Au cours des dix dernières années, les gouvernements de l'Union Européenne ont été encouragés à collecter des données sur le volume et la qualité de tous les effluents d'eaux urbaines ayant un impact environnemental significatif sur les milieux aquatiques récepteurs. Les méthodes de surveillance de ces flux nécessitent des améliorations, en particulier pour les déversoirs d’orage, structures complexes responsables en grande partie de la dégradation de la qualité des milieux récepteurs. Le DSM-flux (Dispositif pour la surveillance et maîtrise des flux d'eaux et polluants des réseaux d'eaux pluviales et unitaires) est un nouveau dispositif préfabriqué et pré-étalonné qui garantit les conditions hydrauliques appropriées permettant de mesurer les débits et volumes déversés ainsi que les concentrations et masses de polluants qui y sont transportés. Dans cette thèse, une relation permettant de mesurer le débit au passage du DSM-flux a été construite grâce à une étude expérimentale sur modèle physique réduit, puis validée pour plusieurs configurations d'écoulement à l'amont du dispositif. Quelles que soient les conditions hydrauliques en amont, les incertitudes relatives sont inférieures à 15% et 2% pour les débits et les volumes étudiés, respectivement, ce qui reste équivalent, voire mieux, par rapport aux incertitudes des méthodes actuelles les plus fiables. La méthode de mesure a été validée in situ sur un dispositif à grande échelle construit sur le terrain et fonctionnant en conditions réelles, ce qui montre la robustesse de la méthode. De plus, grâce à sa conception originale, le DSM-flux favorise l'interception d'une fraction des polluants particulaires. L’hydrodynamique de ce dispositif de mesure a été analysée ainsi que les conditions qui engendrent la décantation des polluants particulaires. En fonction des conditions d'écoulement, ce dispositif peut retenir 50% de la masse totale des matières solides fines en suspension transitant par le dispositif, mais pour des écoulements à débits élevés, cette efficacité est significativement réduite. Sa capacité de rétention a été aussi observée sur le terrain et une méthodologie a été élaborée pour quantifier son efficacité de rétention lors d'études futures. Mise à part sa performance hydraulique, du point de vue opérationnel, le dispositif présente d’autres avantages par rapport à d’autres dispositifs existants : (i) il est pré-étalonné et peut être installé à l’aval de déversoirs d’orage déjà existants, (ii) il peut s’insérer directement au sein du canal de décharge (installation d’un regard de visite équipé d’un DSM), (iii) sa performance hydraulique est indépendante des conditions de l’écoulement à l’amont et (iv) il s’agit d’un dispositif intégré de mesure de débits et de leur qualité simultanément, en plus d’intercepter une partie de polluants particulaires. / Over the past decade, European Union governments have encouraged to collect data on the volume and quality of all urban water effluents with a significant environmental impact on receiving aquatic environments. Methods for monitoring these flows require improvements, particularly for combined sewer overflows, which are complex flows that contribute in significant proportion to the degradation of the quality of the receiving waters. The DSM-flux (Device for Stormwater and combined sewer flows Monitoring and the control of pollutant fluxes) is a new pre-calibrated and pre-designed device that guarantees the appropriate hydraulic conditions for measuring discharged flows and volumes as well as the concentrations and mass loads of pollutants carried in suspension by the flow. In this PhD work, a relationship allowing to measure the flow rates conveying through the DSM-flux was determined thanks to an experimental study on a small-scale physical model, and then validated for several flow configurations upstream of the device. Whatever the upstream hydraulic conditions are, the relative uncertainties are less than 15% and 2% for the flow rates and volumes studied, respectively, which is equivalent to the uncertainties of the most reliable current methods. The monitoring methodology was validated in situ in a large-scale device installed at the field and operating in real conditions, which shows the robustness of the method. Moreover, thanks to its original design, the DSM-flux allows the interception of a fraction of particulate pollutants. The hydrodynamics of this monitoring device were analysed as well as the conditions that cause the settling of particulate pollutants. Depending on the flow conditions, this device can retain 50% of the total mass of fine suspended solid matter transiting through the device, but for flows at high discharge rates, this efficiency is significantly reduced. Its retention capacity has also been observed in the field and a methodology has been developed to quantify its retention efficiency in future studies. Apart from its performance, from an operational point of view, the device has other advantages compared to other current devices: (i) it is pre-calibrated and can be installed downstream from existing combined sewer overflows, (ii) it can be directly installed through a manhole in the discharge channel, (iii) its hydraulic performance is independent from the flow conditions upstream, and (iv) it is an integrated monitoring device, measuring flow rates and their quality simultaneously, in addition to intercepting a part of the particulate pollutants.

