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1. One current approach to the prediction of community characteristics is to use models of key local-scale processes (e.g., niche dimensions) affecting individuals and to estimate their effects over larger scales. We tested this approach, focusing on how the hydraulic habitat structures fluvial fish communities. We used a recent statistical habitat model to predict fish community characteristics in eleven reaches in the Rhône river basin in France. Predictions were made 'blindly', as most reaches were not used to calibrate the model. The model reflects species preferences for local hydraulics. We made predictions of the fish community from the local hydraulic conditions found in the reaches under low flow conditions. We predicted the overall abundance and the relative abundance (both as indices) of fish species, specific size classes, and species traits (reproductive, trophic, morphological and others). We summarised our predictions of the relative abundance of species as two 'community structure indices' using Principal Component Analysis. Our predictions from low flow hydraulics were compared with long-term observations of fish communities. The relative abundance of species actually observed depended largely on zoogeographic factors within the Rhône basin, which could not be predicted by the model. The model predicted 13 % of the variance in the indices of relative abundance at the species level and 23 % of this variance at the trait level for all zoogeographic regions combined. When focused on reaches within a geographic region, however, the model explained up to 47 % of the same variance. Therefore, geographic regions act as 'filters' on relative abundance of species, but hydraulics do affect fish communities within a given geographical context. For the synthetic 'community structure indices', we obtained good predictions from hydraulics independently of the geographical context (variance explained up to 95 %). These indices were linked to simple key hydraulic characteristics of river reaches (Froude and/or Reynolds number). They enabled interpretations of the links between hydraulics, geomorphology, discharge and community patterns. These links were consistent with existing knowledge of species and their traits. In addition to the above validations, the habitat model partly explained the observed effects of impoundment on fish communities. These results show that stream hydraulics strongly impact fish community structure. Consequently, they confirm that community characteristics can be predicted using models of the local-scale habitat requirements of the species forming the community., Une approche possible pour prédire les caractéristiques des communautés aquatiques consiste à modéliser les processus clés (ex: préférences d'habitat) à l'échelle des individus, et d'estimer leurs effets à plus large échelle. Nous avons testé cette approche pour prédire les caractéristiques de communautés de poissons en fonction de l'hydraulique fluviale. 2. Un modèle d'habitat statistique a été utilisé pour estimer les caractéristiques des communautés de 11 tronçons de cours d'eau du bassin du Rhône. Des prédictions ont été faites 'à l'aveugle', sur des sites non-utilisés pour construire les modèles. Le modèle d'habitat reflète les préférences locales des espèces. Nous en avons déduit les caractéristiques attendues des communautés sachant l'hydraulique des tronçons à l'étiage. Nous avons estimé des indices d'abondance globale et d'abondance relative des espèces, de leurs classes de taille, et de leurs traits biologiques (reproduction, morphologie, alimentation...). Les indices d'abondances relatives ont été résumés sous forme d'indices de structure de la communauté par Analyse en Composantes Principales. Les indices de structure de la communauté, eux, sont bien prédits (jusqu'à 95 % de variance expliquée) sur l'ensemble des sites. Ils sont liés à des résumés hydrauliques simples des tronçons (nombres de Froude, de Reynolds). Ces indices permettent une interprétation synthétique du rôle de l'hydraulique sur les peuplements, en accord avec les connaissances existantes sur les espèces et leur biologie. 5. Par delà ces validations, le modèle a permis d'expliquer en partie l'effet de l'aménagement du fleuve sur la structure des communautés. Ces résultats démontrent l'importance de l'hydraulique sur la structure des communautés de poissons. Ils confirment que certaines caractéristiques des communautés peuvent être prédites à partir de modèles ciblés sur les exigences locales des espèces de ces communautés.

International audience; Hydropeaking generates significant fluctuations in flow in downstream river reaches, resulting in frequent and major changes in the ohysical conditions of the fish habitat. The microhabitat methodology, derived from the IFIM, focuses on minimum flow studies in by-pass sections, but has been adapted to two rivers subject to daily flow fluctuations descriptors to take into account the temporal aspects of peaking flows and their effects on trout habitat, i.e. flow and habitat chronologies analysed in duration and frequency. Hydropeaking and the natural upstream flow regime were compared. The results show that habitat variations are closely related to the flow regime and site morphology; instances, hydraulic refugia are crucial for organisms to withstand the variations of physical variables. This approach helps in better understanding the physical limiting factors in situations of short-term flow fluctuations.; Le fonctionnement par éclusées engendre des fluctuations de débits à l'aval des ouvrages, qui s'accompagnent de modifications rapides et brutales des paramètres physiques de l'habitat des poissons. La méthode des microhabitats, dérivée de l'IFIM américain, a d'abord cherché à résoudre les problèmes de définition des débits réservés dans les secteurs court-circuités. Elle a été ici adaptée pour des rivières sujettent à éclusées (Ance du Nord et Oriège). Ce qui a supposé l'addition de nouveaux descripteurs de l'habitat pour tenir compte de ces aspects temporels, en particulier par la truite fario. La chronologie de débits et des habitats est analysée en terme de durée et fréquence. Les situations à éclusées sont comparées avec celles des secteurs témoins. Les résultats indiquent que les variations d'habitat sont très liés au règime des débits et à la morphologie ; les effets des éclusées sur les paramètres d'habitat différent dans les secteurs à profil encaissé de celles à profil évasé. Dans les deux cas, l'existence de refuges hydrauliques est essentielle pour que les organismes puissent supporter les variations des paramètres physiques. Cette approche aide à mieux comprendre l'effet des facteurs physiques limitants dans des situations de variations de débit à très court terme.

