En France, face aux problèmes liés au réseau d’assainissement hérité du XIXème siècle, une solution consiste à gérer les eaux pluviales par des techniques « alternatives » au réseau. Le « tout tuyau » fait place à un ensemble d’objets techniques hybrides, composés d’éléments naturels et de matériaux synthétisés. Ces « objets de nature » présentent une apparence mixte (naturelle/artificielle) et assurent des fonctions multiples qui peuvent rendre leur intégration difficile. Dans quelles mesures l’appropriation des objets de nature par les publics est-elle difficile? Comment s’établit la place des objets de nature dans la ville? Cette thèse vise plusieurs objectifs. Il s’agit de renseigner les relations entre publics et objets de nature, d’obtenir des éléments sur les pratiques et usages des publics et d’apporter une réflexion sur la manière d’étudier les comportements humains. Pour se faire, trois enquêtes basées sur de l’observation directe doublée par une prise d’images systématisée ont été menées au cours de quatre saisons et à travers 12 études de cas réparties au sein de la métropole lyonnaise. Ces enquêtes ont tout d’abord permis de préciser la construction de l’objet de nature en tant qu’instrument à travers le concept de genèse instrumentale de Rabardel. Ensuite, les pratiques, usages ainsi que les conditions d’utilisation des dispositifs ont pu être définis grâce aux comportements observés chez les publics. Enfin, les avantages et limites de l’observation directe et des conditions d’analyse des données ont été discutés dans le but d’apporter des pistes d’amélioration à cette méthodologie pour de futures études. / To better manage storm water and to respond to problems related to the sanitation networks conceived in the 19th Century, some alternative techniques, other than networks, are being put forward. The “all tubes” concept is giving way to various technical objects of a hybrid nature made up of natural components and synthesized material. The physical appearance of these “natural objects” is double (both natural and artificial) and they fulfil various purposes. Thus, their insertion in the landscape can be delicate. How are these natural objects seized by society? In this process are any difficulties encountered? How is the place for natural objects defined in a city? The purpose of this dissertation is triple: (1) gather information on the relationship between societies and natural objects, (2) collect data on the public's use and practices, (3) discuss a methodology to study human behavior. Three inquiries were carried out during the four seasons of the year and in twelve sites; they were based on direct observation and systematized photography. Based on the fieldwork and the concept of “genèse instrumentale” developed by Rabardel, a discussion was developed on the building of a natural object as a tool. Subsequently, based on the observation of the public, practices, uses and the conditions in which these natural objects are used were defined. The dissertation concludes by highlighting the advantages and the limits of direct observation, and by developing the biases such as the context in which the data was analyzed, in order to suggest some possible methodological enhancements which could help future studies.

En France les filtres plantés à écoulement vertical sont utilisés pour le traitement des surverses de déversoir d’orage (CSO en anglais). Ils sont efficaces pour le traitement des polluants ainsi que pour assurer un rôle de tampon hydraulique permettant de protéger les milieux hydriques superficiels. Ils ont la particularité de recevoir des effluents bruts dont la fréquence, l’intensité, la durée et les concentrations sont stochastiques. En conséquence de quoi l’optimisation du dimensionnement est particulièrement délicate. Dans ce travail, le dimensionnement est abordé suivant deux approches. D’une part en définissant les processus clefs pour une optimisation du dimensionnement et, d’autre part, en construisant un modèle dynamique simplifié (Orage)permettant de prendre en compte, sur le long terme, le caractère stochastique des évènements et les contraintes locales. Le cœur du modèle a été calibré et validé sur une large gamme d’évènements mesurées sur un site en taille réelle (site de Marcy l’Etoile). La qualité de la calibration a été validé aussi bien visuellement que statistiquement et la robustesse du modèle étudiée par une analyse de sensibilité (méthode de Morris). L’optimisation automatique du dimensionnement a nécessité la réalisation d’une boucle itérative également paramétrée et testée dans le cadre du site de Marcy l’Etoile et pour des cas théoriques. Les dimensionnements proposés ont été estimés réalistes. La définition des processus clefs du système de traitement, et le développement du modèle simplifié, a également été possible grâce à la simulation d’expérimentations sur colonnes par un modèle mécaniste (HYDRUS / CW2D). La paramétrisation des processus du modèle simplifié a été réalisée sur la base d’expérimentations détaillées