L’assainissement d’effluents résiduaires urbains par filtres plantés de roseaux (FPR) rencontre, depuis plus de trois décennies, un engouement croissant en raison de ses remarquables performances de traitement ainsi que de considérations technico-économiques et écologiques. Néanmoins, des objectifs de traitement de plus en plus contraignants, ainsi qu’un marché de plus en plus concurrentiel, amènent la nécessité d’une meilleure connaissance des processus afin d’en optimiser la conception en fonction du contexte. Une attention toute particulière a été portée au traitement de l’azote, au cours de cette étude, en raison de l’aspect particulièrement contraignant de son élimination. Ces travaux se sont articulés autour de trois axes principaux permettant l’évaluation des principaux mécanismes d’élimination de l’azote (nitrification, dénitrification et adsorption, respectivement). Un premier volet, conduit sur unités pilotes alimentées en effluents domestiques réels, s’est attaché à identifier l’impact respectif de divers critères de dimensionnement et opérationnels (profondeur de filtration, surface de filtration, charges hydrauliques et organiques) afin de proposer des consignes de conception adaptées aux objectifs de traitement sur l’azote ammoniacal ainsi que la matière organique et la pollution particulaire. Une seconde partie de l’étude, mené à échelle pilote à partir d’effluents semi-synthétiques, s’est quant à elle focalisée sur le processus de dénitrification afin de mettre en exergue les critères majeurs (composition des effluents, paramètres de conception et fonctionnement) pour l’atteinte de performances poussées sur le traitement des nitrates. Enfin, un dernier axe de recherche, effectué en laboratoire en colonne, a visé à évaluer l’effet de l’adsorption d’ammonium sur matériaux filtrants réactifs (zéolithe) en vue d’optimiser par la suite le temps de rétention de cette espèce au regard des cinétiques de dégradation biologique. Une synthèse des connaissances acquises au cours de cette étude a donné lieu à des conseils de conception ainsi qu’à des recommandations pour d’éventuelles études complémentaires. / The treatment of domestic wastewater by constructed wetlands (CWs) meets, from more than three decades, an increasing interest because of its high treatment efficiency as well as technological, economic and ecological issues. However, with treatment objectives that are growing ever stricter and an increasingly competitive market, fine knowledge of removal processes is required in order to optimize design in regards with context. A particular attention was paid to nitrogen removal, through this study, because of its particularly coercive dimension in treatment process. This work is partitioned in three axes which enable the assessment of the main mechanisms ensuring nitrogen removal (nitrification, denitrification and sorption, respectively). A first part, conducted in pilot-scaled units fed in real domestic wastewater, aimed at identifying the respective effects of various design and operational parameters (filtration height, filtration area, hydraulic and organic loads) in order to provide design recommendations for an efficient removal of ammonium as well as organic matter and suspended solids. A second part of this work, carried out in pilot-scaled units fed with semi-synthetic wastewater, focused on denitrification process in order to highlight driving parameters (influent composition, design and operational parameters) of full nitrate removal. Last but not least, a third research axis, conducted in column-scaled units, assessed the ammonium adsorption onto reactive material (i.e. zeolite) in order to optimize the retention time of ammonium within the system in regards with nitrification kinetic. These results were then summarized in order to provide design guidelines as well as recommend further complementary experiments.