The quantification of management impacts on fish populations requires a reliable estimation of the local hydraulic variability. In the case of complex natural flows, deterministic hydaulic models are expensive and not adapted to the description of local velocities. Statistical descriptions of the velocity distribution as a function of easily obtained input variables are therefore an attractive alternative. Existing velocity data on several French stream segments with intermediate -to largescale roughness were analysed statistically to define a shape parameter of the point velocity frequency distributions. Dimensional analysis was used to model this shape parameter, and thereby the velocity distributions, as a function of simple average descriptors of stream reaches (discharge, mean roughness, mean depth, and mean width). Such predictive models of the physical habitat availability for fish in the probability domain can provide stream managers with cost-effective tools., La quantification des impacts de la gestion sur les populations de poisson nécessite de disposer d'estimations fiables de la variabilité hydraulique locale de l'habitat. Dans le cas de débits naturels complexes, les modèles hydrauliques déterminants sont chers et non adaptés à la description des vitesses locales. Des descriptions statistiques de la distribution des vitesses en fonction de variables plus aisément accessibles présentent une alternative interessante. Des données disponibles de vitesse sur plusieurs tronçons de cours d'eau français avec des rugosités médianes à grandes mailles ont été analysées statistiquement pour définir un paramètre de forme des distributions de fréquence des vitesses ponctuelles. Une analyse dimensionnelle a été utilisée pour modéliser ce paramètre de forme, ainsi que les distributions de vitesse, en fonction de simples descripteurs moyens du tronçon (débit, rugosité moyenne, hauteur d'eau moyenne et largeur moyenne). De tels modèles prédictifs de la disponibilité de l'habitat physique des poissons dans le domaine des probabilités est de nature à doter le gestionnaire des cours d'eau d'outils de décision d'un coût acceptable.

The actual main result of habitat simulation procedures is a static relationship between an index of potential habitat, e.g. Weighted Usable Area (WUA), versus discharge in a study reach representative of a stream. This paper presents a new methodology to analyse timing and magnitude of physical habitat variations. Three options are presented : the habitat time series, the habitat duration curves, and the continuous under threshold habitat duration curves (CUT curves). The last option is a new procedure to interpret habitat chronicles. It determines continuous durations during which total WUA in a study reach was lower than a given threshold. The assumption according to which some durations/thresholds values could represent limiting events for fish population dynamics was illustrated with surveys of two wild brown trout populations. We studied the relationship between spawning habitat conditions and the relative density of 0+ the year after. In this case a continuous duration of more than 20 days with spawning habitat conditions lower than 80 % of the optimum conditions, seemed to limit the number of 0+. Finally, this new procedure was presented like a potential helping tool to interpret natural discharge chronicle in a management point of view.; Le principal résultat des procédures de simulation de l'habitat est une relation statique entre un indice d'habitat potentiel, c'est-à-dire la Surface Utilisable Pondérée (WUA) et le déversement dans un cours d'eau représentatif du point de vue de l'étude. Cet article représente une nouvelle méthodologie d'analyse de la durée et de l'étendue des variations physiques de l'habitat. Trois options sont présentées : (i) la série de durée de l'habitat, (ii) les courbes de durée de l'habitat et (iii) les courbes de durée continue d'habitat (courbes CUT) sous le seuil (courbes CUT). La dernière option est une nouvelle procédure d'interprétation des chroniques de l'habitat. Elle permet de déterminer les durées continues pendant lesquelles la WUA totale d'un cours d'eau représentatif du point de vue de l'étude était inférieure à un seuil donné. La supposition selon laquelle certaines valeurs de durée/seuil freineraient la dynamique de la population des poissons est illustrée par les études de deux populations de truites brunes sauvages. Une étude a été faite de la relation entre les conditions de l'habitat de frai et la densité relative de 0+ l'année suivante. Une durée continue de plus de 20 jours avec des conditions d'habitat de frai inférieures à 80 % des conditions optimales semblaient limiter le nombre de truites 0+. Cette nouvelle procédure a été présentée comme un outil d'interprétation utile de l'évolution du déversement naturel du point de vue de la gestion.

The functioning of running water ecosystems is controlled by the interaction of several physical parameters, the knowledge of which is beiing improved. Currently, the CEMAGREF, LYON, is developing a methodology allowing the description and the modelling of three of these parameters which have been selected on the basis of their importance for the biotic communities.namely, i stream velocity, ii water depth, Hi bed material. A division of the study reach into discrete cells provides a differenciated picture of the spatial variability of the hydrodynamic parameters measured at a given discharge, the mathematical modelling of water level integrates time variability. A reach on the Filliere river (Northern French) examplifies this method., Une bonne connaissance du fonctionnement des écosystèmes d'eau courante nécessitela prise en considération d'un certain nombre de variables physiques supposés les régir. Le CEMAGREF de Lyon développe actuellement une méthodologie permettant de décrire et modéliser trois de ces variables jouant un rôle essentiel pour la communauté biotique : la vitesse du courant, la hauteur d'eau et la granulométrie du lit. Un découpage de la station en cellules discrètes permet d'obtenir une image claire de la variabilité spatiale des conditions hydrodynamiques observées, un modèle mathématique de calcul de ligne d'eau autorisant l'appréciation de leur variabilité temporelle. L'exemple d'une station étudiée sur un cours d'eau de montagne donne une bonne idée des résultats ainsi obtenus., Malavoi J.R., Souchon Y. Méthodologie de description, quantification des variables morphodynamiques d'un cours d'eau à fond caillouteux : exemple d'une station sur la Fillière (Haute-Savoie) / A methodology for the description and the quantification of the morphodynamic variables along a gravel bed river : a reach of the Fillière river (Haute-Savoie) as an example. In: Revue de géographie de Lyon, vol. 64, n°4, 1989. Dynamique et gestion des cours d'eau. pp. 252-259.

