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In order to determine the hydrological impact of future urban development, hydrological modeling is very useful because it allows obtaining hydrological scenarios from urbanization scenarios by considering climate variability. Despite the current diversity of applicable hydrological models to urbanized catchments, those models were generally tested on few catchments, which raises the question of their robustness. The objective of this thesis is to look for a hydrological model structure that is able to reproduce the rainfall-runoff relationship for a large sample of urbanized catchments, located in France and the United States, and characterized by a wide variety of urban sprawl. To do so, we started from an hourly conceptual model structure (GR4H) which was not specifically developed nor tested on highly urbanized catchments. We followed four steps: (1) The collection and preparation of a large sample of data for more than 2000 catchments located in France and the United States. The analysis of the variability of event runoff ratio for 852 US catchments showed the dependence of catchment response not only on mean total impervious area (TIA), but also on antecedent soil moisture conditions regardless of the level of urban sprawl in the catchment; (2) The test of the starting model structure on highly urbanized catchments. This step showed the ability of GR4H parameters to reflect the behavioral specificities of urbanized catchments; (3) The regionalization of GR4H parameters in order to relate them to the fraction of urban cover in the catchment. The obtained regression relationships performed well but showed weak sensitivity to change in the fraction of urban cover, which impeded their use for scenario prediction; (4) The step-by-step modification of the GR4H model structure by including excess rainfall on impervious surfaces, and by varying the partitioning between quick flow and slow flow depending on each catchment. The evaluation of these modifications on 273 urbanized catchments indicated an improvement in reproducing the observed flows in comparison to the original structure, especially during dry and flooding periods. The added parameters showed a strong dependence on the mean total impervious area. This thesis work illustrates a constructive modeling approach by which we have succeeded in both (1) improving the representation of urbanization within the model and (2) obtaining better simulation of catchment response. An effort of regionalizing the new model structure using measures of urban landscape fragmentation will allow to better estimate the impact of different urban planning schemes on the hydrological behavior at the catchment scale.; Afin de déterminer l'impact hydrologique de l'étalement urbain à venir, la modélisation hydrologique est très utile car elle permet de traduire les scénarios d'urbanisation en scénarios hydrologiques en tenant compte de la variabilité climatique. Malgré la diversité actuelle des modèles hydrologiques applicables sur les bassins urbanisés, ces modèles sont en général développés sur un nombre limité de bassins versants, ce qui pose la question de leur robustesse. L'objectif de cette thèse est de chercher une structure de modèle hydrologique capable de reproduire la relation pluie-débit pour un large échantillon de bassins versants urbanisés, situés en France et aux États-Unis, et caractérisés par différents niveaux d'étalement urbain. Pour ce faire, nous sommes partis d'une structure de modèle conceptuel (GR4H), fonctionnant au pas de temps horaire mais non dédiée aux bassins versants urbanisés. Pour arriver à nos objectifs, nous avons considéré quatre étapes : (1) la collecte et la préparation d'un large échantillon de données pour plus de 2000 bassins versants situés en France et aux États-Unis. L'analyse de la variabilité des coefficients de ruissellement de 852 bassins nord-américains a montré une dépendance non seulement au taux moyen d'imperméabilité totale (TIA), mais aussi aux conditions d'humidité du sol quel que soit le niveau d'étalement urbain du bassin versant ; (2) le test de la structure de départ sur les bassins fortement urbanisés. Cette étape a montré l'aptitude des paramètres du modèle GR4H à traduire les spécificités du comportement hydrologique en contexte urbanisé ; (3) la régionalisation des paramètres de la structure de départ GR4H pour les lier à la fraction du couvert urbain. Les relations de régression obtenues ont été performantes mais peu sensibles à la caractérisation du couvert urbain ; (4) la modification pas-à-pas de la structure de GR4H en rajoutant le ruissellement sur les surfaces imperméables, et en variant le partage entre écoulement rapide et écoulement lent en fonction de chaque bassin. L'évaluation de ces modifications sur 273 bassins versants urbanisés a indiqué une amélioration de la simulation des écoulements surtout lors des périodes sèches et des périodes de crue. Les paramètres rajoutés ont montré une forte dépendance au taux moyen d'imperméabilité totale. Les travaux de cette thèse montrent un exemple de démarche constructive de développement de modèle hydrologique, par laquelle nous avons réussi à améliorer la représentation de l'urbanisation au sein du modèle tout en obtenant de meilleurs résultats en comparant avec des séries observées. Un effort de régionalisation de la nouvelle structure en exploitant des mesures de fragmentation du paysage urbain permettra une étude d'impact de différents schémas d'urbanisation future sur la réponse hydrologique.