Les approches physico-chimiques étant insuffisantes pour évaluer l'impact de la pollution sur les écosystèmes , de nombreux bioessais, variant de par le niveau d'organisation représenté, ont été développés. Parmi ces essais on trouve les essais en microcosme aquatique de laboratoire qui sont un compromis entre les essais monospécifiques standards de laboratoire, méthodes couramment employées mais très simplifiées et peu représentatives sur le plan écologique et les essais en mésocosme extérieurs, plus représentatifs mais coûteux, lourds à mettre en œuvre, moins réplicables et plus difficiles à interpréter. Dans ce travail, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l'essai initialement développé par Clément et Cadier (1998). Cet outil permet d'évaluer l'effet de substances ou de matrices potentiellement contaminées sur un écosystème artificiel composé d'eau et de sédiment, dans lesquels sont introduites simultanément 5 espèces aquatiques d'eau douce usuellement employées dans des essais de toxicité mono-spécifiques : l'algue Pseudokirchneriella subcapitata, la lentille d'eau Lemna minor, la daphnie Daphnia magna, l'amphipode Hyalella azteca et l'insecte Chironomus riparius. Cet essai en microcosme a été utilisé dans de nombreux projets depuis sa conception mais sa variabilité demeurait la principale limite malgré les améliorations successives. Le principal objectif de ce travail était donc d'optimiser l'essai. La principale amélioration testée a été le renouvellement continu de l'eau du système, qui a permis de stabiliser les paramètres physico-chimiques de la colonne d'eau des microcosmes et la densité algale, et ainsi d'améliorer le développement des organismes et la réplicabilité de l'essai. Le cadmium a été utilisé comme contaminant modèle afin d'évaluer les développements méthodologiques proposés. La diminution de la variabilité en présence de renouvellement d'eau augmente la capacité à détecter des effets sublétaux sur les organismes pélagiques avec les tests statistiques classiques. Le développement d'un cadre de modélisation dynamique a permis de comparer la sensibilité des daphnies au cadmium dans des expériences aux profils d'exposition différents. / The physico-chemical approaches are insufficient to assess the impact of pollution on ecosystems. Thus many bioassays, varying in the level of organization represented, have been developed, as laboratory aquatic microcosm tests. These tests are a compromise between single-species tests, which are standard laboratory methods commonly used but highly simplified and not very ecologically representative, and outdoor mesocosm tests, which are more representative but more expensive, heavy to implement, less replicable and more difficult to interpret. In this work, we focused on the bioassay originally developed by Clément and Cadier (1998). This tool allows to evaluate the effect of substances or potentially contaminated matrices on an artificial ecosystem consisting of water and sediment in which are introduced simultaneously five freshwater aquatic species commonly used in monospecific toxicity testing : the algea Pseudokirchneriella subcapitata, the duckweed Lemna minor, the daphnia Daphnia magna, the amphipod Hyalella azteca and the insect Chironomus riparius. This test was used in many projects since its conception but its variability remains the main limitation despite successive improvements. The main objective of this study was to optimize the test. The main improvement was continuous renewal of the water system, which helped to stabilize the physico-chemical parameters of the water column and algal density, and thus improve the development of organisms and replicability of the test. Cadmium was used as a model contaminant to evaluate the proposed methodological developments. The decrease in variability in flowthrough microcosms increases the ability to detect sublethal effects on pelagic organisms with conventional statistical tests. The development of a dynamic modeling framework was used to compare the sensitivity of Daphnia to cadmium in experiments with different exposure pattern.