This report summarizes research led by Cemagref to settle Hydrographic and Piscicultural Network (RHP) along with CSP financial support. That research is aimed at defining reference states that integrate dynamics aspects and finding real trends for evolution of population settlements and environment media. Coupling of hydrological and piscicultural data should led to a better approach of the notion of eco-hydrologic regime.; La recherche de la part explicative de l'hydrologie dans l'organisation et la dynamique des populations et peuplements de poissons est essentielle pour connaître leur enveloppe de variabilité inter-annuelle et déceler d'éventuels patrons de fonctionnement locaux ou régionaux, encore appelés synchronismes. Toute avancée cognitive dans ce domaine intéresse aussi bien le CSP que le Cemagref, pour être à même de définir des états de référence intégrant des aspects dynamiques. C'est ensuite essentiel pour déceler de réelles tendances d'évolution des peuplements et des milieux. C'est un thème qui bénéficie du gros investissement du CSP pour la mise en place et le fonctionnement du Réseau Hydrobiologique et Piscicole (RHP). En contrepartie de l'accès à cette information essentielle, les travaux de recherche résumés dans ce rapport pourront aider à la valorisation des données recueillies. Le croisement de données hydrologiques et piscicoles doit également permettre de mieux aborder la notion de régime éco-hydrologique, que l'on sait nécessaire en complément des seules approches " débits réservés ", mais pour laquelle on manque encore de quantification suffisante.

Dans le cadre d’un suivi des pollutions des eaux de surface, et dans un objectif de compréhension des effets des pesticides sur les changements observés dans les communautés biologiques de macroinvertébrés, un indicateur permettant de diagnostiquer la contamination d’un site par des pesticides a été développé par des chercheurs du Centre Helmholtz de recherche sur l'environnement (UFZ) à Leipzig en Allemagne. Cette approche baptisée SPEAR pour SPEcies At Risk est considérée, à l’heure actuelle, comme l’une des méthodes de bioindication les plus prometteuses pour détecter la contamination par des pesticides dans les écosystèmes lotiques (Schriever et al. 2007). La méthode SPEAR a été développée en complément aux méthodes et aux indices de bio évaluation existants afin d’appréhender les effets des toxiques. Le présent rapport décrit ses principes et analyse sa pertinence dans le cadre des outils opérationnels de la Directive Cadre Européenne sur l’Eau.

Les méthodes de la famille IFIM/Phabsim (Evha dans sa version française) de simulation de la sensibilité au débit de l`habitat des cours d`eau ont majoritairement évolué en cherchant à raffiner la description hydraulique par des modèles 2D, voire 3D, et en faisant appel à des modèles de préférence d`habitat de plus en plus comportementaux (ex. vitesse au nez du poisson), parfois développés localement. Forts d`une expérience de plus de quinze ans dans ce domaine, et d`une base de cas traités dépassant la centaine, nous avons au contraire recherché l`existence de liens entre la description physique générale des tronçons et la forme des réponses d`habitat pour les espèces européennes les plus courantes. Nous avons montré que ces réponses peuvent très bien être simulées en fonction des variables décrivant la géométrie hydraulique des tronçons, en particulier le nombre de Froude, fonction de la vitesse et de la hauteur d`eau, qui résume la morphologie du cours d`eau et le nombre de Reynolds approché par un débit par unité de largeur. Ces travaux répondent à des besoins de simplification de la partie acquisition de données hydrauliques et topographiques et calage hydraulique, jugée trop lourde pour des applications à de nombreux sites. Ils enrichissent la gamme des méthodes désormais mobilisables, couplées avec différents types de modèles de préférence, monovariés ou multivariés. Parallèlement, grâce à des suivis biologiques à long terme, nous avons validé des relations entre habitat limitant simulé et taille des populations dans le cas de la truite fario (Salmo trutta fario, L. 1758) pour les parties amont des cours d`eau ou structure plurispécifique du peuplement de poissons pour les parties plus aval

International audience; The purpose of our approach was to take account of the nested scales of stream functioning on the links between pressures and ecological status by building and analysing a hierarchical model. The development of this model aimed at answering the following questions: Does the indirect links between pressures and ecological status modify the impact hierarchy of pressures? Do the different nested scales play a different role in the pressures-ecological status relationship? To achieve that goal, we used the PLS path modelling method for developing a structural model linking the latent variables of (i) land use, and hydromorphological alterations at watershed scale, (ii) hydromorphological alterations at reach scale, (ii) nutrients-organic matter contamination levels, and (iv) substrate samples to explain macroinvertebrate based index I2M2 score variation. As a first important result, we have highlighted the importance of land use effect exerted on both hydromorphology and physico-chemistry and their translation as an indirect effect on biological condition of streams. We have also demonstrated that hydromorphological alterations had an effect on substrates structure and nutrients and organic matter concentrations. This result implies that hydromorphology has a major indirect effect on macroinvertebrates.