sur le site de Marcy l’Etoile. Le site a été suivi pendant trois ans aussi bien par des prélèvements automatiques, des traçages, que des mesures en lignes (hydraulique, azote, teneur en eau). Parmi les processus calibrés, nous retiendrons i) l’importance du niveau de saturation de la base du filtre au début d’un évènement vis-à-vis des court circuits hydrauliques, ii) la définition des capacités d’adsorption de l’azote ammoniacale de différents matériaux (pouzzolane, mélange de sable et de zéolite) et iii), la définition des cinétiques de nitrification suivant la température et quantité d’azote ammoniacal adsorbé. Si les performances de l’ouvrage sont hautes pour les paramètres majeurs (MES, DCO, N-NH4), l’impact du dimensionnement, de la gestion et des facteurs environnementaux sur les performances et l’accumulation de boue a été étudié. De plus, quelques suivis ont été réalisés sur les métaux et les HAP. Ces mesures ont permis non seulement de calibrer le logiciel Orage mais aussi de proposer des modifications pour l’amélioration du dimensionnement. / Constructed wetlands for combined sewer overflow treatment (CSO CWs) are vertical flow filters in France. They effectively remove pollutants and mitigate hydraulic peaks, which protects natural waters. They receive unsettled flows with stochastic return periods, volumes and concentrations, making design optimization difficult. In the presented work, design is targeted from two sides. First, the scientific basis is laid down for the design-support software Orage. The tool is model-based and as such, it considers the stochasticity of CSOs site-specifically. Its core model has been calibrated and then verified by a range of tests. Simulations fit to measured data from a full-scale CSO site (Marcy l’Etoile). The goodness of fit is evaluated visually and statistically. Model robustness has been confirmed by a sensitivity analysis (Morris method). After this, the iterative shell has been parameterized and tested (the software element doing automatic optimization). The design proposals of the tool have been found realistic. The other approach to target optimization has been a detailed field research at Marcy l’Etoile. The site at Marcy l’Etoile has been monitored for three years, using automatic samplers and online probes. The filling of the porous media at event start proves and explains shortcutting behaviour. Adsorption capacities have been quantified for pozzolana and a sand and zeolite mixture. A temperature-dependent equation is calibrated to calculate nitrification rate. System efficiency is high for target pollutants (TSS, COD, NH4-N). Design, operational and environmental factors have been analysed to seek potential effects on removal performances and sludge accumulation. Additionally, PAHs and metals are indicated for a few selected events. The field results were essential to calibrate Orage and to see options for design improvements. The understanding of CSO CWs and the development of Orage was promoted also by simulating lab-scale columns using the process-based model package HYDRUS / CW2D.

Les débitmètres sont des technologies connues et fortement répandues mais pas exemptes d’erreurs, dont les causes peuvent être assez variées. Ces capteurs installés dans les systèmes d’assainissement ne sont de plus pas rigoureusement étalonnables in situ. Une méthode de vérification in situ des débitmètres, utilisable pour des pseudos étalonnages, est présentée. En effet, l’injection ponctuelle d’un traceur dans un écoulement permet de calculer le débit et son incertitude d’une manière indépendante des sondes en place. Cette méthodologie, en sept étapes, offre des résultats comparables à ceux fournis par des méthodes considérées comme des références (traçages aux sels et débitmètre électromagnétique). Des premiers essais en réseaux unitaires ont été réalisés pour la vérification de débitmètres (le long d’un collecteur du Grand Lyon) et pour le calage de courbes de tarages (sur le Syndicat Intercommunal d’Assainissement Grand Projet). Pour les mesures qualitatives des effluents, de nombreuses études antérieures ont montrées de bonnes corrélations entre les concentrations en polluants et les signaux fournis par des turbidimètres et des spectromètres UV/visible. Un pilote expérimental et des campagnes d’échantillonnages sur des effluents prétraités de la station d’épuration de Fontaines sur Saône ont été mis en place pour répondre aux objectifs suivants : i) concevoir et tester un site de mesure de nouvelle génération, ii) chercher des modèles de régressions entres différents capteurs (turbidimètres mono et bi-longueur(s) d’onde(s), conductimètre, pHmètre, spectromètre UV/visible, capteurs à micro-ondes) et les concentrations en polluants pour les échantillons de temps sec, de temps de pluie et la totalité, iii) caractériser la performance de ces modèles et iv) tester la robustesse des méthodes proposées sous des conditions atypiques mais susceptibles d’être rencontrées en réseau d’assainissement. Les résultats confirment