Aide à la calibration d'un modèle hydrologique distribué au moyen d'une analyse des processus hydrologiques : application au bassin versant de l'Yzeron

The present work is a contribution to the recent research topics in hydrology devoted to the amelioration of hydrological modelling performance on the base of field knowledge. The study catchment is the Yzeron basin (A = 147,3 km²) located at the west of Lyon. Following a state of the art review concerning hydrological processes for runoff generation and distributed hydrological modelling, the WISTOO model was implemented in the Yzeron basin. This first work of modelling raised the different problems of the distributed hydrological modelling, already evoked in the literature, and stresses the importance of knowledge about the hydrological behaviour of the study catchment is necessary. In the second part of this work, a spatial analysis was carried out, using the different available thematic layers, leading to the selection of three representative sub-catchments. A field experimental approach has been conducted at two scales : catchment (runoff-rainfall analysis and geochemical tracing) and hillslope scale (piezometric level measurements). The geochemical tracing application has made it possible to propose some hypotheses on the hydrological behaviour of these entities. For a smaller scale approach, a set of piezometers have been installed on two hillslopes, which allowed monitoring of the piezometric level during some rainfall-runoff events. Association of two techniques (geochemical tracing and experimental investigation at the hillslope scale) and global rainfall-runoff analysis have finally permitted to improve our understanding of dominant hydrological processes associated to the representatives sub-catchments of Yzeron basin. A first tentative of integration of this knowledge in to the calibration process of WISTOO model constitutes the last chapter of this work.Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte des recherches actuelles en hydrologie consacrées à l'amélioration des performances des modèles hydrologiques à l'aide des connaissances acquises par l'approche expérimentale. Le bassin versant de l'Yzeron (A = 147,3 km²), situé à l'Ouest de l'agglomération Lyonnaise, constitue le terrain d'étude. Après un état de l'art concernant les processus hydrologiques de genèse des écoulements et la modélisation hydrologique distribuée, le modèle WISTOO a été implémenté sur le bassin de l'Yzeron. Ce premier travail de modélisation a soulevé les différents problèmes, déjà évoqués dans la littérature, d'une modélisation hydrologique distribuée. Il a montré qu'une connaissance sur le comportement hydrologique de la région d'étude est nécessaire. Dans la deuxième partie de ce travail et à l'aide d'une analyse spatiale, utilisant les différentes couches thématiques disponibles, trois sous-bassins versants supposés représentatifs de caractéristiques dominantes liées aux écoulements ont été sélectionnés. Ensuite, une approche expérimentale a été menée, sur ces entités spatiales, à deux échelles : celle du sous-bassin versant (analyse pluie-débit et traçage géochimique) et celle du versant (suivi du niveau piézométrique). L'application du traçage géochimique a permis d'émettre des hypothèses sur le comportement hydrologique de ces entités. Pour une approche à plus petite échelle, une série de piézomètres a été installée sur deux versants ce qui a permis un suivi temporel du niveau piézométrique lors de quelques événements averse-crue. L'association des deux techniques (traçage géochimique et suivi à l'échelle du versant) ainsi que les analyses pluie-débit globales nous ont permis d'apporter quelques éléments de compréhension sur les processus hydrologiques dominants associés aux bassins représentatifs du bassin de l'Yzeron. Une première tentative d'intégration de cette connaissance dans le calage du modèle distribué constitue le dernier chapitre de la thèse

Rejets par temps de pluie en rivière péri-urbaine : diagnostic et gestion

Le travail présenté ici se développe sur le bassin périurbain de l'Yzeron, (150 km2), situé dans l'Ouest lyonnais. Il présente un net gradient d'urbanisation de l'amont vers l'aval. Entre les années 70 et 90, il est passé de 6 à 19% d'urbanisation essentiellement sur la partie aval du bassin ; l'amont ayant connu une mutation d'une autre nature : les cultures cédant la place aux prairies, aux friches et enfin à la forêt. L'expansion urbaine se traduit donc par une artificialisation du paysage et par l'abandon de l'exploitation des terres de la deuxième couronne. Le Grand Lyon tente de limiter la dégradation de la qualité de l'eau par les rejets urbains par temps de pluie (RUTP), et les processus d'incision et d'ensablement. L'insuffisance avérée du réseau actuel, et a fortiori dans le futur, amène le Grand Lyon à étudier son adaptation vis-à-vis de la loi sur l'Eau en termes de taux de collecte et de nombre de rejets par an. La connaissance des mécanismes de l'impact des rejets et des mécanismes d'assimilation par le milieu rivière est un des critères de choix de solutions et de modes de gestion des RUTP. La dimension paysagère et sociologique de ces choix est prise en compte. L'ambition de ces recherches s'inscrit donc selon deux axes : le développement du diagnostic d'impact des RUPT sur les rivières périurbaines et la compréhension de l'évolution des processus en fonction de l'accroissement urbain ; cela afin de proposer des solutions de gestion de l'espace péri-urbain moins dommageables pour le milieu aquatique. Le paradigme "flux-formes-biocénoses" développé permet d'identifier des modes d'assimilation différents des flux de nutriments et de polluants. Cette assimilation montre des dynamiques plus ou moins rapides dans l'espace et dans le temps. On note ainsi une évolution saisonnière sur le site expérimental et la rivière Yzeron, liée aux contextes hydrologiques naturel et urbain ainsi qu'une alternance longitudinale de la qualité du cours d'eau. Ces propriétés spatiales et temporelles couplées à une cartographie selon une typologie géomorphologique pourraient s'avérer être un véritable instrument de gestion des RUTP. Un inventaire cartographique des incisions des cours d'eau de tête de bassin versant est actuellement en cours de réalisation. Le rôle des acteurs locaux et des politiques d'aménagement devra être intégré à l'analyse globale. Ainsi une typologie des valeurs et des attitudes des habitants des berges face à la rivière de l'Yzeron, basée sur des indicateurs de sensibilité, de besoins de la collectivité et des objectifs des décideurs, permettra d'aborder les freins structurels d'une politique intégrant dynamique de la rivière et services rendus