The influence of stream discharge and habitat suitability history was investigated over 12 years on three natural brown trout (Salmo trutta) population dynamics. Discharge and habitat (described by Weighted Usable Area, WUA) variability during three "bottleneck" periods of population dynamics (spawning, fry, and summer) were used to explain variability of trout age-class densities (young of the year, juveniles, and adults). Discharge and WUA variability for each period was described with mean value over the period, standard deviation value over the period, and Continuous durations Under ( or upper) a given Threshold (CUT curves analysis). Thresholds used for CUT curves analysis were defined from existing knowledge as (1) the median discharge during spawning period, (2) five times the median discharge of the fry period (high flows); and (3) half of the median discharge of the summer period (low flows). Young of the year trout density decreased when the duration of high flows during the fry period increased. Adult trout density decreased when the duration of low flows during summer increased. Beside these key periods, trout population dynamics seemed also regulated by biotic factors. The number of juveniles at year n was directly related to the number of young of the year at year n-1, and number of adults at year n was directly related to the number of juveniles at year n-1.

The rivers and their watersheds are complex systems in dynamic balance. If processes acting in stream are relatively well known (organic matter and sediment transport, litter degradation, etc ...), it is much more difficult to have a relevant representation of this functioning considering the hierarchy of scales, land determinants affecting aquatic environments and combined multiple stressors. We conducted an exploration whose purpose was to seek the multiple causes of degradation of the ecological status, to know the spatial extent and severity and to be able to recommend effective restoration actions. In the first part of the thesis, we developed large-scale models, based on existing data, to give answers applicable to the decision and management scales, i.e. European, national and regional. The main was to compare the relationships between the combined pressures represented by land cover and the ecological status of running waters in four European countries: France, Slovakia, Estonia, and UK (England and Wales). This first study allowed us i) to establish the hierarchy of the major influences that impact ecological status, particularly agriculture and urbanisation, ii) to identify regional patterns in these pressure-impact relationships and iii) to evaluate the relative weight of the pressures acting at the basin and riparian corridor scales, and the possible buffering effect of riparian land cover. In the second part of the thesis, we built a corpus of models capable of explaining the variability of the biological indices used in the survey network and also predict the ecological status of non-monitored water bodies in France. This permits to demonstrate that : (i) the parameters characterizing the load of nutrients and organic matter had a predominant effect on the three compartments, followed by land use and hydromorphology, (ii) it is possible to build models capable of predicting ecological status that are efficient and easily transferable, using data of different scales that influence the functioning of hydrosystems. In the third part, we tested if the relationships between local scale pressures and ecological status are hierarchically influenced by regional patterns (such as natural physiographic and/or driving forces). Introducing hierarchical factors in multi-stress models can lead to slight variations in responses of organisms to pressures according to their natural characteristics and their driving forces acting at catchment scale. And in the last part, the purpose of our approach was to take into account the nested scale organisation and the links between anthropogenic pressures and river ecological status by building - and analysing the results of - a model based on the PLS path modelling method. This method can be used to simultaneously analyse the effects of latent variables corresponding to land-use, hydromorphological and physico-chemical pressures on the ecological status of rivers, synthetically measured in this study by the macroinvertebrate-based French biotic index for wadeable rivers (I2M2). The development of this model should allow us to demonstrate : (i) the importance of land use effect exerted on both hydromorphology and physico-chemistry and their translation as an indirect effect on biological condition of streams, (ii) that hydromorphological alterations had an effect on substrates structure and nutrients and organic matter concentrations implying that hydromorphology has a major indirect effect on macroinverteb; Les cours d’eau et leurs bassins versants sont des systèmes complexes et en équilibre dynamique. Si l’on connait qualitativement assez bien la plupart des processus dont ils sont le siège (ex. transport de matière organique et de sédiments, transformation des litières, etc…), il est beaucoup plus difficile d’en avoir une représentation pertinente à la bonne maille compte tenu de l’emboitement d’échelles des processus, des déterminants terrestres agissant sur les milieux aquatiques et surtout des différents facteurs de stress qui s’y combinent. Nous avons mené une exploration dont le but était de rechercher les causes souvent multiples de dégradation de l’état écologique, d’en connaître l’étendue spatiale et la gravité, pour être en mesure de recommander des actions efficaces de restauration. Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé des modèles explicatifs de l’état écologique à large échelle capables de donner des réponses applicables aux échelles de décision et de gestion, à savoir européenne, nationale et régionale avec comme objectif principal de comparer les relations entre les pressions combinées représentées par l’occupation du sol et l'état écologique des cours d’eau de quatre pays européens: la France, la Slovaquie, l'Estonie, et le Royaume-Uni (Angleterre et Pays de Galles). Cette étude a permis (i) d’établir une hiérarchie des catégories d’occupation du sol influant sur l'état écologique, en particulier l'agriculture et l'urbanisation, (ii) d’identifier des tendances régionales dans ces relations pression-impact et (iii) d’évaluer le poids relatif de la pression à l‘échelle du bassin et du corridor rivulaire, et l’effet tampon des zones rivulaires suivant la nature de leur couverture. Dans une deuxième partie, nous avons construit un corpus de modèles capables d’expliquer d’une part la variabilité des indices biologiques utilisés dans les réseaux et de prédire d’autre part l’état écologique des masses d’eau françaises non suivies par le réseau de contrôle et de surveillance (RCS). Cette étude a permis de montrer que : (i) le facteur le plus impactant pour l’état biologique qu’il soit mesuré à partir des macroinvertébrés, des poissons ou des diatomées était la physico-chimie, suivie de l’occupation du sol et de l’hydromorphologie et (ii) l’utilisation de ces trois types de pressions permettait de développer des modèles prédictifs de l’état biologique robustes et fiables. Dans une troisième partie, nous avons voulu tester si les relations entre les pressions à l'échelle locale et l'état écologique étaient hiérarchiquement influencées par la typologie régionale (basée sur les caractéristiques géographiques naturelles et les forces motrices). Ceci nous a permis de montrer que la prise en compte d’une typologie basée sur les forces motrices des bassins versants ne remettait pas en cause la hiérarchie des effets des pressions sur la biologie. Enfin, dans une quatrième et dernière partie, nous avons développé une approche nouvelle qui propose de prendre en compte les connaissances sur l’organisation des échelles et sur les liens entre pressions et état écologique, en construisant et en analysant un modèle structurel qui a permis de relier entre elles des variables latentes correspondant aux pressions d’occupation du sol, hydromorphologiques et physico-chimiques et d’analyser in fine leur effet sur l’état écologique mesuré ici à travers l’I2M2. Le développement de ce modèle a montré : (i) l’effet important de l’occupation du sol sur l’hydromorphologie et sur la physico-chimie et l’effet indirect qui en découle sur les macroinvertébrés, (ii) l’effet de l’hydromorphologie sur la mosaïque de substrats, la dynamique des nutriments et de la matière organique, impliquant un effet indirect majeur sur les macroinvertébrés

