Thèse Compréhension des Hot-Spots de Connectivité Hydrologique dans les Petits Bassins de Tête Sous Climat Méditerranéen H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes
Laboratoire de recherche : Institut des Géosciences de l'Environnement (IGE)
Direction de la thèse : Guillaume NORD ORCID 0000000155419368
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-22T23:59:59

Une particularité des bassins versants montagneux de tête sous climat méditerranéen est la très forte dynamique temporelle de la réponse hydrologique. Une partie prépondérante des flux d'eau et de matière associée est exportée hors du bassin en quelques heures, lors des plus forts débits de crue. Cependant, de nombreux bassins de tête sont également confrontés à une tension croissante sur la ressource en eau sous l'effet du dérèglement climatique et de la multiplication des usages. Il existe une alternance rapide et prononcée entre périodes humides et sèches dont il convient de comprendre le fonctionnement. Ce projet de thèse propose d'élaborer un cadre méthodologique combinant données in situ, télédétection et recherche participative pour produire de nouvelles générations de données très résolues aux échelles fines alimentant des modélisations hydrologiques et hydrogéologiques contraintes par la dynamique spatio-temporelle du réseau de drainage actif.

Les bassins versants de méso-échelle (~10-10² km²) sont de taille adéquate pour la gestion de la ressource en eau à l'échelle des territoires (i.e syndicats des eaux et de rivière). Ils sont caractérisés par une diversité d'usages et de pédo-lithologies. Ces bassins sont particulièrement vulnérables aux changements globaux car les aquifères superficiels qui les soutiennent sont peu abondants et relativement mal connus, notamment dans les régions montagneuses [1]. Dans les régions du sud de la France, et plus particulièrement dans la zone méditerranéenne, on constate une alternance de périodes marquées par des pluies intenses et crues rapides et de longues périodes de sécheresse. Les enjeux sociétaux alternent entre risques hydrométéorologiques et insuffisance de ressource en eau en l'espace de quelques semaines.
Dans ces milieux, une partie prépondérante des flux d'eau et de matière associée est exportée hors du bassin versant en quelques heures, lors des plus forts débits de crue [2]. Ces « hot moments » se produisent lorsque les écoulements rapides de versant (i.e. ruissellement de surface ou écoulement interstitiel à travers les macropores du sol) sont activés [2, 3]. Les effets locaux (érosion du sol) et les impacts à l'aval (inondation, dépôt de boue, contaminations variées) des écoulements rapides sont en partie contrôlés par la saisonnalité et la variabilité spatiale et temporelle des précipitations [4]. Il est donc essentiel d'identifier où et quand ces processus se produisent, d'autant plus que les événements extrêmes ont tendance à s'intensifier avec le dérèglement climatique [5].
La connectivité hydrologique interne des bassins versants est conditionnée par l'état d'humidité général [2, 3, 6], qu'il s'agisse d'écoulements rapides de versants ou de nappes. Au sein de la communauté hydrologique, l'estimation de la contribution des aquifères superficiels aux écoulements de crue est souvent mal connue voire négligée [1]. Par ailleurs, même s'il est admis que les aquifères superficiels jouent un rôle dominant pendant les périodes sans précipitation en alimentant de manière permanente ou temporaire les petits cours d'eau, la compréhension de leur dynamique spatiale et temporelle est très partielle. Il semble donc important d'étudier le lien entre les aquifères superficiels et le réseau hydrographique en rapprochant les communautés hydrologiques et hydrogéologiques.
