Un parcours dans l'étude des phénomènes extrêmes en hydrologie

Ce memoire paraitra certainement un peu volumineux. Etait-il bien necessaire d'ecrire autant de pages pour un memoire d'habilitation a diriger des recherches et d'infliger sa lecture aux membres du jury, alors que cela n'est pas impose par les regles non ecrites de l'exercice ? Je me suis moi-meme pose la question a plusieurs reprises au cours de cette redaction. A quoi bon depenser du temps et de l'energie pour un document qui sera peu lu et que l'on ne comptabilisera pas au rang des publications importantes ? La reponse est que j'avais besoin de mettre sur le papier ce que contient ce memoire, de reveler la logique d'un parcours de recherche diversifie mais non pas disperse qui m'a conduit des mathematiques a l'hydrologie des processus en passant par le terrain et de montrer comment cette divagation dans le monde de la recherche hydrologique nourrit une reflexion sur l'avenir de cette discipline. Trier trop severement dans les activites passees afin de raccourcir le memoire n'aurait pas permis de reveler cette logique d'ensemble. Ce memoire est structure en trois parties. Il debute par une excursion dans le monde de l'hydrologie mathematique qui m'a naturellement attire compte tenu de ma formation d'ingenieur. Les possibilites et les limites de differents outils mathematiques qui ont fait recemment l'objet de recherches et de publications en hydrologie y sont etudiees. A l'exception du chapitre 3, les autres chapitres de cette partie conduisent au meme constat : les modeles mathematiques ne sont que des representations tres imparfaites de la realite perceptible au travers des jeux de donnees mesurees disponibles. Il est donc plus qu'hasardeux de fonder des conclusions generales concernant la relation pluie-debit, sur la base de modeles mathematiques ajustes a partir de donnees mesurees souvent peu nombreuses et entachees d'incertitudes. Il est encore plus illusoire de vouloir en tirer des enseignements sur les extremes hydrologiques. Ce constat m'a conduit a rechercher directement sur le terrain des donnees complementaires sur les extremes hydrologiques - principalement les crues extremes - et a tenter de les exploiter. C'est de cette demarche que temoigne la seconde partie de ce memoire. Deux pistes complementaires ont ete suivies : la collecte et l'exploitation d'informations immediatement apres une crue importante sur le ou les bassins versants touches (i.e. les retours d'experience ou enquetes hydrologiques) et la recherche de donnees sur les crues majeures anciennes ou historiques. Cette recherche s'est averee fructueuse et riche en enseignements. Elle debouche cependant sur de nouvelles questions concernant la dynamique de la reponse pluie-debit des bassins versants soumis a des pluies intenses et l'influence possible de leurs caracteristiques geologiques, morphologiques ou pedologiques. Pour y repondre, une analyse des processus hydrologiques a petite echelle est necessaire. La derniere partie de ce memoire, consacree aux perspectives, s'ouvre donc sur le champ de l'hydrologie experimentale, celle des processus. J'ai pour le moment aborde la question de la genese des ecoulements sur les versants au travers de la modelisation numerique - on resiste difficilement a ses penchants naturels. Le temps de la confrontation aux versants reels me semble cependant venu. Le bassin versant ideal de l'hydrologue de surface, celui sur lequel se mettent en place les zones saturees contributives, possede un sol plus ou moins profond sur un substratum impermeable. Or sur de nombreux bassins versants, les aquiferes profonds jouent un role important en periode de crues mais aussi et surtout en periode d'etiage. Pour couvrir l'ensemble du cycle de l'eau qui est l'objet d'etude principal de l'hydrologie et etre en mesure d'aborder serieusement l'autre phenomene extreme de l'hydrologie que sont les etiages, les hydrologues devront s'interesser au fonctionnement des aquiferes souterrains et en particulier a leur recharge et donc se rapprocher des hydrogeologues. C'est une perspective a plus long terme que nous evoquerons a la fin de cette troisieme partie. Ce memoire se clot sur une courte reflexion sur la nature de l'hydrologie et sur la place de la modelisation, de l'observation et de l'experimentation. L'hydrologie est une science de la nature ; elle doit fondamentalement reposer sur l'observation non pas simplement limitee a la mesure des pluies et des debits mais elargie a tous les indicateurs potentiels de la circulation de l'eau dans les bassins versants. Mais l'hydrologie est aussi une science qui doit pouvoir mobiliser les ressources de la modelisation et de l'experimentation. L'observation, l'experimentation et la modelisation sont donc trois approches complementaires qui, afin qu'elles puissent se nourrir l'une l'autre, devraient idealement etre menees de front par les memes equipes de recherche si ce n'est par les memes chercheurs. Afin de faciliter la lecture du memoire, chaque partie comporte deux courts chapitres d'introduction et de synthese. Chaque chapitre est de plus precede d'un resume et d'une liste de mes publications qui s'y rattachent. J'ai tente d'etre didactique, en particulier dans la premiere partie de ce memoire. On ne l'est certainement jamais assez et quelques cobayes pourtant bien choisis m'ont fait remarquer que la lecture de certains chapitres mathematiques restait ardue. Ce memoire peut cependant se lire par morceaux. Les chapitres de la premiere partie sont independants. Ils illustrent, a l'exception du chapitre 3, une meme idee, reprise en conclusion : les limites de l'approche mathematique lorsqu'elle n'est par realimentee regulierement par l'experience et la connaissance. Il est donc possible de lire l'introduction, une illustration puis la conclusion avant de revenir a la lecture d'autres chapitres d'illustration de cette partie. La redaction de ce memoire a ete pour moi un plaisir : plaisir de reprendre et de remettre en forme des travaux parfois anciens, plaisir de montrer le fil conducteur d'un parcours qui peut paraitre au premier abord disperse, plaisir de plaider pour une hydrologie qui tout en etant une discipline d'ingenieurs peut aussi revendiquer sans complexe le titre de science.