Evidence for climate change effects on biodiversity at global scale is now unequivocal. Among impaired ecosystems, running waters are particularly vulnerable to climate fluctuations. Changes in aquatic community structure and composition are then considered as integrative signals of the ecological responses to these climate changes. Under certain circumstances, these signals can be also exacerbated, confounded or potentially obscured by other abiotic variations.Therefore, the aim of this PhD was to assess the relative effect of different drivers on longterm trends in benthic macroinvertebrate communities, in the context of global climate change. Our investigations were focused more precisely on the Middle Loire River since, as lowland large river, it is particularly concerned by the potential impact of multiple stressors. Regarding the choice of the biological model, benthic fauna has been selected according to its acknowledged interest in bioassessment of running waters, especially thanks to a great diversity of potential responses to environmental disturbances and a number of methodological advantages.First, we investigated the temporal changes of ten major abiotic parameters over three decades (1977-2008). We highlighted the gradual warming of the Loire River (c. +1.2°C in the mean annual temperature over the three decades), coupled with a significant drop in mean discharge (c. -25%), both trends being exacerbated during the warm period (May-August). In the same time, although these changes were expected to induce a rise in the trophic level of the river, we emphasized a confounding effect of the wastewater treatment improvement (i.e. phosphorus input reduction), leading mainly to a drop in phosphate concentrations and a phytoplankton limitation.Second, we assessed the long-term structural and functional responses (i.e. over a 30-year period) of invertebrates of the Loire River to both major concomitant trends. On the one hand, we highlighted that water warming and to a lesser extent discharge reduction were significantly involved in the disappearance or decrease in rheophilic and psychrophilic taxa (e.g. Chloroperlidae). On the other hand, they explained also a major part of the appearance and increase of limnophilic and thermophilic taxa, including invasive species (e.g. Corbicula sp.). In terms of functional responses, these changes were illustrated by an adaptive evolution of the biological trait profiles in agreement with a priori predictions that is possible to make in a theoretical framework. However, this shift towards a generalist and pollution tolerant assemblage was partially confounded by improvement in water quality, explaining the settlement of new pollution-sensitive taxa during the last years (e.g. Philopotamidae). Although no taxonomic or functional resilience was observed, this trend was translated, via biological traits, into a probable transfer of trophic resources from phytoplankton to periphytic biofilms and macrophytes.Finally, we explored the multi-site spatial variability of these biotic and abiotic trends and we showed that our results as a whole, which supported already a number of observations in Europe, exhibited also a strong homogeneous pattern along the Middle Loire River (on nearly 300 km) and among different hydrosystems (e.g. Loire, Seine, Meuse).; Les effets du changement climatique sur la biodiversité à l'échelle du globe sont maintenant sans équivoque. Parmi les écosystèmes affectés, les cours d'eau sont particulièrement vulnérables aux fluctuations du climat. Les modifications de structure et de composition des communautés aquatiques constituent alors un signal intégrateur des réponses écologiques à ces changements climatiques. Dans certaines circonstances, ce signal peut également être exacerbé, modéré ou potentiellement masqué par d'autres variations abiotiques. L'objectif de ce travail de thèse était donc d'évaluer l'effet relatif de différents facteurs de forçage sur les tendances d'évolution à long-terme des communautés de macroinvertébrés benthiques de grands cours d'eau, dans un contexte de changement climatique global. Nos investigations ont ciblé plus spécifiquement la Loire moyenne car, en tant que grande rivière de plaine, elle est particulièrement concernée par les problèmes liés aux stress multiples. En ce qui concerne le choix du compartiment biologique, la faune benthique a été sélectionnée pour son intérêt reconnu en bioévaluation des cours d'eau, notamment grâce à une grande diversité de réponses potentielles aux perturbations environnementales et à un certain nombre d'avantages méthodologiques.Dans un premier temps, nous nous sommes appliqués à caractériser les modifications temporelles de dix paramètres abiotiques majeurs sur trois décennies (1977-2008). Nous avons notamment mis en évidence le réchauffement graduel de la Loire (c. +1,2°C en moyenne annuelle sur les trois décades), couplé à une réduction significative du débit moyen (c. -25%), les deux tendances étant exacerbées en période chaude (mai-août). Dans le même temps, alors que ces modifications étaient susceptibles de provoquer une augmentation du niveau trophique du fleuve, nous avons souligné l'existence d'un effet confondant de l'amélioration des traitements d'épuration (i.e. réduction des apports en phosphore), se traduisant principalement par la baisse des concentrations en phosphates et la limitation des organismes phytoplanctoniques.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux réponses structurelles et fonctionnelles long-terme (i.e. 30 ans) des invertébrés de la Loire à ces deux évolutions concomitantes majeures. En premier lieu, nous avons constaté que le réchauffement et, dans une moindre mesure, la réduction du débit sont impliqués dans la disparition ou le déclin progressif de taxons rhéophiles et psychrophiles (e.g. Chloroperlidae). En parallèle, ces modifications hydroclimatiques expliquent une majeure partie de l'apparition et de la colonisation de taxons limnophiles et thermophiles, comprenant certaines espèces invasives (e.g. Corbicula sp.). En termes de réponses fonctionnelles, ces changements s'illustrent par une évolution adaptative des profils de traits biologiques cohérente avec les prédictions a priori qu'il est possible de faire dans un cadre théorique. Toutefois, cette dérive progressive vers un assemblage généraliste et polluotolérant est partiellement confondue par l'amélioration de la qualité d'eau, qui explique l'apparition de nouveaux taxons polluo-sensibles lors des dernières années (e.g. Philopotamidae). Bien qu'aucune résilience taxonomique ou fonctionnelle ne soit constatée, cette tendance se manifeste, via les traits biologiques, par un transfert probable des ressources trophiques depuis les organismes phytoplanctoniques vers des biofilms épibenthiques et des macrophytes.Pour finir, nous avons exploré la variabilité spatiale multi-sites de ces tendances biotiques et abiotiques et montré que l'ensemble de ces résultats, qui corrobore déjà un certain nombre d'observations en Europe, constitue également un patron homogène le long de la Loire moyenne (sur près de 300 km) et entre différents hydrosystèmes (e.g. Loire, Seine, Meuse).