Le réseau hydrographique de tête, composé des cours d'eau de 1er et 2ème ordre [7, 8] peut être considéré comme un proxy de la connectivité hydrologique des bassins versants. Jusqu'à présent, les cours d'eau de tête ont été peu étudiés d'un point de vue hydrologique [9, 10], alors que de nombreuses études soulignent leur importance dans les cycles biogéochimiques [11] et dans la biodiversité des milieux fluviaux [12] en raison de leur position stratégique à l'interface entre les environnements terrestres et aquatiques. Le concept de réseau de drainage actif est apparu récemment [13]. Il s'agit du réseau hydrographique dont l'extension linéaire évolue au cours du temps (expansion-contraction) au rythme de l'humidification-assèchement du bassin. Ce réseau de drainage actif est conceptualisé comme le lieu d'intersection entre les aquifères superficiels et le réseau hydrographique. L'intermittence est intrinsèquement liée à cette respiration linéaire du réseau.
De nouvelles observations spatialisées sont nécessaires pour cartographier le ruissellement de surface et l'extension du réseau de drainage actif. La télédétection semble un outil approprié pour répondre à ce besoin. Toutefois, les produits satellitaires n'ont pas la résolution spatiale et temporelle suffisante pour documenter les échelles fines [14, 15]. La télédétection par drone est une alternative intéressante et prometteuse pour répondre à ces enjeux [16]. De nouvelles approches sont apparues pour cartographier les petits cours d'eau par altimétrie radar, LiDAR, caméra thermique et photogrammétrie [17-20] et les états de surface par caméra multispectrale ou hyperspectrale [21]. La recherche collaborative peut également apporter des informations complémentaires pour les études aux échelle fines. Des exemples en Suisse ont montré l'intérêt et les limites de cette approche [22, 23].
Des études récentes se sont intéressées au contrôle exercé par les aquifères superficiels sur les écoulements intermittents dans les têtes de réseau hydrographique [24, 25]. Ces études ont montré le potentiel d'utiliser la distribution spatiale du réseau de drainage actif pour contraindre un modèle hydrogéologique à base physique (MODFLOW) et déterminer les propriétés hydrodynamiques moyennes (porosité, conductivité hydraulique) des aquifères superficiels. Ces travaux ont d'abord été réalisés en utilisant un réseau de drainage statique puis avec un réseau de drainage dynamique qui prend en compte l'expansion-contraction linéaire et donc l'intermittence associée. Cette approche, mise au point pour des bassins de méso-échelle, est facilement transférable à de nouveaux bassins car elle est relativement parcimonieuse en données.
Des travaux en cours impliquant des membres de l'équipe « Hydrosystems » de l'IGE visent à décomposer les hydrogrammes de crue à l'exutoire de bassins versants à partir de modèles de mélanges géochimiques. L'objectif est de déterminer les contributions respectives des écoulements de surface provenant du ruissellement et des écoulements souterrains provenant des aquifères en distinguant plusieurs zones du bassin en fonction de la nature géologique du substratum [26, 27]. Dans l'étude menée par [27], le modèle hydrologique distribué à processus J2000P a été appliqué avec un module de traçage numérique qui permet de décomposer les hydrogrammes selon les mêmes sources que dans le modèle de mélange géochimique. Une comparaison des résultats des deux outils a été menée. La présence ou l'absence de ruissellement est un élément fortement discriminant pour évaluer la pertinence des simulations numériques. Toutefois, l'évaluation se limite à la comparaison des résultats à l'exutoire du bassin. Des observations spatialisées du ruissellement permettraient d'évaluer plus finement les résultats du modèle.
Ce projet propose donc un cadre méthodologique combinant nouvelles générations d'observation (à base de télédétection par drone) et modélisation avec un modèle hydrologique et un modèle hydrogéologique pour améliorer notre compréhension du fonctionnement interne du bassin versant. Dans ce projet, nous prévoyons de travailler à l'échelle du petit bassin versant (~ km²) pour faire la preuve de concept de l'approche méthodologique, avant de pouvoir l'étendre au bassin de méso-échelle au-delà de ce projet.