Les ouvrages d’infiltration sont utilisés aujourd’hui comme alternative au réseau d’assainissement pluvial. Ils réduisent les risques d’inondation, contribuent au piégeage de polluants permettant ainsi de limiter la détérioration des milieux aquatiques superficiels et sont reconnus pour recharger la nappe. Cependant leur fonctionnement est affecté à long terme par le colmatage réduisant leur performance hydraulique. Par ailleurs, lorsque ces systèmes sont munis de surverses, le colmatage limite les capacités d’interception des flux d’eau et des polluants. Le colmatage constitue donc un facteur clé dans le fonctionnement de ces systèmes tant sur un plan hydraulique qu’environnemental. Cette thèse a pour but de mesurer et de comprendre l’évolution spatio-temporelle du colmatage à une échelle mégascopique (l’échelle d’un ouvrage extensif type) et diachronique (sur le moyen terme). Pour cela une approche expérimentale a été menée au sein de l’Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU) selon trois niveaux d’investigation sur un même ouvrage en conditions réelles de fonctionnement. Un premier niveau (échelle globale) a consisté à mesurer l’évolution temporelle du système pris dans son ensemble grâce au calage de la résistance hydraulique au sens du modèle de Bouwer. Cette étape a nécessité de mesurer et d’exploiter des données en continu de flux d’eau, de sédiments, de matière organique apportés au système, les facteurs environnementaux comme la température d’air et d’eau, l’ensoleillement, le rythme, la nature des événements pluvieux, la saisonnalité, etc., sur un historique de 8 ans. Cette étape nous a mis en évidence la dynamique d’évolution du colmatage et le rôle bénéfique du développement de la végétation sur le maintien de la capacité d’infiltration globale d’un ouvrage de ce type. Un deuxième niveau (échelle semi globale) nous permettant de distinguer l’évolution temporelle du colmatage du fond et des parois, a montré leur dynamique respective (rapide pour le fond, très lente voire inexistante pour les parois). Un troisième niveau (échelle locale) a tenté d’explorer la répartition spatiale et temporelle du colmatage sur le fond des ouvrages sur des échelles de temps plus courtes. L’approche expérimentale a consisté à caractériser la couche colmatante en terme physico chimique et dans une moindre mesure biologique (conductivité hydraulique à saturation, granulométrie, porosité, masse volumique apparente, masse volumique des particules solides, matière organique, biomasse). Elle a analysé également le rôle de la végétation spontanée sur la capacité d’infiltration vis-à-vis des caractéristiques de l’horizon de surface et la structure aérienne et racinaire des espèces présentes. Enfin des analyses statistiques de l’évolution du colmatage à chaque échelle a mis en évidence la part potentiellement importante du colmatage biologique sur ces systèmes alors que, pour la gestion des eaux pluviales ce facteur est généralement négligé. / Infiltration systems are widely used in urban stormwater management. Infiltration systems can significantly reduce stormwater discharges to sewer systems and may therefore contribute to the mitigation of flooding problems. In addition infiltrations systems also help to reduce stormwater pollution, contribute to groundwater recharge and to water course protection. However, the hydraulic performance of infiltration systems decreases with time due to clogging effects. A clogged layer limits the transfer of water and pollutants in infiltrations systems. The clogging has a significant impact on the long-term performance of a system. The aim of this PhD study is to better understand spatio-temporal evolution of clogging on large infiltration systems involving different scales: (i) global scale, (ii) semi - global (the whole bottom and the sides), (iii) local scale (different part of the bottom). An experimental approach has been carried out in the OTHU project (Field Observatory on Urban Hydrology, www.othu.org). An infiltration basin studied with three investigations scales under real operation conditions. In a global scale, the temporal clogging evolution of the system was evaluated in terms of hydraulic resistance. This clogging indicator was calibrated from Bouwer’s model. Water inflow, TSS, COD, climatic factors (air temperature and solar energy), stormwater events and season variations were measured. The results describe the clogging evolution over 8 years. It indicates that vegetation may have a beneficial effect on infiltration capacity. In a semi global scale study, clogging evolution at the bottom and the sides, of the infiltration basin was evaluated. It proved that the clogging mainly occurs at the bottom, that is, the bottom was clogged fast and the clogging at the sides was slow. Local scale study, spatial distribution and temporal evolution of clogging at the bottom with in situ measurements during 2 years were investigated. The study characterised the clogged layer, with bio physic-chemical parameters (i.e., were investigated hydraulic conductivity, porosity, grain size, dry bulk density, organic matter and biomass content). This analyze compared also the role of different types of spontaneous vegetation. The result showed the high spatio-temporal heterogeneity on the infiltration surface. Statistical analysis of clogging evolution in each scale showed the significant impacts of biological activity in the stormwater infiltration basins, which was often neglected