Research conducted on Brown trout populations downstream of impoundments has showed the influence of several natural constraints. First, population dynamics analysis of 3 Brown trout (Salmo trutta) populations, along with a multiple-sites analysis (53 stations) of relationships between by-passed sections populations and their physical habitat templet, showed several structuring factors. The first filter is stream width. On top of that, natural flood events constrain the populations. Furthermore, habitat fragmentation related to the size of each dam affects juveniles variability, while flow replenishment along the bypassed section parlty determines trout abundance. The second step consisted in characterizing the physical habitat in which the different salmonid regulated reaches are to be found, for the entire hydroelectric EDF (Electricité de France) facilities. 15 types were established, based on their mountain range (Alps, Pyrénées and Massif Central), on the combination of two major hydromorphological variables (stream gradient and mean annual streamflow), and on the flow-sediment regime. Finally, litterature general knowledge on impacts of impoundments on trout populations and specific knowledge from the multiple-sites analysis were combined with the different types of regulated reaches physical habitats. General knowlege on stream habitats sensitivity of a given area can be gained from this combination. Using these results, it is possible to build an ecological risk assessment framework for bypassed reaches trout populations : this framework assess the risk related to a given impoundment, risk which comes on top of preexisting physical natural constraints defined according to the type the reaches belong to., Les recherches menées sur les populations de truite à l'aval des barrages ont mis en évidence l'influence de nombreuses contraintes naturelles. Dans un premier temps, une analyse de la dynamique de 3 populations de truite (Salmo trutta), combinée à une analyse multi-sites (53 sites) des relations entre les populations et leur cadre d'habitat physique en TCC, ont mis en évidence différents éléments structurants. Le premier filtre est la largeur du cours d'eau. A cela se surimpose un forçage par les crues naturelles. En outre, le niveau de fragmentation du réseau hydrographique lié à la taille du barrage influence la variabilité du stade juvénile, tandis que le degré de reconstitution du débit le long du TCC détermine en partie l'abondance de truite. Dans un second temps, le travail a consisté à caractériser pour l'ensemble du parc hydroélectrique EDF le cadre géophysique général dans lequel s'inscrivent les différents types de tronçons de cours d'eau salmonicoles soumis à l'influence d'ouvrages hydroélectriques. 15 types ont ainsi été définis sur la base de leur appartenance à l'un des trois massifs Alpes, Pyrénées et Massif Central, de la combinaison de 2 caractéristiques hydromorphologiques majeures (pente et module), et du régime hydrosédimentaire. Finalement, le croisement des connaissances générales issues de la littérature sur les impacts des ouvrages sur les populations de truite, des connaissances spécifiques acquises via l'analyse multi-sites avec les types de situation ouvrages/milieu permet de tirer des enseignements généraux sur les sensibilités a priori des habitats des cours d'eau d'une région.