L'objectif général de ce projet de thèse est d'élaborer un cadre méthodologique pour étudier la connectivité hydrologique au sein des bassins versants montagneux de tête de la région méditerranéenne soumis à des périodes alternées de fortes précipitations et de sécheresses prolongées, en combinant données in situ, télédétection, recherche participative et modélisation distribuée. Nous formulons l'hypothèse que nous pouvons mieux comprendre le fonctionnement interne des bassins versants à la fois pendant les périodes de sécheresses et de crues, et promouvoir l'appropriation des connaissances par les acteurs locaux et les citoyens en 1) produisant des données nouvelles à haute résolution, telles que l'expansion-contraction du réseau de drainage actif et le ruissellement sur versant, et 2) proposant un cadre de modélisation approprié combinant l'hydrologie de la zone vadose et l'hydrogéologie des aquifères peu profonds.
Les objectifs finalisés sont :
(i) Exploiter les potentialités des acquisitions par télédétection drone altimétrique et multispectral pour 1) obtenir une carte d'extension du réseau de drainage actif, 2) cartographier les zones d'apparition du ruissellement sur versant et, dans la mesure du possible, caractériser les propriétés hydrodynamiques des sols en surface ;
(ii) Modéliser la distribution spatiale et temporelle de la contribution des aquifères superficiels au réseau hydrographique, en particulier lors des périodes d'étiage et de crue ; évaluer la capacité du modèle J2000P déjà en place sur le site d'étude à reproduire le processus de ruissellement sur versant et améliorer la calibration du modèle.

Ce projet s'appuie sur le site « Olivier de Serres » (OdS) du Service National d'Observation (SNO) « Observatoire hydrométéorologique méditerranéen Cévennes Vivarais » (OHMCV), qui fait partie de l'infrastructure de recherche pour l'étude de la zone critique OZCAR. Le site OdS, situé en Ardèche et comprenant 3 bassins versants emboîtés (Gazel/Claduègne/Auzon), est consacré à l'étude des crues rapides et transferts de matière associée (matières en suspension, contaminants diffus, nutriments). Ce projet de thèse se concentre sur le bassin versant du Gazel (3,5 km²) qui est équipé pour le suivi en continu et à haute résolution temporelle (~min) des précipitations et des flux en rivière depuis 2010 [28]. Le site OdS sera aussi « équipe d'accueil » pour le déploiement de nouveaux capteurs TERRA FORMA suite à l'appel à manifestation d'intérêt TERRA FORMA.
Une annexe de l'Université Grenoble Alpes et du laboratoire Pacte, le CERMOSEM, est située au coeur du bassin versant du Gazel, dans le domaine du Pradel. Le CERMOSEM est hébergé au sein de l'établissement public local d'enseignement et de formation professionnelle agricole « Olivier de Serres » qui est composé d'un Lycée d'Enseignement Général, Technologique et Professionnel Agricole (LEGTPA), d'un Centre de Formations pour Adultes et Apprentissage (CFPPA-OFA), d'une Exploitation Agricole (avec 2 ateliers : Atelier caprin et Atelier viticole) et du Centre Olivier de Serres (Animation du Domaine du Pradel et Chantier d'Insertion).

