Contribution à la modélisation hydrologique à l'échelle de la ville PDF Download
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Author: Aude Allard
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Languages : fr
Pages : 234
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Author: Aude Allard
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Pages : 234
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Author: Mohamed Saadi
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Languages : fr
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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.
Author: CATHERINE.. GOLAZ-CAVAZZI
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CETTE THESE EST UN APPORT AU PROJET GEWEX-RHONE, DONT L'OBJET EST LA MODELISATION COUPLEE DES COMPOSANTES CONTINENTALE ET ATMOSPHERIQUE DU CYCLE DE L'EAU, A L'ECHELLE REGIONALE. DANS LE CADRE DE CE PROJET, DEUX MODELES HYDROLOGIQUES, DIFFERANT PAR LEUR MODE DE CALCUL DU BILAN HYDRIQUE, SONT APPLIQUES SUR LE BASSIN DU RHONE, POUR EN SIMULER LE COMPORTEMENT DE 1981 A 1995. LEUR STRUCTURE DISCRETISEE PERMET DE PRENDRE EN COMPTE LES HETEROGENEITES DU MILIEU, ET D'AUTORISER LES ECHANGES VERTICAUX AVEC LE MODELE METEOROLOGIQUE. LE MODELE STANDARD MODCOU CALCULE LE BILAN HYDRIQUE AU MOYEN DE MODELES A RESERVOIRS, AU PAS DE TEMPS JOURNALIER. PEU EXIGEANT EN DONNEES, IL NECESSITE UNE LONGUE PHASE DE CALAGE. DANS LE MODELE COUPLE CIRSE, LE SCHEMA DE SURFACE ISBA-CROCUS, CALCULE DE FACON EXPLICITE LES BILANS ENERGETIQUE ET HYDRIQUE AU PAS DE TEMPS DE CINQ MINUTES. TRES EXIGEANT EN DONNEES, IL NE NECESSITE PAS DE PHASE DE CALAGE, LES PARAMETRES DES EQUATIONS AYANT ETE PRECEDEMMENT ETALONNES. MODCOU ET CIRSE DONNENT TOUS DEUX DES RESULTATS SATISFAISANTS. LES LAMES D'EAU RESTITUEES PAR CIRSE SONT PLUS PROCHES DES OBSERVEES QUE CELLES CALCULEES PAR MODCOU. C'EST PRINCIPALEMENT LA PRISE EN COMPTE DU CYCLE DE LA VEGETATION DANS LE CALCUL DE L'ETR, QUI CONDUIT A CE MEILLEUR RESULTAT. PAR CONTRE, SI L'ON ETUDIE LES SORTIES DES DEUX MODELES AVEC UN PAS DE TEMPS DE L'ORDRE DE LA SEMAINE, MODCOU OBTIENT DE MEILLEURS RESULTATS QUE CIRSE, EN RAISON DE LA PROCEDURE DE CALAGE. SI L'AMELIORATION DU CALCUL DU BILAN HYDRIQUE APPORTE PAR CIRSE APPARAIT D'ORES ET DEJA AU TRAVERS DE CES PREMIERS RESULTATS, CETTE THESE ILLUSTRE POUR LA PREMIERE FOIS L'APTITUDE DE MODCOU A REPRODUIRE LE COMPORTEMENT D'UN BASSIN DE TAILLE REGIONALE. ENFIN AU TRAVERS D'UNE
Author: PIERRE.. ETCHEVERS
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Pages : 370
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AFIN D'ETUDIER LE CYCLE DE L'EAU A L'ECHELLE REGIONALE, LE COUPLAGE D'ISBA (LE SCHEMA DE SURFACE DE METEO-FRANCE) AVEC MODCOU (LE MODELE HYDROLOGIQUE DE L'ENSMP) A ETE MIS AU POINT SUR LE RHONE POUR L'ANNEE 1987/88 PAR HABETS (1998). EN RAISON DE LA FORTE COMPOSANTE NIVALE ALPINE DU BASSIN, CROCUS (LE MODELE DE NEIGE DE METEO-FRANCE) A ETE RAJOUTE DANS LE SYSTEME COMPLET. LA SIMULATION DU BASSIN VERSANT DU RHONE A ENSUITE ETE ETENDUE A 14 ANNEES (DE 1981 A 1994). LES FORCAGES ATMOSPHERIQUES ONT ETE ANALYSES A L'AIDE DU SYSTEME SAFRAN, SPECIALEMENT