L’hétérogénéité de la zone non saturée joue un rôle important dans le transfert d’eau et de soluté car elle accentue à la fois le développement des zones de stockage temporelles et les écoulements préférentiels. Par conséquent, la validation des modèles prédictifs nécessite le développement des outils expérimentaux spécifiques afin d’observer et de quantifier les mécanismes de transport impliqués dans un système non saturé hétérogène. Cette thèse vise à étudier l’effet combiné de la vitesse d’infiltration, de la barrière capillaire et l’angle de la pente d’interface entre deux matériaux sur les processus de l’écoulement de l’eau et du transport de soluté dans un modèle physique, le lysimètre de laboratoire 1x1x1.6 m3, nommé LUGH (Lysimeter for Urban Groundwater Hydrology) et un modèle numérique 3D de ce lysimètre. Le lysimètre LUGH est rempli par un sable fin et un mélange bimodal (50 % sable fin et 50 % gravier) en deux configurations: un profil uniforme de matériau bimodal ou un profil avec deux couches avec une pente de 14o. Ces agencements figurent l’hétérogénéité structurale et texturale observée sur un des sites expérimentaux de l’OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) : le bassin d’infiltration d’eaux pluviales Django Reinhardt géré par la ville de Lyon (France). Le lysimètre est alimenté en eau et avec un traceur inerte (bromure de potassium, KBr) sur une partie de la surface par un système d’arrosage automatique. Les effluents ont été recueillis dans quinze sorties différentes en bas du lysimètre. La forte hétérogénéité des flux des sorties et des courbes de percée souligne la mise en place des écoulements préférentiels résultant à la fois de l’effet de barrière capillaire et de l’effet de fond du lysimètre. A partir des résultats expérimentaux, la modélisation numérique à l’aide de logiciel COMSOL MultiphysicsTM a permis de mieux comprendre les mécanismes responsables de ces transferts hétérogènes. Lorsque le modèle numérique validé, un test de sensibilité a été conduit pour étudier les effets de la vitesse d’infiltration et de la pente de l’interface sur l’écoulement. Les résultats montrent que la diminution de la vitesse d’infiltration ou l’augmentation de la pente de l’interface favorisent le développement des écoulements préférentiels. Notre étude a donné également des renseignements pertinents sur le couplage entre les processus hydrodynamiques et le transfert des solutés dans les sols non saturés hétérogènes en soulignant le rôle de la géométrie des interfaces ainsi que celui des conditions aux limites comme des facteurs clés pour la quantification des écoulements préférentiels. / The heterogeneity of the unsaturated zone plays an important role in the water and solutes transfer as it accentuates both the development of stagnant zones for water and preferential flow. Therefore, the validation of predictive models requires the development of specific experimental tools to observe and quantify the transport mechanisms involved in a heterogeneous unsaturated system. The aim of this thesis is to describe the combined effect of infiltration, capillary barrier and sloping layered soil on both flow and solute transport processes in a large physical model (1x1x1.6 m3) called LUGH (Lysimeter for Urban Groundwater Hydrology) and a 3D numerical flow model. Sand and a soil composed of a bimodal sand-gravel mixture were placed in the lysimeter represent one of the commun structural and textural elements of the heterogeneity observed in the vadose zone under an infiltration basin of Lyon (France). The soil was compacted in two configurations: a uniform profile and a profile with two layers having a slope of 14°. Water and an inert tracer (KBr) were injected from the top of the lysimeter using a specific water sprinkler system and collected at 15 different outlets at the bottom. The 15 breakthrough curves obtained presented high heterogeneity, emphasising the establishment of a preferential flow resulting from both capillary barrier and soil layer dip effects. Numerical modelling led to better understanding of the mechanisms responsible for these heterogeneous transfers and it was also used to perform a sensitivity analysis of the effects of water velocity (water and solute flux fed by the sprinkler) and the slope interface. The results show that decreasing velocity and increasing the slope of the interface can lead to the development of preferential flows. In addition, the offset of the centre of gravity of the flow distribution at the output increases linearly as a function of the slope angle of the layered soil. This paper allows coupling the hydrodynamic approach with the transfer of pollutants in unsaturated heterogeneous soil and highlighting preferential flow by flow modeling.