1)Cartographie du réseau de drainage actif
Nous utilisons les radars de niveau d'eau et de vitesse de surface de l'eau depuis une quinzaine d'année sur nos sites d'observation [28, 29]. Plus récemment, à travers l'Equipex+ TERRA FORMA et au Carnot Eau & Environnement (projet ARRise), nous sommes impliqués dans le développement d'une nouvelle génération de capteurs connectés (LoRa). Notre contribution porte sur le développement d'une station low-tech et low-cost pour le suivi des débits dans les petites rivières en zone de relief. La station est composée de deux modules indépendants : un module à base de LiDAR pour le suivi de la topo-bathymétrie (BathyLiDAR) et un module à base de radars pour le suivi des propriétés hydrauliques (niveau et vitesse) de l'écoulement (HydroSannR). En intégrant des capteurs issus du monde industriel, nous montons en compétence en radar altimétrique et radar Doppler. Le radar altimétrique semble avoir un potentiel très discriminant pour distinguer les zones en eau (rivières, lacs) et les zones terrestres sans eau, ce qui ouvre des perspectives pour cartographier le réseau de drainage actif [18]. Avec le soutien de la plateforme drone de l'IGE, nous intégrerons un radar altimétrique porté par un drone équipé d'une centrale inertielle. Nous disposons d'un contrat de 3 mois de CDD IE financé par le projet ZABR Hotspot pour réaliser cette intégration, faire des tests in situ (altitude du drone, vitesse de vol) et exploiter les premières données.
La méthode de cartographie du réseau de drainage actif par drone altimétrique (résolution décimétrique) sera mise au point par le.la doctorant.e recruté.e. Ce produit constituerait une innovation remarquable. Nous prendrons contact avec F. Bandini (Technical University of Denmark) qui a de l'expérience dans l'intégration de radars portés par des drones. Plusieurs campagnes de cartographie du réseau de drainage actif du bassin du Gazel seront effectuées au cours de la première moitié de la thèse dans différentes conditions hydrologiques bien contrastées afin de déterminer l'amplitude linéaire maximale et minimale du réseau. La plateforme drone de l'IGE mettra à disposition un télépilote.
L'expertise instrumentale en mesures radar est importante mais relativement rare à l'OSUG. Il est important de la renforcer car les radars sont utilisés dans de nombreuses applications en sciences de la Terre (e.g. géoradar en géophysique et glaciologie, interférométrie radar en déformation du sol, radar météorologique, radar altimétrique et Doppler pour les eaux continentales et les océans). Nous envisageons de prendre contact avec des spécialistes du traitement de la forme d'onde du radar altimétrique au cours de la thèse. Des experts ont été identifiés au LEGOS, à IETR Rennes, au CNES et à l'étranger (Danemark et Italie).

2)Cartographie du ruissellement et des états de surface
Les données multispectrales ont été largement utilisées en télédétection satellitaire pour cartographier les types de végétation et la production végétale [14]. En combinant un produit multispectral (Sentinel-2) et des images optiques à haute résolution (Pléiades), [30] ont montré qu'il était possible de cartographier les motifs laissés par le ruissellement sur versants lors d'évènements extrêmes (e.g. Aude 15/10/2018 ; Alpes Maritimes 02/10/2020). Cette approche pourrait être testée sur notre site d'étude mais la probabilité d'observer un évènement extrême au cours de la période de la thèse est faible. Par ailleurs, nous souhaitons mettre en évidence l'occurrence du ruissellement dans des conditions plus ordinaires. Le ruissellement en nappe ou en rigole est susceptible de laisser des traces sur les versants sous l'effet des processus d'érosion/dépôt, de changer la rugosité ainsi que la teneur en eau et les propriétés hydrodynamiques de surface [31, 32, 6]. Nous voulons tester si ces changements sont détectables par caméra multispectrale portée par un drone [21], a minima pour les sols nus (vignes, surfaces labourées) ou faiblement végétalisés (prairies pâturées). Nicolas Robinet, ingénieur géomaticien au CERMOSEM dispose d'un drone équipé d'une caméra multispectrale. Il participera aux campagnes de télédétection en soutien à la plateforme drone de l'IGE. D'autres capteurs (LiDAR, caméra optique et caméra thermique) pourront être embarqués pour apporter des informations complémentaires. Les vols seront réalisés par un télépilote de la plateforme drone de l'IGE pour acquérir des données après les évènements pluvieux intenses (24h ou 48 h après l'arrêt des précipitations). Un nouveau porteur drone sera acheté en 2026 avec les crédits du projet ZABR Hotspot pour respecter la nouvelle réglementation européenne.
Enfin, la caméra hyperspectrale développée dans le cadre du projet TERRA FORMA par l'IPAG [33] pourrait être testée afin d'apporter une plus grande richesse d'informations spectrales. Les approches spectrales et multi-capteurs en télédétection par drone représentent des outils pertinents pour l'étude des surfaces continentales aux échelles fines. Leurs applications couvrent des domaines variés de l'OSUG (sol, végétation, glacier, neige, lac et rivière). Il y a une réelle plus-value à développer des expertises dans ce domaine. Nos travaux contribueront à l'atelier drone de l'OSUG. Les données acquises seront bancarisées dans le portail Theia pour plus de visibilité nationale.