Le mois de septembre 2003 fut exceptionnellement arrosé dans tout le Grand Tunis. Le cumul des pluies a dépassé 345 mm, soit 11 fois la moyenne observée pour ce mois à la station de Tunis-Carthage. Ces précipitations se sont abattues dans un contexte caractérisé par la densification du tissu urbain et l'imperméabilisation des sols. Les inondations qui en résultèrent, ont fait encore une fois surgir le débat sur les poids respectifs de l'aléa climatique et de la responsabilité anthropique dans l'augmentation des pertes en vies humaines et des dégâts matériels causés par ces phénomènes extrêmes.Dans le bassin versant des oueds El-Ghrich et El-Greb, pris comme exemple pour cette étude, la superficie totale du bâti est passée de 5,7 % de la superficie totale en 1950 à 60,2 % en 1983, puis à 70,5 % en 2007. En l'absence d'un consensus scientifique général sur l'impact que le réchauffement climatique pourrait avoir sur les tendances pluviométriques, une chose est sûre : l'extension et la densification du tissu urbain ont provoqué une incontestable augmentation des coefficients de ruissellement des bassins versants et ont donc entraîné une aggravation du risque d'inondation. C'est ce que nous essayons de démontrer à travers une approche statistique, ainsi que par l'application du modèle SCS. September 2003 was exceptionally rainy in all Grand Tunis. During that month, the rainfall exceeded 345 mm. This represents 11 times its average observed in the station of Tunis-Carthage. These precipitations fell in a context characterized by the densification of the urban fabric and the waterproofing of grounds. The floods which resulted from it, made once again appear the debate on the respective weights of the climatic change and the human responsibility in the increase of the losses in human lives and the damage to property caused by these extreme phenomena.In Wadi El-Ghrich and Wadi El-Greb catchment, taken as example for this study, built surfaces rose from 5.7 % of the total surface in 1950 to 60.2 % in 1983 and then to 70.5 % in 2007. In the absence of a general scientific consensus on the impact which the global warming could have on the trends of the precipitations, one thing is sure : the extension and the densification of the buildings caused an indisputable increase of the coefficients of streaming of ponds hillsides and thus pulled a worsening of the flood risk. It is what we suggest demonstrating through a statistical approach as well as by the application of the model SCS.

International audience

International audience; Afrique de l'Ouest a connu des conditions de sécheresse depuis la fin des années 1960. Cette tendance a été particulièrement évident dans le Sahel, mais semble avoir atténué dans la dernière décennie dans les régions orientales et centrales de cette région. D'autre part, la pluviométrie annuelle reste très faible dans la partie ouest du Sahel [ 1 ]. Une diminution correspondante a également été observé dans le débit moyen annuel des fleuves Sénégal et Niger, qui sont le plus grand dans la région et principalement alimenté par l'eau provenant de régions tropicales humides. Toutefois, le pourcentage de diminution du débit annuel moyen était presque deux fois plus grande que la diminution des précipitations [ 2 ] pour la période 1970-2010. Des tendances similaires ont été observées sur des réseaux hydrographiques plus petits. En revanche, même si le Sahel et la plupart de l'Afrique de l'Ouest ont connu la sécheresse aussi importante au cours des 40 dernières années, les coefficients de ruissellement et des débits d'eau ont augmenté dans la plupart des régions du Sahel. Ce phénomène a été appelé «Le Sahel Paradox" après l'augmentation de la nappe phréatique au Niger depuis les années 1960, a été nommé le paradoxe de Niamey et attribués à des changements importants dans l'utilisation des terres. Le les (Afrique multidisciplinaire de la mousson d'analyse) programmes AMMA HAPEX-Sahel (hydrologique et Expérience atmosphérique pilote) et ont fourni, parmi de nombreux résultats complets, les mesures de valeur portant sur les variations spatiales et temporelles de la teneur en eau du sol sahélienne ainsi que de l'infiltration de l'eau à travers les couches profondes du sol de la zone non saturée. Le but de ce chapitre est de fournir un aperçu du comportement hydrologique en Afrique de l'Ouest basée sur le point, locale, méso et échelles régionales observations.

