modélisé la transformation et le transfert des nitrates, issus des activités agricole et urbaine, dans la zone racinaire, dans la zone non-saturée et dans la zone saturée. J'ai réalisé ces modélisations à l'aide de quatre logiciels: AgriFlux, VS2DT, MODFLOW et MT3D. J'ai d'abord appliqué les modèles sur les parcelles de référence afin de tester et de caler les logiciels avant le passage à la modélisation à l'échelle du bassin versant. Puis j'ai effectué la modélisation à l'échelle des bassins versants en les découpant en mailles supposées homogènes. La recherche que j'ai réalisée sur le champ captant de Houlle et Moulle (nord Audomarois) consistait à quantifier les nitrates lessivés sous la zone racinaire
La modélisation est basée sur des données réelles fournies par les enquêtes de terrain et les données du Recensement Général Agricole (RGA). Les communes de la zone d'étude sont classées en quatre types selon leurs pratiques culturales. A chaque type j'ai attribué une rotation culturale. La modélisation, qui a débuté en 1965, s'étend jusqu'en 2003 dans le but de mieux comprendre l'influence de la variation des pratiques culturales (rotation et fertilisation) sur la variation de la qualité de l'eau alimentant la nappe. La modélisation permet de démontrer que la mise en place du programme Ferti-Mieux a déjà, dans la plupart des cas, conduit à un abaissement significatif des concentrations en nitrates dans l'eau lessivée. Dans l'arrondissement de Cambrai, j'ai réalisé un modèle intégré permettant de modéliser la transformation et le transfert des nitrates en partant de la surface du sol jusqu'à la zone saturée. J'ai pris en compte l'impact des nitrates d'origine agricole ainsi que ceux provenant des agglomérations. Le suivi des fertilisations, l'augmentation du nombre de stations d'épurations urbaines et l'amélioration de leurs performances diminuent les apports nitratés de surface. Mais l'effet de ces améliorations sur la qualité, des eaux de la craie n'est pas partout synchrone. Les comparaisons entre les piézométries mesurées et celles calculées, ainsi que les comparaisons entre les concentrations en nitrates mesurées et celles calculées m'ont permis de caler correctement les modèles hydrodynamiques et hydrodispersifs dans la zone non-saturée et dans la zone saturée. J'ai ensuite pris des hypothèses les plus vraisemblables des intrants azotés jusqu'en 2020. Cette évolution prospective de la qualité de l'eau de la craie permet à la fin de répondre à l'un des objectifs de la DCE et aussi de permettre l'optimisation de la gestion de l'aquifère de l'arrondissement de Cambrai

Dans un but d'evaluation des ressources en eau dans les zones de transition et de foret de la cote d'ivoire, plusieurs modeles globaux pluie-debit sont testes. Ces modeles au pas de temps annuel, mensuel et journalier sont cales sur un ensemble de 90 stations-annees en foret et 54 en zone de transition, reparties en 27 bassins versants de 100 a 7000 km#2. L'analyse des differents calages fait ressortir une adequation satisfaisante du modele au pas de temps mensuel dans la restitution des hydrogrammes. Les modeles au pas de temps journalier ont conduit a des resultats de qualite diverse du fait, d'une part de problemes lies a la qualite des donnees journalieres, issues des reseaux de mesure et souvent entachees d'erreurs, et, d'autre part, des algorithmes eux-memes qui prennent insuffisamment en compte les differences de saturation du sol en saison seche et en saison des pluies. Ce travail permet neanmoins d'offrir un panel complet de methodes d'evaluation des ressources en eau, valide sur l'ensemble du territoire ivoirien

