Modélisation statistique de la géométrie hydraulique des tronçons de cours d'eau et applications dans la gestion écologique des bassins versants

Intercontinental modeling of the hydraulic geometry of stream reaches and applications for the ecological management of catchments

• Auteur / Autrice : Maxime Morel
• Direction : Nicolas Lamouroux, Frédéric Gob
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie, interaction et biologie des organismes
• Date : Soutenance le 14/05/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géographie physique (Thiais, Val-de-Marne ; 1898-....) - Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France). Centre de Lyon-Villeurbanne
• Jury : Président / Présidente : Pierre Marmonier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Lamouroux, Frédéric Gob, Maria-Teresa Ferreira, Stuart N. Lane, Michel Tal, Anne Vivier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria-Teresa Ferreira, Stuart N. Lane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrologie des versants

Écoulement (hydrologie)

Modèles hydrologiques

Écologie des cours d'eau

Mots clés libres

Géométrie hydraulique

Habitats aquatiques

Hydromorphologie

Gestion des bassins versants

Modélisation des rivières

Reach hydraulic geometry,,,,

Physical habitat

Hydromorphology

Catchment management

River modelling

Résumé

Les variations temporelles et spatiales des caractéristiques hydrauliques des cours d’eau (c.-à-d. largeur mouillée, hauteur d’eau, vitesse du courant) à travers les réseaux hydrographiques influencent les habitats physiques et la biodiversité, la température de l'eau, les flux de nutriments et de polluants, le transport des sédiments et les services écosystémiques associés. Par conséquent, de meilleures descriptions hydrauliques des bassins versants sont essentielles pour de nombreuses applications écologiques, y compris la définition des débits écologiques, la bonne gestion des pollutions et la restauration des habitats. Les relations de géométrie hydraulique « stationnelle » décrivent les changements temporels de la hauteur d’eau, de la largeur mouillée et de la vitesse avec le débit dans un tronçon de cours d’eau donné. Les relations de géométrie hydraulique « longitudinale » décrivent les changements spatiaux des caractéristiques hydrauliques le long d'un cours d’eau ou entre des tronçons, à un débit de référence donné (par exemple, le débit médian ou le débit moyen annuel de crue). Bien que les variations des deux relations aient été largement documentées, elles sont encore peu comprises. Ces travaux de thèse visent à améliorer les connaissances sur les relations de la géométrie hydraulique et à développer des modèles qui prédisent les caractéristiques hydrauliques à travers les réseaux hydrographiques en utilisant un important jeu de données intercontinentales de mesures hydrauliques à l'échelle du tronçon. Pour prédire les paramètres de la géométrie hydraulique, de nombreuses variables mesurées sur le terrain, cartographiées ou issues de la télédétection ont été analysées dans cette étude. Ces travaux montrent que la géométrie hydraulique est bien expliquée par des modèles intercontinentaux, suggérant une grande généralité de nos modèles. Les modèles de géométrie hydraulique qui en résultent présentent un potentiel considérable pour améliorer les outils de gestion à l'échelle nationale et/ou du bassin versant. À titre d'exemple d'application écohydraulique, les modèles sont utilisés pour estimer les impacts du changement climatique sur les habitats hydrauliques des poissons dans un grand bassin versant

Temporal and spatial variations of river hydraulic characteristics (i.e. wetted width, water depth, flow velocity) across stream networks influence physical habitats and biodiversity, water temperature, nutrient and pollutants fluxes, sediment transport and associated ecosystem services. Therefore, improved hydraulic descriptions of catchments are essential for many ecological applications including the definition of ecological flows, the sound management of pollutions and the restoration of habitats. "At-a-station hydraulic geometry" relationships describe temporal changes in water depth, wetted width and velocity with the discharge at a given river reach. "Downstream hydraulic geometry" relationships describe spatial changes in hydraulics along a river or between reaches, at a given reference flow discharge (e.g., the median flow or mean annual flood flow). Although variations of both relationships have been widely documented, they are still largely unexplained. This work aims to improve knowledge about hydraulic geometry relationships and to develop models that predict hydraulic characteristics across river networks using an important intercontinental dataset of hydraulic measurements at reach scale. To predict hydraulic geometry parameters, many field-based, map-based or remotely sensed variables were analyzed in this study. This work show that hydraulic geometry is well explained by an intercontinental model, suggesting high generality of our models. The resulting hydraulic geometry models present considerable potential for improving national and/or catchment scale management tools. As an example of ecohydraulic application, we use our models to estimate the impacts of climate change on hydraulic habitats for fish in a large catchment