CONCU POUR LES ZONES DE RELIEF. BIEN QU'AUCUN ETALONNAGE SUR LES DEBITS N'AIT ETE REALISE, LES RESULTATS DU SYSTEME SONT VALIDES DE MANIERE SATISFAISANTE PAR COMPARAISON AVEC LES DEBITS QUOTIDIENS OBSERVES EN 145 STATIONS DE JAUGEAGE SUR LES GRANDS COURS D'EAU DU BASSIN VERSANT DU RHONE. L'ENNEIGEMENT SIMULE REPRODUIT BIEN LES HAUTEURS DE NEIGE OBSERVEES QUOTIDIENNEMENT DE 24 POSTES D'ALTITUDE. LE BILAN HYDRIQUE DU BASSIN APPARAIT TRES CONTRASTE ET MET EN LUMIERE TROIS GRANDS ENSEMBLES : LES BASSINS NIVO-PLUVIAUX ET HUMIDES DU NORD (SAONE, DOUBS, AIN), LES BASSINS PLUVIAUX ET SECS DU SUD (BASSE DURANCE, ARDECHE) ET LES BASSINS ALPINS FORTEMENT ENNEIGES (ISERE, DRAC, HAUTE-DURANCE). L'OUTIL AINSI VALIDE A ENSUITE ETE UTILISE POUR EVALUER L'IMPACT D'UN CHANGEMENT CLIMATIQUE SUR LES GRANDES COMPOSANTES HYDRIQUES DU BASSIN VERSANT. UNE ATTENTION PARTICULIERE A EGALEMENT ETE APPORTEE A L'IMPACT D'UNE AUGMENTATION DE LA RESOLUTION DES CALCULS SUR LA QUALITE DE LA SIMULATION DU BASSIN NIVAL DE LA HAUTE-DURANCE.
Author: Emmanuel Berthier
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Pages : 196
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LES ETUDES HYDROLOGIQUES EN MILIEU URBAIN ONT JUSQU'A PRESENT ETE CENTREES SUR LA PREVISION DU DEBIT LORS D'EVENEMENTS PLUVIEUX IMPORTANTS. ON NE DISPOSE AINSI QUE D'UNE VUE PARTIELLE DU COMPORTEMENT D'UN BASSIN VERSANT URBAIN. CE COMPORTEMENT APPARAIT COMME VARIABLE D'UN EVENEMENT PLUVIEUX A L'AUTRE, VARIABILITE QUI RESTE EN PARTIE MECONNUE ET QUE LES MODELES ACTUELS ONT DU MAL A REPRODUIRE. L'OBJECTIF DE NOTRE TRAVAIL EST DE REDUIRE CETTE MECONNAISSANCE EN MODELISANT DE FACON DETAILLEE LES DIFFERENTS FLUX D'EAU ECHANGES EN MILIEU URBAIN. DANS UNE PREMIERE PARTIE, L'ELABORATION DU MODELE EST DECRITE. IL EST BASE SUR UNE SCHEMATISATION BIDIMENSIONNELLE DU MILIEU URBAIN A L'ECHELLE D'UNE PARCELLE CADASTRALE. LES LOIS ET PROCESSUS PHYSIQUES GERANT LE COMPORTEMENT DU SYSTEME SONT RESOLUS A L'AIDE D'UN CODE DE CALCUL PAR ELEMENTS FINIS. DANS UNE DEUXIEME PARTIE, L'EVALUATION DU MODELE QUI CONCERNE DIFFERENTES GRANDEURS HYDROLOGIQUES EST EFFECTUEE SUR UN PETIT BASSIN VERSANT PERIURBAIN. LE TRAVAIL INTEGRE LE TRAITEMENT DES DONNEES DU SITE DE REZE SE CARACTERISANT PAR UNE ACQUISITION EN CONTINU, SUR LE LONG TERME, DE PLUSIEURS GRANDEURS HYDROLOGIQUES. LA BASE DE DONNEES AINSI CONSTITUEE PRESENTE UN INTERET CERTAIN POUR LA COMMUNAUTE SCIENTIFIQUE. LA MODELISATION A BASE PHYSIQUE ENTREPRISE A PERMIS DE PRENDRE EN COMPTE L'HETEROGENEITE DU MILIEU URBAIN ET DE GERER DES CONDITIONS AUX LIMITES FORTEMENT VARIABLES. UN CONTROLE CONTINU A MONTRE QUE LE MODELE NUMERIQUE INTEGRAIT CORRECTEMENT CES DIFFICULTES. DES INFORMATIONS ONT ETE OBTENUES SUR LE COMPORTEMENT HYDROLOGIQUE DU BASSIN VERSANT ETUDIE : I) L'EVAPOTRANSPIRATION JOUE UN ROLE IMPORTANT, II) LE COMPORTEMENT D'UNE VOIRIE EST SIGNIFICATIVEMENT DIFFERENT DE CELUI D'UN BATIMENT, III) LA CONTRIBUTION AU DEBIT DU RUISSELLEMENT DES SURFACES NATURELLES EST NEGLIGEABLE, IV) LES INFILTRATIONS D'EAU DU SOL DANS LE RESEAU CONTRIBUENT AU DEBIT EN PERIODE HIVERNALE ET MEME LORS D'EVENEMENTS PLUVIEUX EXCEPTIONNELS.
