Thèse Impact de la Morphologie des Réseaux Hydrographiques sur la Propagation de Crue H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : HSM - Hydrosciences Montpellier
Direction de la thèse : Nanée CHAHINIAN ORCID 0000000200375377
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

De nombreux modèles hydrologiques de crues ont été développés pour simuler le transfert d'eau, de solutés et de matière lors d'événements pluvieux. Ils nécessitent des données spatialisées et permettent de calculer les flux en différents points du bassin versant. Ils différent essentiellement par les hypothèses de fonctionnement hydrologique, par la procédure de segmentation spatiale du bassin versant, par la représentation des liens entre les versants et le réseau hydrographique et les stratégies de paramétrisation (Blöschl, 2001).

L'avènement des modèles numériques de terrain (MNT) a vu l'émergence de nouvelles approches pour extraire le réseau hydrographique, calculer des descripteurs morphométriques et les relier à la réponse hydrologique des bassins versants (voir une synthèse dans Rinaldo et Rodriguez-Iturbe, 1997). Moussa (2003, 2009) a proposé de nouveaux descripteurs pour basés sur des noeuds critiques plutôt que des surfaces drainées Récemment, Andrieu et al. (2021) ont proposé une nouvelle approche originale pour introduire la pluie spatialisée dans le calcul de l'Hydrogramme Unitaire Géomorphologique (HUG) et l'ont appliqué sur 15 bassins méditerranéens (Andrieu et al., 2025).

Ces développements pourraient être très utiles pour la détermination de la réponse hydrologique de bassins versants non-jaugés sur lesquels il n'est pas possible de caler des modèles hydrologiques traditionnels. Cependant, l'écrasante majorité des travaux de recherche disponibles dans la littérature s'est concentrée sur les réseaux hydrographiques naturels où la pente est le moteur de l'écoulement et de l'organisation géomorphologique. Très peu de travaux ont été réalisés sur des bassins anthropiques (urbains ou agricoles) et très peu tiennent compte de la variabilité spatiale de la pluie. Une première tentative a été faite pour appliquer ces descripteurs à 12 bassins versants du réseau d'assainissement unitaire du Grand Paris et les comparer à ceux obtenus pour des bassins naturels, urbains et agricoles (Achour, 2023). L'objectif de cette thèse est d'approfondir ces travaux. Il s'agit : i) d'étudier l'évolution de ces descripteurs en fonction de la forme des réseaux hydrographiques, et de mettre en évidence les facteurs ou les configurations qui entrainent un non-respect des lois d'échelle sur des bassins versants anthropisés; ii) d'étudier l'évolution de la fonction de transfert géomorphologique en fonction de l'évolution temporelle de la forme du réseau, de la variabilité spatiale de la pluie et de l'impact des aménagements ; iii) d'appliquer la méthodologie pour la simulation des crues. Des études de cas seront faites : i) sur des bassins versants naturels du Nord (France) et du Sud (Afrique, Proche Orient). ii) sur des bassins versants urbains du Nord (France) et du Sud (Afrique, Proche Orient) iii) sur des bassins versants agricoles : bassin versant de Roujan (Observatoire ORE OMERE).

