Ces travaux de thèse s'intéressent à la modélisation hydrologique-hydraulique des réseaux hydrographiques et à l'intégration optimale de données multi-sources. La richesse informative croissante des jeux de données apportés par l'hydrométéorologie et la télédétection à haute résolution en complément des mesures in situ, est encore insuffisamment exploitée pour contraindre des modélisations hydrodynamiques fines à l'échelle des bassins. De telles représentations numériques sont pourtant cruciales pour l'estimation spatio-temporelle précise des états-flux, en vue de répondre à des enjeux socio-économiques majeurs comme la prévision des crues en contexte de changement climatique. Les quantités physiques d'intérêt vont des hydrogrammes de débit amonts et échanges latéraux jusqu'à leur traduction en hauteurs d'eau, vitesses et temps de submersion sur les plaines d'inondation en aval. De telles informations sont difficilement accessibles, en particulier pour les crues sur de larges territoires où de nombreux cours d'eau sont potentiellement non jaugés. Plusieurs problématiques sont reliées à la modélisation numérique hydrologique-hydraulique de bassin et à sa mise en cohérence avec des données multi-sources hétérogènes en espace, en temps et en nature. Ce manuscrit présente des approches de modélisation des réseaux hydrographiques, basées sur des modèles hydrauliques-hydrologiques couplés et exploitant des méthodes d'assimilation variationnelle de données multi-sources. Ces approches sont basées sur la synergie entre, d'une part des modèles numériques complexes qui représentent des quantités physiques et, d'autre part, l'observabilité hétérogène de signatures hydrodynamiques à l'échelle des réseaux hydrographiques. Les développements des outils numériques sont effectués au sein de la plateforme d'assimilation variationnelle et de modélisation hydrodynamique DassFlow. La première partie de ce travail porte sur l'estimation variationnelle de paramètres inconnus ou incertains (couple friction-bathymétrie, hydrogrammes latéraux) d'un modèle hydraulique 1D appliqué à large échelle spatiale, à partir d'observations altimétriques et optiques de déformations de la surface libre des rivières. La difficulté de cette estimation vient de l'effet corrélé des paramètres sur les signatures hydrauliques, de leur observabilité hétérogène et éparse en comparaison des échelles physiques des propagations et longueurs de contrôles hydrauliques. Les problèmes inverses considérés sont généralement mal posés et des méthodes de régularisation sont utilisées dans la méthode d'assimilation. Ce travail repose sur l’ajout de termes sources pour la prise en compte d’apports latéraux dans un modèle Saint-Venant 1D et sur l’analyse des signatures hydrauliques associées. Ces signatures apportent une information importante sur l’identifiabilité des paramètres qui les provoquent, en contexte d’observabilité éparse de la surface libre. Dans cette partie, des inférences très précises sont obtenues quand la quantité d'information contenue dans les observables et les informations a priori sont suffisantes au regard de la nature, de la quantité et du type des inconnues. Un modèle grande échelle d'un cours d'eau Amazonien anastomosé et alimenté par de nombreux affluents est construit à partir de données satellitaires optiques et altimétriques et est alimenté par des débits simulés avec le modèle hydrologique grande échelle MGB. Le modèle effectif calé sur des chroniques altimétriques historiques permet une représentation réaliste des signatures de crues. Leurs caractéristiques fréquentielles et leur visibilité par altimétrie large fauchée SWOT sont analysées à l'aide de cartographies d'identifiabilité. Des inférences simultanées de bathymétrie, friction et hydrogrammes latéraux spatialement distribués sont effectués sur ce modèle, à l'aide d'observations altimétriques large fauchée synthétiques. Ces dernières correspondent à celles qu'apportera la future mission SWOT, qui fournira une couverture spatiale sans précédent des rivières à l'échelle du globe. Cette mission aura une période de revisite suffisamment courte pour observer la propagation d'ondes de crue sur de grands bassins. Cette étude ouvre la voie vers l'utilisation d'observations SWOT pour l'estimation régionale de flux. La deuxième partie de ce travail présente une nouvelle méthode pour la modélisation et l'assimilation hydraulique-hydrologique multi-échelle de réseaux hydrographiques, implémentée dans l'environnement de calcul parallèle et d'optimisation variationnelle de DassFlow. Un modèle hydraulique multi-dimensionnel est proposé, sur la base des équations de Saint-Venant 2D complètes résolues par un solveur volumes finis appliqué à des maillages 1Dlike-2D de réseaux hydrographiques complets. Il permet de répondre au besoin de modélisation 2D précise dans les zones d'intérêt, comme les plaines d'inondation et les confluences, à travers l'utilisation de maillages 2D localisés. Une stratégie de maillage “1Dlike” des cours principaux des rivières, pouvant utiliser des bases de données de masques d'eau issus d'images haute résolution, permet la modélisation hydrodynamique de ces tronçons à l'échelle du réseau tout en gardant un coût de calcul relativement bas. Le solveur hydraulique 2D est adapté pour gérer les interfaces entre les maillages 1Dlike et 2D. Le modèle hydrologique parcimonieux GR4H, dans sa version “espace-temps” qui est différentiable, est couplé au modèle hydraulique multi-dimensionnel et inclus à la chaîne d'assimilation DassFlow. La chaîne intégrée ainsi obtenue est validée sur des cas académiques et réels. L'inférence de champs de friction et bathymétries effectives permet de représenter fidèlement des lignes d'eau et la propagation de crues avec un modèle 1Dlike d'un bief de la Garonne. Des inférences de forçages hydrauliques temporels sont effectuées sur un modèle 1Dlike du réseau hydrographique de l'Adour, à partir d'observations in situ et permettent l'estimation de flux incertains. Un modèle 1Dlike-2D de l'Adour permet la modélisation haute résolution d'écoulements dans un grand réseau hydrographique et ses plaines d'inondation pour un coût de calcul relativement faible. Des inférences de paramètres hydrologiques sont effectuées sur un cas test synthétique, à partir d'observables hydrauliques en aval. Ces résultats démontrent la possibilité de remontée d'information dans la chaîne de modélisation sur un réseau hydrographique.