The decrease of runoff with the increase in area is not a new fact. The scale effect depends on the spatial and temporal variability of different factors, including the surface characteristics and hydrodynamic properties of the soil and the vegetation development. The purpose of our work is to study the relative influence of the sources of variation of runoff from a small Sahelian catchment on several types of soil surfaces features. Plots of different sizes (1, 50 and 150 m 2 ) on cultivated soils and degraded soils (non-cultivated with three different types of crusts) were monitored for two consecutive years. The results show that the runoff coefficients of rainfall events range from 4 to 65% on cultivated soils and 16 to 96% on uncultivated bare and degraded soils. A statistical and dimensionless analysis shows that in degraded environments, the processes generating runoff on plots of 50 and 150 m 2 are identical and significantly different from the unit plot (1 m 2 ). The decrease in runoff with increasing scale becomes more pronounced when rainfall duration decreases. In cultivated areas, this result is not observed. Additional measurements are needed to better understand the differences in functioning at various scales of observations.

la disponibilite de la ressource en eau est l’un des elements qui conditionnent fondamentalement la valorisation des petits barrages. Edifies voila deja plusieurs annees, voire dizaines d’annees, on sait maintenant que les chroniques anciennes utilisees pour le dimensionnement des ouvrages different singulierement des chroniques mises a jour avec les donnees des annees recentes (HUBERT et al., 1998). Paradoxalement, tandis que les series pluviometriques se caracterisent par une nette diminution des apports, des travaux recents revelent simultanement une augmentation des coefficients de ruissellement des bassins versants (MAHE et al., 2003). Le comportement hydrologique des bassins soudano-saheliens parait de fait en pleine mutation : l’effet direct d’un changement climatique, l’evolution des couverts vegetaux, des etats de surface et d’occupation des sols sur les bassins versants, ou encore la perturbation des reseaux hydrographiques par la multiplication d’ouvrages de prise et de stockage sont autant d’elements susceptibles d’interagir. En tout etat de cause, la capacite actuelle des retenues et les conditions (climatiques et hydrologiques) necessaires a leur remplissage doivent desormais etre reevaluees.

In northern Ecuador, soils of high altitude grasslands (paramos) are mainly non-allophanic Andisols developed on Holocenic volcanic ash. These soils have a high water retention capacity and are the “water tank” of central Ecuador. To assess the effect of land use (burning and tillage) on soil hydrodynamic properties, rainfall simulation was conducted at two different sites. At Pichincha near Quito, the simulation was conducted on a recent volcanic ash soil comparing natural, tilled and burned plots. At El Angel, the simulation was conducted on a mature non-allophanic Andisol comparing natural, recently tilled and formerly cultivated plots. On natural plots, the infiltration rate was very high and sediment loss very low. Results for infiltration rate and runoff indicated that land use change on paramos increased runoff flow and reduced saturated hydraulic conductivity. Superficial reorganisation of the soil surfaces occurred on tilled plots at both sites. This crusting process was fast and resulted in surfaces with very low conductivity at Pichincha. The same processes seemed to be slower at El Angel. The soil surface of recent Andisols at Pichincha was prone to crusting whereas the mature Andisol, at El Angel, with a lower bulk density, was compacted when the kinetic energy of raindrops was high. Water repellency occurred after burning at Pichincha and following long natural air drying after tillage in the non-allophanic A horizon at El Angel. Water repellency combined with the low bulk density of soil aggregates explain the intensity of sediment losses in the abandoned soils after cultivation (Bare fallow plots). Erosion occurred in these areas through floating hydrophobic and stable aggregates.