Les hydrologues sont questionnés au sujet de l'évolution à moyen et long terme de la ressource en eau. Pour répondre à ces questions, ils ont recours à des modèles hydrologiques. Une quantification des incertitudes associées à leurs projections leur est souvent demandée et pose la question de la robustesse de ces modèles conceptuels, notamment dans le contexte d'un climat en évolution. En effet, l'utilisation d'un modèle dans des conditions différentes de celles où il a été calé repose sur une hypothèse de transférabilité des paramètres, c'est-à-dire la possibilité d'utiliser les paramètres d'un modèle dans des conditions différentes de celles de saconstruction. Nous traitons cette problématique en tentant d'apporter des éléments de réponse aux questions suivantes :* Quel est le niveau de robustesse des modèles hydrologiques conceptuels face à des conditions climatiques variables ?* Quelles sont les causes des situations de manque de robustesse et y a-t-il des façons de s'en prémunir ?Nous y répondons à travers l'étude des performances de modèles conceptuels lors de nombreux tests de transfert temporel de leurs paramètres. Les résultats montrent des corrélations entre les problèmes de robustesse et les écarts de conditions climatiques entre les périodes de calage et de validation des modèles. Des situations de biais systématiques corrélés à des changements de température de l'air ressortent en particulier de ces analyses. Une hétérogénéité existe cependant sur notre échantillon, les variables climatiques ou le type d'erreurs associées aux problèmes détectés pouvant varier d'un bassin à un autre.L'étude des biais de simulation sur les bassins où les modèles ne sont pas robustes montre des alternances de phases de sous-estimation et surestimation des débits, le biais sur le module décennal pouvant atteindre 20%. Nos travaux révèlent que des comportements très similaires sont obtenus pour diverses périodes et méthodes de calage. Pour les modèles conceptuels utilisés dans ces travaux, les problèmes de robustesse détectés ne résultent pas simplement de quelques "mauvais" calages conduisant à la sélection de paramètres inadaptés pour reproduire le comportement du bassin considéré. Ils semblent plutôt découler de difficultés générales de ces outils de modélisation à reproduire convenablement les bilans moyens de façon simultanée sur différentes périodes.Ces travaux ouvrent des pistes de réflexion sur la capacité insuffisante de certains modèles hydrologiques conceptuels à reproduire des dynamiques basse fréquence et sur le rôle des erreurs d'estimation des forçages, notamment les variations temporelles de l'évapotranspiration, dans les situations de modélisation incorrecte.

Dans un contexte de croissance démographique dans lequel certaines ressources naturelles sont de plus en plus limitées, une gestion optimisée et conjointe des réseaux publics de l’eau et de l’électricité s’impose. L’ouverture progressive des marchés de l’électricité à la concurrence et les changements de réglementation dans plusieurs pays ont contribué au développement des mécanismes de la flexibilité de la demande, permettant d’impliquer directement les consommateurs dans la gestion de l’équilibre offre-demande du réseau électrique. Les systèmes d’eau potable, étant de grands consommateurs d’électricité, disposent d’une flexibilité grâce à la présence d’ouvrages de stockage d’eau (bâches et réservoirs) et de pompes à vitesse variable. Cette flexibilité, souvent exploitée uniquement à des fins de sécurisation des demandes en eau, peut être valorisée pour permettre une meilleure gestion de l’équilibre du réseau électrique. L’objectif de cette thèse est l’évaluation des valeurs économiques et écologiques relatives à l’intégration de la flexibilité des systèmes d’eau potable dans la gestion opérationnelle du système électrique français. Une étude de l’architecture des marchés de l’électricité en France est d’abord menée pour identifier les mécanismes de flexibilité de la demande les plus adaptés aux contraintes d’exploitation des systèmes d’eau. Des modèles mathématiques d’optimisation sont ensuite proposés et résolus à travers certaines heuristiques, en intégrant les incertitudes relatives aux consommations d’eau, aux prix des marchés ainsi qu’à la disponibilité des équipements de pompage. Les résultats numériques, discutés en se basant sur trois systèmes d’eau potable réels en France, intègrent les aspects économiques (en considérant les risques associés), opérationnels et écologiques. Des réductions importantes des coûts d’exploitation des systèmes d’eau sont estimées à travers la valorisation de l’énergie non consommée pendant les moments de pointe sur le marché spot de l’électricité. En parallèle, la considération des incertitudes permet de sécuriser l’opération des systèmes d’eau en temps réel, et de maîtriser les risques économiques relatifs à l’équilibrage du réseau électrique. De plus, des réductions importantes des émissions de CO2, estimées à environ 400 tonnes par jour en France, peuvent être réalisées en réduisant les volumes d’électricité issus des sources fossiles
In a context of demographic growth in which natural resources are more and more limited, optimized management of water and power networks is required. Changes in electricity markets regulation in several countries have recently enabled effective integration of Demand Response mechanisms in power systems, making it possible to involve electricity consumers in the real-time balance of the power system. Through its flexible components (variable-speed pumps, tanks), drinking water systems, which are huge electricity consumers, are suitable candidates for energy-efficient Demand Response mechanisms. However, these systems are often managed independently of power system operation, for both economic and operational reasons. In this thesis, the objective is the evaluation of the economic and the ecological values related to the integration of drinking water systems flexibility into power system operation through french demand response mechanisms. An analysis of the architecture of french electricity markets is first conducted, allowing to target the most suitable demand response mechanisms considering water systems operating constraints. Some mathematical models to optimize water systems flexibility are then proposed and solved through original heuristics, integrating uncertainties about water demands, market prices and pumping stations availability. Numerical results, which are discussed using three real water systems in France, integrate the economic aspects inclunding risks, operational and ecological aspects. Significant reductions in water systems operating costs are estimated through the optimization of demand response power bids on the French spot power market during peak times. In parallel, uncertainties consideration secures the operation of water systems in real time, and makes it possible to manage economic risks related to the power grid balancing. In addition, significant savings in CO2 emissions, estimated to around 400 tons per day in France, can be achieved by reducing electricity production from fossil sources