Author: Agathe Giangola-Murzyn
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L'évolution constante des villes passe par l'urbanisation des zones encore disponibles induisant des effets sur les bilans hydriques des celles-ci. De plus, le changement climatique susceptible d'exacerber les extrêmes (dont les inondations) influence lui aussi ces bilans. La ville est donc un objet hydrologique spécifique qu'il faut replacer dans son contexte évolutif, ce qui élargit considérablement la gamme d'échelles spatio-temporelles à prendre en compte pour son analyse et sa simulation. L'Union Européenne considère que la gestion du risque d'inondation doit remplacer la défense classique contre celle-ci. Cette nouvelle approche est plus holistique : elle prend en compte toutes les composantes du risque et cherche a réduire la vulnérabilité des récepteurs (habitants, bâtiments et infrastructures). Elle débouche sur la question de la résilience des systèmes urbains où les technologies correspondantes doivent être intégrées en des systèmes résilients aux inondations. Il est donc indispensable de développer des outils permettant l'évaluation de la performance de ces derniers, et ce à différentes échelles. Ces préoccupations ont défini l'axe de développement de Multi-Hydro : faire interagir des modèles déjà éprouvés représentant une composante du cycle de l'eau, permettre d'effectuer ainsi des progrès substantiels dans la modélisation de l'eau en ville avec une facilité d'utilisation. Multi-Hydro est ainsi basé sur des équations physiques supportées par des modèles distribués couplés. Grâce à un outil SIG dédié, MH-AssimTool, les informations géographiques et physiques nécessaires à la modélisation sont facilement assimilés pour chaque zone et résolution. En effet, une attention particulière été portée sur les observables ayant le moins de dépendance en échelle. L'emploi d'outils d'analyse multi-échelles permet de représenter leur variabilité et de définir des paramétrisations robustes du fonctionnement hydrologique à différentes échelles. L'ensemble de ces développements a été utilisé pour aborder la question de la résilience face aux inondations à différentes échelles d'un système urbain, dans le cadre de différents projets européens (SMARTeST, RainGain, BlueGreenDream) ou nationaux (Ville Numérique), à l'aide d'une approche systémique sur des scénarios pour plusieurs cas d'étude :- un petit bassin versant de Villecresnes (Val-de-Marne) qui a servi a l'évaluation des impacts de chaque modification apportée au modèle au cours de son développement.- la partie Est de la commune de Saint-Maur-des-Fossés (Val-de-Marne) qui a subi un audit de l'état du réseau d'assainissement (cartographie précise des canalisations et campagnes de mesures) et dont les résultats préliminaires ont permis de poser la problématique de la modélisation des rivières.- un quartier d'Heywood (grande banlieue de Manchester, Royaume Uni), qui a subi plusieurs inondations durant la dernière décennie et demande une modélisation assez fine pour permettre l'évaluation de l'impact de quatre scénarios de protection.- le bassin versant de la Loup, dont l'exutoire est occupé par un bassin de stockage des eaux de pluie, a été modélisé pour quatre évènements d'intensités et de durées variables et a permis de débuter la validation du modèle.- la zone de Spaanse Polder (Rotterdam, Pays Bas), pose la problématique de la modélisation des zones très planes au système de drainage complexes (pompes, exutoires multiples). Cette zone permet de guider les développements futurs de Multi-Hydro. Dans le contexte de l'amélioration de la résilience des villes face aux inondations, Multi-Hydro se place comme étant un outil qui offre la possibilité de simuler des scénarios permettant l'évaluation des impacts à l'échelle globale de modifications à plus petites échelles. Grâce a sa facilité de mise en place que lui confère MH-AssimTool, ainsi que sa structure modulaire et sa liberté de licence, Multi-Hydro est en train de devenir un outil d'aide à la décision.