De nombreux modèles hydrologiques de crues ont été développés pour simuler le transfert d'eau, de solutés et de matière lors d'événements pluvieux. Ils nécessitent des données spatialisées et permettent de calculer les flux en différents points du bassin versant. Ils différent essentiellement par les hypothèses de fonctionnement hydrologique, par la procédure de segmentation spatiale du bassin versant (« effets d'échelle spatiale » : global, semi-distribué ou distribué avec maillage régulier ou en unités hydrologiques), par la représentation des liens entre les versants et le réseau hydrographique et les stratégies de paramétrisation (Blöschl, 2001).
La segmentation spatiale du bassin versant en unités élémentaires, la représentation du réseau hydrographique et la paramétrisation ne sont pas des tâches simples (Boyle et al., 2001) et dépendent des données spatiales disponibles : pluie, sol, occupation du sol, géométrie du réseau, etc. (Blöschl et Sivapalan, 1995 ; Blöschl, 2001 ; Moussa, 2008). Le choix de la segmentation spatiale la plus adéquate est un compromis entre l'objectif de la modélisation (fonction critère), les incertitudes sur les données et le temps de calcul (Moussa, 2003b ; Das et al., 2008). L'organisation du réseau hydrographique, et la variabilité spatiale de la pluie et des sols jouent un rôle majeur dans la réponse d'un bassin versant en crue.
L'avènement des modèles numériques de terrain (MNT) a vu l'émergence de nouvelles approches pour extraire le réseau hydrographique des MNT, caractériser la structure du réseau, segmenter l'espace en unités hydrologiques et calculer la réponse hydrologique (voir une synthèse dans Rinaldo et Rodriguez-Iturbe, 1997). Moussa (2003, 2009) a proposé de nouveaux descripteurs pour caractériser la relation entre la forme du réseau et la réponse hydrologique et guider le modélisateur dans la segmentation spatiale du bassin versant et la représentation du réseau hydrographique. Récemment, Andrieu et al. (2021) ont proposé une nouvelle approche originale pour introduire la pluie spatialisée dans le calcul de l'Hydrogramme Unitaire Géomorphologique (HUG) et l'ont appliqué sur 15 bassins méditerranéens (Andrieu et al., 2025).
Ces développements pourraient être très utiles pour la détermination de la réponse hydrologique de bassins versants non-jaugés sur lesquels il n'est pas possible de caler des modèles hydrologiques traditionnels. Cependant, l'écrasante majorité des travaux de recherche disponibles dans la littérature s'est concentrée sur les réseaux hydrographiques naturels où la pente est le moteur de l'écoulement et de l'organisation géomorphologique. Très peu de travaux ont été réalisés sur des bassins anthropiques (urbains ou agricoles) et très peu tiennent compte de la variabilité spatiale de la pluie. Une première tentative a été faite pour appliquer ces descripteurs à 12 bassins versants du réseau d'assainissement unitaire du Grand Paris et les comparer à ceux obtenus pour des bassins naturels, urbains et agricoles (Achour, 2023). Les résultats indiquent que pour certains bassins versants les lois d'échelle sont vérifiées alors que pour d'autres elles ne le sont pas. L'objectif de cette thèse est d'approfondir ces travaux. Il s'agit : i) d'étudier l'évolution de ces descripteurs en fonction de la forme des réseaux hydrographiques, et de mettre en évidence les facteurs ou les configurations qui entrainent un non-respect des lois d'échelle sur des bassins versants anthropisés; ii) d'étudier l'évolution de la fonction de transfert géomorphologique en fonction de l'évolution temporelle de la forme du réseau, de la variabilité spatiale de la pluie et de l'impact des aménagements ; iii) d'appliquer la méthodologie pour la simulation des crues. Des études de cas seront faites : i) sur des bassins versants naturels du Nord (France) et du Sud (Afrique, Proche Orient). ii) sur des bassins versants urbains du Nord (France) et du Sud (Afrique, Proche Orient) iii) sur des bassins versants agricoles : bassin versant de Roujan (Observatoire ORE OMERE).

Il s'agit de caractériser l'arborescence des réseaux hydrographiques naturels et anthropiques (urbains et agricoles) et d'étudier l'impact de la forme du réseau et de la pluie spatialisée sur la réponse hydrologique des bassins versants. De façon plus précise, il s'agira :
1. D'extraire les métriques d'organisation structurelle.
2. D'étudier l'évolution des propriétés morphométriques en comparant les métriques correspondant à l'architecture du réseau sur différents bassins et à différentes dates.
3. Calculer la réponse hydrologique et analyser l'impact sur les débits simulés de l'évolution de la forme du réseau et du champ pluvieux.

La méthode proposée comporte trois étapes :
i) Calcul des caractéristiques morphométriques des réseaux hydrographiques.
ii) Calcul des fonctions de transfert à partir des descripteurs morphométriques.
iii) Applications pour une modélisation hydraulique des événements de crues.
Les applications seront faites :
i) sur des bassins versants naturels de la façade Méditerranéenne et en Afrique (Bases de Données IRD).
ii) sur des bassins versants urbains : région parisienne (Achour, 2023), Montpellier, Abidjan, etc.
iii) sur des bassins versants agricoles : bassin versant de Roujan (Observatoire ORE OMERE), et autres bassins agricoles.
Les bassins naturels sont considérés comme des bassins de références pour vérifier certaines propriétés d'invariance d'échelle caractéristiques. On comparera les propriétés morphométriques des bassins naturels (i.e. lois de Horton-Strahler, lois de Rodriguez-Iturbe et Rinaldo, lois de Moussa-Bocquillon, modèle d'Andrieu et al. (2021)) à celles des bassins anthropisés urbains et agricoles. De plus, nous étudierons l'évolution dans le temps de la morphologie du réseau hydrographique (i.e. avant et après aménagement), et analyserons l'impact de cette évolution ainsi que des aménagements sur la réponse hydrologique du bassin versant.

- Master ou Ingénieur en Hydrologie, Hydraulique, Sciences de l'Environnement ou Mathématiques Appliquées.
- Connaissances en Systèmes d'Informations Géographiques.
- Connaissances en programmation - de préférence Matlab et Python.
- Connaissances en modélisation hydrologique/hydraulique.
- Capacité de travail en équipe pluridisciplinaire.