The western Sierra Madré represents a « water tank » for surrrounding plains and plateaux that have an arid or semi arid climate ; these regions have used during more than fifty years overland flow to practice irrigation in great areas (for example the Laguna with 160 000 ha has more than 12 million inhabitants). However, in the mountain, ove- rexploitation of natural resources by breeding and forestry results in an environment degradation. A decomposition of hydrograms has been attempted to put in light eventual changes in water balance. Using an algorithm which allows to separate base flow and flood flow, an interpretation of hydrological trend of hydrologie behaviour of the basins. The annual runoff does not change ; but the way runoff occurs has changed. Discharges are торге irregular in the last decades ; the proportion of base flow in annual discharge decreases and inversely, flood flow enhances. This is what appears as the consequences of the landscape degradation : overgrazing and deforestation have accelarated runoff. The hydrological evolution leads environmental and economical consequences to downstrean arid zones, which absolutely need the water of the western Sierra Madre., Résumé : La Sierra Madré Occidentale (Nord-Ouest du Mexique) est un véritable château d'eau pour les zones de plaine avoisi- nantes, semi-arides et arides, qui ont profité des écoulements pour établir des zones agricoles importantes (c'est le cas de la Laguna avec plus d'un million d'habitants). Cependant, dans cette chaîne montagneuse, la surexploitation des ressources naturelles par l'élevage et l'exploitation forestière ont eu comme conséquences une dégradation du milieu. Pour mettre en évidence les effets hydriques de ces changements, on a tenté de décomposer les hydrogrammes des débits journaliers des cours d'eau. À partir de l'Indice de l'Écoulement de Base (IEB), on essaie d'interpréter les conséquences hydrologiques de ces changements progressifs du milieu. Les résultats nous montrent des tendances de changement du comportement de régime hydrique. Ce n'est pas le volume total d'eau écoulée qui a changé, mais la façon dont l'écoulement se présente. Avec des débits plus irréguliers dans les dernières années, la relation entre écoulement de crue et écoulement total devient de plus en plus marquée. L'écoulement de base diminue petit à petit et les crues prennent la place de la majorité de l'écoulement total, ce qui pourrait être une conséquence du surpâturage et du déboisement., Resumen : La Sierra Madré Occidental (No- roeste de Mexico) es un tanque natural de aguas para las llanuras colindantes, semiáridas y áridas, que han aprovechado sus escurri- mientos para establecer importantes perime- tros agricolas (entre ellos la Comarca Lagunera, con más de un milión de habitantes). Sin embargo, en esta sierra, la sobreex- plotación de los recursos naturales por la ganaderia y la explotación forestal tuvieron como consecuencia una degradación del Medio Ambiente. Para determinar los efectos hidricos de estos cambios, se intentó descom- poner los hidrogramas de gastos diarios de los ríos principales. À partir del Indice de Escurrimiento Base (IEB), se intenta interpretar las consecuencias hidrológicas de estos cambios progresivos del medio. Los resultados ensefian tendencias de cambio del comportamiento del regimen hidrico. El volumen total de aguas escurridas anualmente no es el que cambia, sino la manera en que se présenta el escurrimineto. Con gastos más irregulares en los últimos afios, la relación entre escurrimiento directo y escurrimiento total se vuelve cada vez más évidente. El escurrimiento base disminuye poco a poco y las avenidas ocupan una proporción superior del escurrimiento total, lo que podría ser una consecuencia del sobrepastoreo y del des, Viramontes David, Descroix Luc. Dégradation progressive du milieu par le surpâturage et le déboisement et conséquences hydrologiques. Étude de cas dans la Sierra Madré occidentale (Mexique). In: Revue de géographie alpine, tome 88, n°2, 2000. pp. 27-41.