3)Recherche collaborative
En complément des approches physiques, nous prévoyons de faire de la science citoyenne. Celle-ci offre le double avantage de s'ancrer dans le territoire dans lequel nous travaillons et d'apporter des données complémentaires à nos observations. Une application mobile (CrowdWater) a été développée par l'Université de Zürich. Cette application permet de renseigner et de géolocaliser des informations telles que l'état des cours d'eau temporaire et l'humidité du sol. Grâce au laboratoire Pacte et son ancrage local via le CERMOSEM, nous avons l'opportunité de sensibiliser les habitants et les acteurs du territoire à l'utilisation de cette application. Nous avons déjà organisé des réunions publiques à destination des habitants et des acteurs locaux. Par le biais de la science citoyenne, nous pourrons collecter des données permettant de valider la cartographie du réseau de drainage actif et d'enrichir l'échantillonnage temporel. L'observation du ruissellement pourra aussi être renseignée dans la catégorie « humidité du sol » de l'application mobile CrowdWater. Inversement, les observations issues de la télédétection représentent des supports de communication intéressants pour s'adresser au grand public et aux acteurs locaux.
J. Seibert de l'Université de Zürich sera invité à l'IGE pour une visite et un séminaire. Le.la doctorant recruté.e fera également une visite à l'Université de Zürich afin d'apprendre à exploiter les données de l'application CrowdWater.

4)Modélisation
Le modèle hydrologique J2000P, appliqué au bassin de la Claduègne par N. Hachgenei lors de son post-doc à INRAE Lyon dans le cadre de l'ANR CHYPSTER, sera utilisé. Le modèle est calibré et validé par comparaison à des données indépendantes de traçage géochimique [27]. Le modèle J2000P est spatialisé grâce à une discrétisation en unités hydrologiques représentatives dont la taille moyenne est de 3 ha. Le modèle représente la végétation et l'évapotranspiration, le sol non saturé qui comprend les processus de ruissellement, d'infiltration, d'écoulement matriciel et interstitiel à travers les macropores. Bien que J2000P permette aussi de représenter les écoulements dans la zone saturée, nous faisons le choix de modéliserces écoulements avec un modèle hydrogéologique à base physique (MODFLOW), en suivant l'approche développée par [24, 25]. Le modèle J2000P présente l'avantage de représenter, avec un degré de complexité approprié, les écoulements verticaux et latéraux dans la zone non saturée en utilisant un nombre modéré de paramètres. Le flux de percolation récupéré en pied de colonne de sol au pas de temps horaire sera utilisé comme terme de recharge de la nappe en entrée du modèle MODFLOW. Ceci constitue une innovation par rapport à l'approche proposée par [24, 25] qui utilisent le produit SURFEX de Météo-France comme terme de forçage au pas de temps journalier. Les séries temporelles de débit de la station du Gazel ainsi que les cartes de réseau de drainage actif obtenues à différentes saisons hydrologiques seront utilisées pour calibrer MODFLOW et déduire les paramètres moyens des aquifères superficiels (conductivité hydraulique et porosité du milieu). La contribution spatio-temporelle des flux de suintement des aquifères superficiels au réseau hydrographique du bassin du Gazel sera simulée. Le modèle MODFLOW sera déployé grâce à la plateforme HydroModPy. J. Marçais (INRAE, RiverLy) qui dispense un cours de modélisation hydrogéologique dans le master Hydroressources de l'UGA apportera son aide pour cette partie. C. Duwig et G. Nord ont suivi ce cours de modélisation sur HydroModPy en 2025. Par ailleurs, R. Abhervé (INRAE, SAS) est également prêt à apporter son expertise pour des points spécifiques. C. Roques de l'Université de Neuchâtel qui a contribué à élaborer l'approche développée par [24, 25] s'est déclaré très intéressé par nos approches de cartographie du réseau de drainage actif et sera certainement un partenaire pour de futurs projets.

En complément, la capacité du modèle J2000P à reproduire le ruissellement de versant observé par télédétection et science citoyenne sera évaluée. La calibration du modèle J2000P sera éventuellement améliorée sur la base de ces nouvelles observations.