Les interactions entre les processus de surface et de sub-surface sont des composantes clés du cycle hydrologique que les modèles hydrologiques doivent représenter pour obtenir des prédictions cohérentes et précises dans un contexte de gestion durable de la ressource en eau. Les modèles hydrologiques intégrés qui décrivent de façon physique les processus et leurs interactions sont de conception récente. La plupart de ces modèles s‘appuient sur l’équation de Richards 3D pour décrire les processus d’écoulement souterrain. Cette approche peut être problématique compte tenu de contraintes importantes sur le maillage et sur la résolution numérique. Ce travail de thèse propose un modèle hydrologique intégré qui s’appuie sur approche innovante à dimension réduite pour simplifier les écoulements de surface et souterrains d'un bassin versant. Les différents compartiments du modèle sont d’abord testés indépendamment puis couplés. Les résultats montrent que l’approche proposée décrit précisément les processus hydrologiques considérés tout en améliorant de façon significative l’efficacité générale du modèle
Interactions between surface and subsurface flow processes are key components of the hydrological water cycle. Accounting for these interactions in hydrological modelsis mandatory to provide relevant and accurate predictions for water quality and water resources management. Fully-integrated hydrological models that describe with aphysical meaning the hydrological processes and their interactions are recent. Most of these models rely upon the resolution of a 3D Richards equation to describe subsurface flow processes. This approach may become intractable because of the heavy constrains on both meshing and numerical resolution. This PhD proposes a new integrated hydrological model on the idea of dealing with dimensionally reduced flow in both the surface and sub-surface compartments of a watershed. The different compartments of the model are first tested independently and then coupled. The results show that the proposed approach allows for a proper and precise depiction ofthe hydrological processes enclosed in the model while providing significant gain incomputational efficiency

Ce travail de recherche vise à optimiser la procédure opérationnelle des centrales hydroélectriques en cascade afin de les utiliser efficacement pour la production d’électricité et l’irrigation. Le défi consistait à trouver le modèle le plus réaliste basé sur la caractéristique stochastique des ressources en eau, sur la demande en énergie et sur le profil d'irrigation. Tous ces aspects sont affectés à court et à long terme par un large éventail de conditions différentes (hydrologique, météorologique et hydraulique). Au cours de ce projet, une étude bibliographique a été réalisée afin d'identifier les problèmes techniques qui empêchent l'utilisation efficace des centrales hydroélectriques dans les pays en développement. Le système est modélisé numériquement en tenant compte de toutes les variables et paramètres impliqués dans le fonctionnement optimal. L'approche la plus appropriée est choisie afin de maximiser l'utilisation efficace de l'eau et de minimiser les pertes économiques, où différents scénarios sont simulés afin de valider les solutions adoptées
This research work aims to optimize the operational procedure of cascade hydro plants in order to be efficiently used for power generation and irrigation. The challenge was to find the most realistic model based on the stochastic feature of water resources, on the power demand and on the irrigation profile. All these aspects are affected on the short and on the long run by a wide range of different conditions (hydrological, meteorological and hydraulic). During this project a bibliographic study was done in order to identify the technical issues that prevent the efficient use of hydro plants in developing countries. The system is numerically modelled taking into consideration all the variables and parameters involved in the optimal operation. The most appropriate approach is chosen in order to maximize the efficient use of water and to minimize economical losses, where different scenarios are simulated in order to validate the adopted suggestions