Author: Jean-Pierre Vergnes
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L'impact des eaux souterraines sur le bilan d'eau en surface et sur le climat a récemment fait l'objet de plusieurs études. Dans cette thèse, un schéma d'aquifère simplifiée à été développé dans le système hydrologique continental ISBA-TRIP utilisé au CNRM et évalué sur la France et à l'échelle globale. D'abord implémenté dans le modèle de routage TRIP, ce schéma a permis d'améliorer la comparaison entre les débits simulés et observés. La bonne comparaison des stocks d'eau simulées avec les estimations du satellite GRACE a en outre confirmé la cohérence des nappes d'eau simulées. Le principal effet des aquifères est d'introduire un temps de résidence qui décale et lisse les variables hydrologiques simulées. L'introduction des remontées capillaires de la nappe vers le sol d'ISBA a nécessité l'utilisation de la version explicite et multi-couche du schéma de sol d'ISBA. Son évaluation sur la France et à l'échelle globale a démontré l'intérêt d'une représentation plus physique des processus hydrologiques du sol en améliorant significativement les débits et stocks d'eau simulés. Le principal effet des remontées capillaires est d'augmenter l'évapotranspiration en période sèche. Cette évaluation révèle cependant un manque de dynamisme tendant à sous-estimer les débits moyens annuels et à augmenter la sensibilité d'ISBA à la résolution. Il reste en outre de nombreuses incertitudes. Certaines paramétrisations sont discutables et nécessiteraient sans doute d'être améliorées ou corrigées. L'objectif ultime de ces travaux sera l'introduction du système complet ISBA-TRIP dans le modèle de climat du CNRM afin d'évaluer l'impact des aquifères sur la simulation du climat récent et futur.
Author: Yi Hong (docteur en sciences et techniques de l'environnement).)
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Le développement des réseaux séparatifs entraîne le transfert fréquent de polluants urbains vers les milieux récepteurs (plans d'eau, rivières, etc.). La compréhension des processus de production et de lessivage des polluants dans le milieu urbain est pourtant incomplète à l'heure actuelle. Afin de répondre aux questions liées à la gestion des eaux urbaines, l'amélioration des connaissances des processus physiques est nécessaire, tant au niveau des surfaces urbaines que les réseaux d'assainissement. Pour cela, la modélisation du transfert hydrologique des polluants en milieu urbain peut être un outil précieux.Cette thèse a pour objectif de développer et d'analyser des modèles distribués à base physique pour simuler les flux de polluants routiers (Matières En Suspension (MES), Hydrocarbures, Métaux) dans un environnement urbain. Elle s'inscrit dans le cadre du projet ANR "Trafipollu" et bénéficie des résultats expérimentaux mis en œuvre dans ce projet pour la calibration et validation des modèles utilisés. Le travail de thèse s'articule autour de deux échelles de modélisation : l'échelle locale et l'échelle du quartier.A l'échelle locale, le code FullSWOF (volumes finis, schéma numérique d'ordre 2) couplé au modèle d'érosion d'Hairsine and Rose (1992a; 1992b) et des données géographiques très détaillées (résolution spatiale centimétrique) ont été utilisés et adaptés afin d'améliorer nos connaissances des processus physiques du lessivage des polluants sur les surfaces urbaines. La comparaison aux mesures en continu permet d'évaluer la performance d'une modélisation physique pour représenter les variations spatiales et temporelles des processus de transferts des polluants sur les surfaces urbaines. Les analyses des résultats obtenus permettent de constater la prédominance des effets d'arrachement liés à la pluie sur les processus d'entrainement par l'advection sur la majeure partie du bassin versant routier. L'utilisation d'un modèle d'érosion pour modéliser le transport particulaire en zone urbaine est une innovation importante de cette thèse.A l'échelle du quartier, la deuxième étape du travail consiste à coupler séquentiellement le modèle TREX (Velleux, England, et al., 2008) avec le modèle CANOE (Alison, 2005), nommé "TRENOE" plateforme. En changeant différentes options de mise en œuvre et de configurations du modèle, l'adaptation de la précision numérique et l'utilisation de données détaillées d'occupation du sol semblent être les facteurs clés pour une telle modélisation. Par ailleurs, ce couplage a montré des problèmes de fond tels que la modélisation du schéma numérique des flux en surface (seulement dans 4 directions), ainsi que l'utilisation de l'équation USLE pour simuler l'érosion en milieu urbain, ne comprenant pas d'impact des gouttes de pluie pour la modélisation.Pour remédier à ces défauts, la plateforme opensource LISEM-SWMM est développée en couplant le modèle LISEM (De Roo, Wesseling, et al., 1996), modèle d'érosion développé initialement pour le milieu naturel, et le modèle SWMM (Rossman, 2010). Pour la première fois, la modélisation hydrologique s'appuie aussi sur l'utilisation de sorties de modèles atmosphériques pour les dépôts des particules fines (PM10), hydrocarbures et métaux. Les résultats montrent que l'emploi de modèles totalement distribués peut arriver à reproduire de manière très fine les dynamiques des particules, des hydrocarbures et des métaux. Même si à ce stade la plateforme développée nécessite des améliorations pour adapter aux utilisations dans le champ opérationnel, ceci constitue une avancée pour le domaine de modélisation du transfert hydrologique des polluants routiers en milieu urbain.