Les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical (FPR-V) pour le traitement des eaux usées domestiques sont relativement bien développés en France et permettent de réaliser un traitement poussé de la matière carbonée et la nitrification. La robustesse de cette filière réside également dans sa capacité à accepter des surcharges hydrauliques en temps de pluie. Cependant ces limites d’acceptation hydraulique ne sont pas bien définies et demandent à être optimisées. La conception des FPR-V pour accepter des surcharges hydrauliques est un travail complexe car le contexte local affecte fortement les débits d’eau entrants dans la station lors d’un événement pluvieux. Dans de tels cas, la conception de filtres demande l’utilisation de modèles dynamiques. Ces modèles s’appuient le plus souvent sur une approche mécanistique et sont à l'origine conçus et utilisés pour la recherche. Cependant, si ces modèles sont des outils puissants pour décrire en détail la dynamique du FPR-V, ils sont généralement trop complexes à manipuler pour des utilisateurs non experts. Choisir entre une description détaillée et une manipulation facile dépendra des objectifs de modélisation. Quand des objectifs de dimensionnement global sont visés par les concepteurs, l'utilisation de modèles simplifiés semble une bonne alternative. Les modèles simplifiés sont faciles à utiliser pour la conception de FPR-V mais ils sont peu nombreux. Cependant ils sont adaptés à des configurations spécifiques liées au traitement des surverses de déversoirs d’orage, ce qui n’est pas le cas pour les FPR-V traitant des eaux usées domestiques. En effet, pour ce type de FPR-V les vitesses d’infiltration du système varient considérablement. En conséquence, ce travail de thèse a pour objectif de développer un modèle hydraulique simplifié des FPR-V qui permettra de guider les concepteurs dans le processus d’adaptation des FPR-V pour traiter les eaux usées domestiques des périodes de temps sec et de temps de pluie. Le modèle simplifié permet de relier (i) l’hydraulique du filtre, en simulant le temps de noyage à la surface, et (ii) les performances biologiques, en établissant des «alertes de dysfonctionnement », basées sur l'évaluation des performances épuratoires et sur les variations des formes azotées à la sortie du filtre mesurées en continu. Les «alertes de dysfonctionnement» représentent la charge hydraulique maximale qu'un filtre peut accepter sans compromettre son activité biologique. Le modèle simplifié a été utilisé pour la modélisation hydraulique du FPR-V à long terme (i) pour analyser l’impact du contexte local et la conception du filtre dans l’acceptation de surcharges hydrauliques. Grâce à cet analyse, (ii) on peut proposer les dimensionnements de FPR-V qui arrivent à mieux gérer l’acceptation des surcharges hydrauliques. / French vertical-flow constructed wetlands (VFCW) directly treating raw wastewater are known to perform well on for SS, COD and nitrification. They are also known to robustly cope with hydraulic overloads during rainfall events. Although numerous systems have been installed in areas equipped with a combined sewer, the limits of stormwater acceptance remain ill-defined and need to be improved. Looking at the various VFCW designs and usages reported in the literature, it is difficult to draw any consensus on their hydraulic limits. Consequently, designing VFCW to accept hydraulic overloads is a complex task, as local context strongly impacts inlet flows produced during rainfall events. Dynamic models appear a requisite for filter design in such cases. Numerical CW models have essentially focused on horizontal flow, with few attempting to study VFCW dynamics which are more commonly tackled via mechanistic models. Although mechanistic models are powerful tools for describing processes within the VFCW, they are generally too complicated to be readily used by designers. The choice between detailed description and easy handling will depend on the modelling aims. If the aim is a global design tool, simplified models offer a good alternative. However, the simplified models geared to studying VFCW dynamics are extremely reduced. They are easy-handling for design and well-adapted to specific purposes (combined sewer overflow -CSO- treatment) but not necessarily to VFCW treating combined sewer wastewater, where long-term infiltration rates vary significantly. Consequently, this PhD thesis work focused on developing a simplified hydraulic model of VFCW to guide designers through the process of adapting VFCW systems to treat domestic wastewater in both dry and rain events. The simplified model makes it possible to link (i) hydraulics, by simulation of ponding time variations, (ii) biological performances, by establishing “dysfunction alerts” based on treatment performance assessment and variations in online N forms effluent from the young VFCW. These “dysfunction alerts” plot the maximal hydraulic load that a filter can accept without compromising its biological activity. The simplified model was used to model long-term hydraulics in the VFCW (i) to analyze the impact of local context and filter design on hydraulic overload acceptance (using “dysfunction alerts” and bypass discharges) and (ii) to propose VFCW designs for accepting hydraulic overload in different contexts. The modelling demonstrates that VFCW can limit days with bypass discharges to less than 20 times per year without jeopardizing filter performances. Moreover, the most problematic scenario on stormwater treatment remains a watershed with high imperviousness coefficient and low slope under a Bretagne-type climate, demonstrating that the filter is more sensitive to periodicity and duration than to intensity of rainfall events.