Nitrogen patterns in subsurface waters of the Yzeron stream: effect of combined sewer overflows and subsurface-surface water mixing

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]ARCEAU [TR2_IRSTEA]BELCAInternational audienceUrbanization subjects streams to increased nitrogen loads. Therefore studying nitrogen forms at the interface between urban stream and groundwater is important for water resource management. In this study we report results on water δ(18)O and nitrogen forms in subsurface waters of a stream (Yzeron, France). The sites studied were located upstream and downstream of combined sewer overflows (CSO) in a rural area and a periurban area, respectively. Water δ(18)O allowed us to follow the mixing of subsurface water with surface water. Dissolved organic nitrogen and organic carbon of fine sediment increased by 20-30% between rural and periurban subsurface waters in the cold season, under high flow. The highest nitrate levels were observed in rural subsurface waters in the cold season. The lowest nitrate levels were found in periurban subsurface waters in the warm season, under low flow. They corresponded to slow exchange of subsurface waters with channel water. Thus reduced exchange between surface and subsurface waters and organic-matter-rich input seemed to favor nitrate reduction in the downstream, periurban, subsurface waters impacted by CSO

Rejets par temps de pluie en rivière péri-urbaine : diagnostic et gestion

Le travail présenté ici se développe sur le bassin périurbain de l'Yzeron, (150 km2), situé dans l'Ouest lyonnais. Il présente un net gradient d'urbanisation de l'amont vers l'aval. Entre les années 70 et 90, il est passé de 6 à 19% d'urbanisation essentiellement sur la partie aval du bassin ; l'amont ayant connu une mutation d'une autre nature : les cultures cédant la place aux prairies, aux friches et enfin à la forêt. L'expansion urbaine se traduit donc par une artificialisation du paysage et par l'abandon de l'exploitation des terres de la deuxième couronne. Le Grand Lyon tente de limiter la dégradation de la qualité de l'eau par les rejets urbains par temps de pluie (RUTP), et les processus d'incision et d'ensablement. L'insuffisance avérée du réseau actuel, et a fortiori dans le futur, amène le Grand Lyon à étudier son adaptation vis-à-vis de la loi sur l'Eau en termes de taux de collecte et de nombre de rejets par an. La connaissance des mécanismes de l'impact des rejets et des mécanismes d'assimilation par le milieu rivière est un des critères de choix de solutions et de modes de gestion des RUTP. La dimension paysagère et sociologique de ces choix est prise en compte. L'ambition de ces recherches s'inscrit donc selon deux axes : le développement du diagnostic d'impact des RUPT sur les rivières périurbaines et la compréhension de l'évolution des processus en fonction de l'accroissement urbain ; cela afin de proposer des solutions de gestion de l'espace péri-urbain moins dommageables pour le milieu aquatique. Le paradigme "flux-formes-biocénoses" développé permet d'identifier des modes d'assimilation différents des flux de nutriments et de polluants. Cette assimilation montre des dynamiques plus ou moins rapides dans l'espace et dans le temps. On note ainsi une évolution saisonnière sur le site expérimental et la rivière Yzeron, liée aux contextes hydrologiques naturel et urbain ainsi qu'une alternance longitudinale de la qualité du cours d'eau. Ces propriétés spatiales et temporelles couplées à une cartographie selon une typologie géomorphologique pourraient s'avérer être un véritable instrument de gestion des RUTP. Un inventaire cartographique des incisions des cours d'eau de tête de bassin versant est actuellement en cours de réalisation. Le rôle des acteurs locaux et des politiques d'aménagement devra être intégré à l'analyse globale. Ainsi une typologie des valeurs et des attitudes des habitants des berges face à la rivière de l'Yzeron, basée sur des indicateurs de sensibilité, de besoins de la collectivité et des objectifs des décideurs, permettra d'aborder les freins structurels d'une politique intégrant dynamique de la rivière et services rendus