Author: Mathilde Maquin
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Dans le cadre de la modélisation climatique, la représentation du cycle de l'eau des surfaces continentales est primordiale. Actuellement, les "modèles de surface continentale" représentent l'évolution des flux d'eau verticaux dans des colonnes de sol de quelques mètres de profondeur et leur interaction avec l'atmosphère. En revanche, l'interaction avec les nappes de faible profondeur n'est pas prise en compte alors que leur présence influence fortement les flux d'évapotranspiration à l'échelle locale, et, en conséquence, le climat à l'échelle régionale. Une difficulté est que les zones où cette interaction apparaît relèvent d'une échelle inférieure à celle du maillage des modèles de surface continentale. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle qui permette de prendre en compte l'impact des nappes de faible profondeur sur les flux d'évapotranspiration pour les modélisations climatiques à l'échelle globale. La contrainte principale associée relève des temps de calculs, qui doivent être réduits pour permettre la réalisation de simulations sur de grandes échelles de temps et d'espace. Dans ce cadre, un nouveau modèle de colonne de sol est proposé. Une fonction de drainage imposée en bas de colonne permet de reproduire l'évolution temporelle du toit de la nappe, en interaction avec les processus d'infiltration et d'évapotranspiration. Le modèle est testé et validé sur des cas tests académiques simples dans un premier temps, puis sur le cas d'un bassin versant réel dans un second temps (bassin versant du Strengbach, en France). Enfin, une méthodologie basée sur ce modèle de colonne et permettant d'estimer les flux d'évapotranspiration en tenant compte de leur variabilité dans l'espace est introduite. Elle est appliquée à un bassin versant dont la superficie est proche de celle d'une maille classique des modèles de surface continentale (bassin versant du Little Washita, aux États-Unis).
Author: Bahar Salavati
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L'urbanisation a de multiples impacts sur les processus hydrologiques. A l'échelle du bassin versant, ces impacts sont difficiles à quantifier et les résultats de la littérature sur ce sujet sont assez disparates. L'objectif de cette thèse est d'analyser conjointement l'évolution de l'urbanisation et l'évolution des écoulements des bassins versants. La détection et la quantification des changements d'écoulement potentiellement liés à l'urbanisation des bassins nécessitent de distinguer les changements de débits liés à l'urbanisation de ceux liés à d'autres facteurs de variabilité hydrologique, tels que le climat. Ceci soulève plusieurs questions liées notamment à la relation entre la variabilité du climat et celle de la réponse hydrologique des bassins, et aussi à la détermination d'une mesure de l'urbanisation utile pour l'hydrologie. Pour répondre à ces questions, plusieurs approches ont été testées : 1) Nous avons analysé la fiabilité d'un modèle hydrologique pour simuler l'impact de l'urbanisation. Pour cela, nous avons utilisé la technique des bassins versants appariés : un bassin versant urbanisé proche d'un autre bassin versant non-urbanisé servant de témoin permet d'évaluer l'impact de l'urbanisation sur la réponse hydrologique des bassins. 2) Nous nous sommes également intéressés à la caractérisation de l'urbanisation par des mesures de structure du paysage urbain, en complément de mesures plus classiques (imperméabilité et fraction de surface urbaine). 3) Nous avons ensuite étudié les variables qui expliquent le mieux chaque variable hydrologique de bassin (module et débits caractéristiques de crue et d'étiage. 4) Nous avons enfin utilisé un modèle hydrologique permettant de synthétiser le comportement du bassin versant au cours e son urbanisation.Les résultats ont montré que l'approche par modélisation hydrologique permettait de quantifier d'une façon satisfaisante l'impact du changement d'occupation du sol. Cette approche par modélisation donne des résultats proches de celle par bassins appariés. La thèse met également en évidence que l'impact de l'urbanisation sur la réponse hydrologique du bassin versant reste difficile à généraliser. En effet, une majorité de bassins versants urbains ne présente pas de tendance significative sur les caractéristiques hydrologiques analysées (débits caractéristiques de crue et d'étiage). Enfin, les caractéristiques de fragmentation du paysage urbain fournissent des éléments complémentaires aux mesures plus classiques de l'urbanisation.