Cette étude caractèrise le ruissellement et l'érosion hydrique dans un bassin versant de 103 km2 du domaine soudanien au Mali et cela en fonction des types de sol, de leur occupation et des techniques culturales. Les expérimentations sur parcelles (100 à 1000 m2) ont été complétées par des études de comportement des sols en laboratoire. A partir de ces informations, le problème du transfert des matériaux érodés des versants vers l'exutoire du bassin versant a été abordé. Pour les deux campagnes de mesure, la valeur moyenne du coefficient annuel de ruissellement sous jachère est plus élevée sur sol gravillonaire cuirassé (42%) et plus faible sur sol caillouteux (10%). Les valeurs enregistrées sur sol ferrugineux tropical et sol brun vertique sont du même ordre (22%). Avec la mise en culture de ces deux derniers sols, le coefficient de ruissellement peut atteindre 45% dans le cas du labour et 18% avec la pratique du travail minimum du sol. L'érosion varie de 0.3 à 5.6 t/ha/an sur parcelle de 100 m2, sous jachère en fonction de l'année et du type de sol. La mise en culture avec la pratique du labour favorise une nette augmentation de l'érosion : 10 à 20 t/ha/an. Par contre avec la pratique du travail minimum du sol, l'érosion reste à un niveau comparable à ce qui est observé sous jachère. A l'échelle de la parcelle de 100 m2 et quelle que soit l'occupation du sol. Les pertes de carbone et d'azote se font principalement sous forme solide, alors que les pertes en bases échangeables (Ca, Mg, K et Na) sont nettement plus importantes sous forme dissoute. Les études de laboratoire ont montré que les tests de stabilité des aggrégats et des mottes sont de bons indicateurs d'érodibilité des sols. Ces informations semblent être appropriées pour la cartographie des risques d'érosion... (D'après résumé d'auteur)

Dans le cadre de la prédétermination des crues décennales au Sahel, Jean Rodier a proposé une méthode d'évaluation des coefficients de ruissellement décennaux. Cette méthode est basée sur l'estimation de trois paramètres explicatifs, la surface du bassin versant, l'indice global de pente et la classe d'infiltrabilité. L'utilisation d'abaques permet la détermination du coefficient recherché : pour une surface donnée, on effectue une double interpolation sur les variables pente et infiltrabilité. Un des points délicats de la méthode réside dans la détermination et la classification des variables explicatives. En effet, ce travail met en jeu des connaissances qualitatives qu'il s'agit de traduire quantitativement. Or la théorie des ensembles flous permet le traitement numérique d'informations qualitatives ou incertaines. Nous testons un système à bases de règles floues dans lequel les variables sont appréhendées en tant que nombres flous, et où les algorithmes numériques sont remplacés par des règles d'inférence. La calibration du modèle s'effectue sur un jeu de données en faisant varier la forme des fonctions d'appartenance ainsi que la mise en oeuvre des règles. Le modèle est ensuite validé sur un autre échantillon de données. (Résumé d'auteur)

Ce rapport présente les divers aspects de la théorie des ensembles flous, c'est à dire les ensembles flous, les relations floues, la logique floue , les points forts et faibles de la méthode et ses principaux champs d'application. Cette introduction aux méthodes floues, est complétée par une étude du calcul flou, autour duquel nous avons développé une librairie. Enfin, nous proposons deux solutions pour l'estimation du coefficient de ruissellement décennal, une part un logiciel du domaine public qui met en oeuvre un contrôleur neuroflou, et l'autre est le développement d'un logiciel à base de variables et de règles floues. (Résumé d'auteur)

Dans le cadre d'une révision générale des données sur les fortes crues des petits bassins d'Afrique occidentale et centrale : bassins représentatifs et certaines stations du réseau hydrométrique, l'auteur a estimé pour les régions tropicales sèches les coefficients de ruissellement superficiel Kr 100 mm et Kr 70 mm qui correspondent à des pluies standart de 100 et 70 mm tombant dans des conditions bien définies. On présente dans cet article les principaux résultats de cette étude et plus particulièrement les variations du coefficient Kr 100 mm en fonction des facteurs conditionnels du bassin dont le rôle est le plus important : la surface S, l'indice d'infiltrabilité P, et l'indice global de pente Ig corrigé si nécessaire en fonction des pentes transversales. Pour les valeurs fixes de ces deux indices, la courbe Kr 100 mm, en fonction de S, peut être représentée par une branche d'hyperbole dont on donne l'équation dans les différents cas. La dispersion des points représentatifs est forte par suite de l'influence d'autres facteurs qui n'ont pas été pris en compte. Les formules doivent donc être utilisées avec un questionnaire tenant compte de ces derniers facteurs. (Résumé d'auteur)