Understanding how fis assemblages vary is a major goal of ecology and bioindication. In this PhD thesis, advanced statistical tools were used to identify which descriptors of temperature and flow regimes, that are among the most essential components of fish natural environment, do generate interannual variations of juvenile assemblages of cyprinid fish in the upper River Rhone. By using datasets of water temperature, flow and electric fishing samples over the 1980-2005 period, three groups of species have been determined based on their synchrone response to environmental variations and have been used to develop to types of Bayesian hierarchical models : - a Poisson regression, for which a selection of variable was performed, using the Bayes Factor criterion. this first model allowed for the quantification of the effects of the selected variables on the interannual variations of the different species abundance. - a model with shared latent variable, assuming the existence of a common source of variation for the environmental and the biological data, the Hypersignal. This model underlined the relative importance of the environemental variables in determining the assemblages structure. While their effects are generally treated separately, the joint effect of the temperature and flow regimes on the structure and the interannual variations of juveniles fish assemblages was put forward here., La compréhension des déterminismes des communautés de poissons et de leurs variations est un enjeu majeur, tant en écologie qu'en bioindication. Dans ce travail doctoral, nous avons mis en place des outils de statistiques avancées afin d'identifier les aspects des régimes thermique et hydrique, constituants essentiels de l'environnement naturel des poissons, responsables des variations des assemblages de juvéniles de cyprinidés du haut Rhône. En utilisant des chroniques de températures de l'eau, de débits et d'échantillonnages par pêche électrique sur la période 1980-2005, nous avons déterminé trois groupes d'espèces présentant des réponses synchrones aux variations d'environnement, et développé deux types de modèles hiérarchique, s'appuyant sur ces groupes, selon une perspective bayésienne :- un modèle de régression poissonienne, pour lequel nous avons utilisé une procédure de choix de modèle fondée sur le critère du Facteur de Bayes. Ce premier modèle nous a permis de sélectionner les variables d'intérêt et de quantifier leurs effets sur les variations interannuelles d'abondances des différentes espèces. - un modèle à facteur latent partagé, résumant l'influence commune d'une variable latente, l'hypersignal, sur les variations de l'environnement et des proportions relatives des groupes d'espèces. Nous avons ainsi souligné les importances relatives des variables environnementales dans la structuration des communautés. Alors que leurs effets sont généralement discutés séparément, nous avons mis en évidence l'influence conjointe des régimes thermique et hydrique sur la structuration et les variations interannuelles des assemblages de juvéniles de poissons en grandes rivières.

Evidence for climate change effects on biodiversity at global scale is now unequivocal. Among impaired ecosystems, running waters are particularly vulnerable to climate fluctuations. Changes in aquatic community structure and composition are then considered as integrative signals of the ecological responses to these climate changes. Under certain circumstances, these signals can be also exacerbated, confounded or potentially obscured by other abiotic variations.Therefore, the aim of this PhD was to assess the relative effect of different drivers on longterm trends in benthic macroinvertebrate communities, in the context of global climate change. Our investigations were focused more precisely on the Middle Loire River since, as lowland large river, it is particularly concerned by the potential impact of multiple stressors. Regarding the choice of the biological model, benthic fauna has been selected according to its acknowledged interest in bioassessment of running waters, especially thanks to a great diversity of potential responses to environmental disturbances and a number of methodological advantages.First, we investigated the temporal changes of ten major abiotic parameters over three decades (1977-2008). We highlighted the gradual warming of the Loire River (c. +1.2°C in the mean annual temperature over the three decades), coupled with a significant drop in mean discharge (c. -25%), both trends being exacerbated during the warm period (May-August). In the same time, although these changes were expected to induce a rise in the trophic level of the river, we emphasized a confounding effect of the wastewater treatment improvement (i.e. phosphorus input reduction), leading mainly to a drop in phosphate concentrations and a phytoplankton limitation.Second, we assessed the long-term structural and functional responses (i.e. over a 30-year period) of invertebrates of the Loire River to both major concomitant trends. On the one hand, we highlighted that water warming and to a lesser extent discharge reduction were significantly involved in the disappearance or decrease in rheophilic and psychrophilic taxa (e.g. Chloroperlidae). On the other hand, they explained also a major part of the appearance and increase of limnophilic and thermophilic taxa, including invasive species (e.g. Corbicula sp.). In terms of functional responses, these changes were illustrated by an adaptive evolution of the biological trait profiles in agreement with a priori predictions that is possible to make in a theoretical framework. However, this shift towards a generalist and pollution tolerant assemblage was partially confounded by improvement in water quality, explaining the settlement of new pollution-sensitive taxa during the last years (e.g. Philopotamidae). Although no taxonomic or functional resilience was observed, this trend was translated, via biological traits, into a probable transfer of trophic resources from phytoplankton to periphytic biofilms and macrophytes.Finally, we explored the multi-site spatial variability of these biotic and abiotic trends and we showed that our results as a whole, which supported already a number of observations in Europe, exhibited also a strong homogeneous pattern along the Middle Loire River (on nearly 300 km) and among different hydrosystems (e.g. Loire, Seine, Meuse)., Les effets du changement climatique sur la biodiversité à l’échelle du globe sont maintenant sans équivoque. Parmi les écosystèmes affectés, les cours d’eau sont particulièrement vulnérables aux fluctuations du climat. Les modifications de structure et de composition des communautés aquatiques constituent alors un signal intégrateur des réponses écologiques à ces changements climatiques. Dans certaines circonstances, ce signal peut également être exacerbé, modéré ou potentiellement masqué par d’autres variations abiotiques.L’objectif de ce travail de thèse était donc d’évaluer l’effet relatif de différents facteurs de forçage sur les tendances d’évolution à long-terme des communautés de macroinvertébrés benthiques de grands cours d’eau, dans un contexte de changement climatique global. Nos investigations ont ciblé plus spécifiquement la Loire moyenne car, en tant que grande rivière de plaine, elle est particulièrement concernée par les problèmes liés aux stress multiples. En ce qui concerne le choix du compartiment biologique, la faune benthique a été sélectionnée pour son intérêt reconnu en bioévaluation des cours d’eau, notamment grâce à une grande diversité de réponses potentielles aux perturbations environnementales et à un certain nombre d’avantages méthodologiques.Dans un premier temps, nous nous sommes appliqués à caractériser les modifications temporelles de dix paramètres abiotiques majeurs sur trois décennies (1977-2008). Nous avons notamment mis en évidence le réchauffement graduel de la Loire (c. +1,2°C en moyenne annuelle sur les trois décades), couplé à une réduction significative du débit moyen (c. -25%), les deux tendances étant exacerbées en période chaude (mai-août). Dans le même temps, alors que ces modifications étaient susceptibles de provoquer une augmentation du niveau trophique du fleuve, nous avons souligné l’existence d’un effet confondant de l’amélioration des traitements d’épuration (i.e. réduction des apports en phosphore), se traduisant principalement par la baisse des concentrations en phosphates et la limitation des organismes phytoplanctoniques.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux réponses structurelles et fonctionnelles long-terme (i.e. 30 ans) des invertébrés de la Loire à ces deux évolutions concomitantes majeures. En premier lieu, nous avons constaté que le réchauffement et, dans une moindre mesure, la réduction du débit sont impliqués dans la disparition ou le déclin progressif de taxons rhéophiles et psychrophiles (e.g. Chloroperlidae). En parallèle, ces modifications hydroclimatiques expliquent une majeure partie de l’apparition et de la colonisation de taxons limnophiles et thermophiles, comprenant certaines espèces invasives (e.g. Corbicula sp.). En termes de réponses fonctionnelles, ces changements s’illustrent par une évolution adaptative des profils de traits biologiques cohérente avec les prédictions a priori qu’il est possible de faire dans un cadre théorique. Toutefois, cette dérive progressive vers un assemblage généraliste et polluotolérant est partiellement confondue par l’amélioration de la qualité d’eau, qui explique l’apparition de nouveaux taxons polluo-sensibles lors des dernières années (e.g. Philopotamidae). Bien qu’aucune résilience taxonomique ou fonctionnelle ne soit constatée, cette tendance se manifeste, via les traits biologiques, par un transfert probable des ressources trophiques depuis les organismes phytoplanctoniques vers des biofilms épibenthiques et des macrophytes.Pour finir, nous avons exploré la variabilité spatiale multi-sites de ces tendances biotiques et abiotiques et montré que l’ensemble de ces résultats, qui corrobore déjà un certain nombre d’observations en Europe, constitue également un patron homogène le long de la Loire moyenne (sur près de 300 km) et entre différents hydrosystèmes (e.g. Loire, Seine, Meuse).

