L'état écologique des écosystèmes d’eau douce s'est détérioré au cours des dernières décennies. Les pressions anthropiques ont modifié leurs dynamiques physiques et biogéochimiques en agissant à la fois au sein de leur bassin versant et sur les conditions climatiques. L’eutrophisation et le changement climatique ont contribué à l'augmentation des proliférations phytoplanctoniques, notamment des cyanobactéries, qui constituent aujourd’hui une préoccupation majeure pour la gestion des ressources en eau. Avec l'avancée de l'urbanisation, un nombre croissant de lacs se trouve dans des zones métropolitaines, où les apports élevés de nutriments et de polluants en provenance du bassin versant peuvent favoriser les proliférations de cyanobactéries. Des systèmes de mesure en temps réel peuvent faciliter la surveillance à court terme de ces milieux. Pour une gestion durable à long terme, des études d’impact du changement climatique sont indispensables. Les modèles déterministes sont essentiels pour améliorer la compréhension du fonctionnement des écosystèmes aquatiques, des facteurs de contrôle des efflorescences phytoplanctoniques et pour optimiser la gestion des ressources en eau. Cependant, les modèles écologiques aquatiques sont souvent complexes et hautement paramétrés. Leur mise en œuvre et leur calage sont des tâches complexes, rarement automatisées. De plus, les données issues des suivis limnologiques traditionnels, basés sur des campagnes de mesure périodiques, ne permettent pas de tester les modèles sur des dynamiques rapides, ni d'évaluer de manière approfondie l'incertitude de leurs résultats. Dans ce contexte, cette thèse porte sur l'utilisation de modèles déterministes pour reproduire le fonctionnement thermique et la dynamique du phytoplancton, notamment des cyanobactéries, d'un lac urbain peu profond. Pour ce faire, deux modèles couplés hydrodynamique et biogéochimique tridimensionnels (3D) sont mis en œuvre et leurs résultats analysés : les modules FLOW et BLOOM de la suite Delft3D, et la librairie biogéochimique Aquatic EcoDynamics couplée au modèle hydrodynamique TELEMAC3D. Le site d’étude est le lac de Champs-sur-Marne, un lac urbain situé à l'est de Paris caractérisé par de fortes proliférations de cyanobactéries et pour lequel un grand jeu de données est disponible. Ce travail vise à analyser trois éléments stratégiques pour la modélisation des écosystèmes lacustres:• L'impact du changement climatique sur le régime thermique des lacs et ses conséquences sur le développement des cyanobactéries, au travers de simulations hydrodynamiques 3D et la reconstitution de l'évolution thermique du site d'étude au cours des six dernières décennies.• Les bénéfices du calage automatique pour des modèles biogéochimiques complexes, par l’application d’une méthodologie innovante pour l’estimation des paramètres: Approximate Bayesian Computation (ABC).• Les effets de différentes approches de modélisation et de couplage entre modèles hydrodynamiques et biogéochimiques, et les avantages des observations en continu en haute fréquence pour les évaluer sur différentes échelles temporelles. Les résultats de ce travail montrent que l'impact du changement climatique sur les lacs urbains sont importants, avec de fortes conséquences sur la dynamique de stratification et des conditions thermiques de plus en plus favorables aux cyanobactéries. Si de telles tendances se confirment, le problème posé par la dominance des cyanobactéries, pourrait encore s’aggraver dans un proche avenir. En outre, ce travail illustre l’intérêt de méthodes de calage automatique, l'ABC en particulier, pour améliorer les résultats de modèles biogéochimiques déterministes complexes sur la période choisie pour le calage. Enfin, ce travail met également en évidence l'importance d'un jeu de données étendu pour mettre en œuvre un modèle couplé hydrodynamique/biogéochimique 3D et analyser ses résultats à différentes échelles de temps et d'espace.