Understanding how fis assemblages vary is a major goal of ecology and bioindication. In this PhD thesis, advanced statistical tools were used to identify which descriptors of temperature and flow regimes, that are among the most essential components of fish natural environment, do generate interannual variations of juvenile assemblages of cyprinid fish in the upper River Rhone. By using datasets of water temperature, flow and electric fishing samples over the 1980-2005 period, three groups of species have been determined based on their synchrone response to environmental variations and have been used to develop to types of Bayesian hierarchical models : - a Poisson regression, for which a selection of variable was performed, using the Bayes Factor criterion. this first model allowed for the quantification of the effects of the selected variables on the interannual variations of the different species abundance. - a model with shared latent variable, assuming the existence of a common source of variation for the environmental and the biological data, the Hypersignal. This model underlined the relative importance of the environemental variables in determining the assemblages structure. While their effects are generally treated separately, the joint effect of the temperature and flow regimes on the structure and the interannual variations of juveniles fish assemblages was put forward here.; La compréhension des déterminismes des communautés de poissons et de leurs variations est un enjeu majeur, tant en écologie qu'en bioindication. Dans ce travail doctoral, nous avons mis en place des outils de statistiques avancées afin d'identifier les aspects des régimes thermique et hydrique, constituants essentiels de l'environnement naturel des poissons, responsables des variations des assemblages de juvéniles de cyprinidés du haut Rhône. En utilisant des chroniques de températures de l'eau, de débits et d'échantillonnages par pêche électrique sur la période 1980-2005, nous avons déterminé trois groupes d'espèces présentant des réponses synchrones aux variations d'environnement, et développé deux types de modèles hiérarchique, s'appuyant sur ces groupes, selon une perspective bayésienne :- un modèle de régression poissonienne, pour lequel nous avons utilisé une procédure de choix de modèle fondée sur le critère du Facteur de Bayes. Ce premier modèle nous a permis de sélectionner les variables d'intérêt et de quantifier leurs effets sur les variations interannuelles d'abondances des différentes espèces. - un modèle à facteur latent partagé, résumant l'influence commune d'une variable latente, l'hypersignal, sur les variations de l'environnement et des proportions relatives des groupes d'espèces. Nous avons ainsi souligné les importances relatives des variables environnementales dans la structuration des communautés. Alors que leurs effets sont généralement discutés séparément, nous avons mis en évidence l'influence conjointe des régimes thermique et hydrique sur la structuration et les variations interannuelles des assemblages de juvéniles de poissons en grandes rivières.