les bonnes corrélations entre certains paramètres (turbidité, conductivité et spectre UV/visible) et les concentrations en polluants. Aucun capteur n’est le plus performant pour l’ensemble des polluants. La majorité des capteurs délivrent des estimations comparables aux incertitudes près mais ces estimations sont peu voire pas redondantes aux analyses effectuées sur les échantillons. La conception du banc (et les variations des matrices des eaux usées) et/ou les conditions expérimentales lors des tests de robustesse sont peut être en cause. / Flowmeters are well known technologies and highly prevalent but not free of errors, the causes can be quite varied. These sensors installed in sewer systems can’t be in situ calibrate. A method of in situ verification of flow meters, used for pseudo-calibrations, is presented. Indeed, the injection of a tracer in a flow allows to calculate the flow and its uncertainty in a manner independent of probes in place. This methodology, in seven steps, provides results comparable to those provided by methods considered standards (tracer salts and electromagnetic flowmeter). The first applications in combined sewers were conducted for verification of flowmeters (along a main pipe of Greater Lyon) and for calibrations curves (the Syndicat Intercommunal Grand Sanitation Project). For qualitative measures of influents, many previous studies have shown good correlations between pollutant concentrations and the signals provided by turbidimeters and UV/visible spectrometers. A pilot and experimental samples taken during campaigns on the pretreated influent of the waste water treatment plant of Fontaines-sur-Saône, a bench was built to meet the following objectives: i) design and test a site measuring of a new generation, ii) seek regression models among different sensors (single and dual length(s)-wavelength(s) turbidimeters, conductivity meter, pH meter, UV/visible spectrometer, microwave sensors) and pollutant concentrations for samples of dry weather, wet weather and all, iii) characterize the performance of these models and iv) test the robustness of the proposed methods under atypical conditions but succeptibles to be encountered in sewers. The results confirm the good correlations between few parameters (turbidity, conductivity and UV/Vis fingerprint) and pollutant concentrations. No sensor is the most efficient for all pollutants. The majority of sensors deliver similar estimates to uncertainties but these estimates are little or no redundant with laboratory analysis. The design of the bench (and changes in wastewater matrices) and / or experimental conditions during the tests of robustness may be involved.

Les bassins de gestion des eaux pluviales, dont l’horizon de surface est parfois fortement contaminé, peuvent être naturellement ou volontairement colonisés par la végétation. L’objectif de ce travail est de mieux comprendre le rôle de la végétation dans le contrôle de la mobilité des métaux lourds comme le Zinc, le Cuivre et le Cadmium. Le premier volet de ces travaux, consacré à la caractérisation de la végétation se développant dans ces bassins, a montré que ces ouvrages abritaient une flore diversifiée, allant d’une végétation rudérale éparse à une végétation dense caractéristique de zones humides. Ensuite, une analyse physico-chimique multiparamétrique d’échantillons prélévés à la surface de bassins colonisés par des espèces végétales dominantes a été réalisée. Nous avons montré que les carbonates et la matière organique contrôlaient particulièrement la mobilité du Cu, Cd et Zn dans ces milieux. Les paramètres les plus variables temporellement et spatialement, sont essentiellement liés au cycle de la matière organique (nitrates, fraction métallique lié à la matière organique) mais également à l’apport de particules anthropiques (texture, métaux). Lorsque la plante est à son maximum de croissance, la mobilité potentielle des métaux est la plus élevée alors que la phase de sénescence de la plante semble conduire à un meilleur piégeage de ces contaminants. Cette thèse invite à considérer la végétation comme un agent de transformation de l’horizon de surface et à intégrer cette composante dans les futurs travaux sur la contamination des ouvrages d’assainissement urbain. / Urban stormwater basins surfaces can be highly contaminated and can be spontaneously or intentionaly vegetated. The aim of this work is to better characterize the role of the vegetation on heavy metal (Zn, Cd, Cu) mobility. Firstly, vegetation inventory has pointed out the high species diversity in these devices (from ruderal vegetation to wetland plants). Then, a physico-chemical characterization of surface samples vegetated by dominant species has been carried out. We have shown that carbonates and organic matter play a major role in the control of heavy metal mobility. The parameters which are the most spatially and temporally variable are essentially related to organic matter cycle (nitrate, heavy metal fraction bound to organic matter), and to the introduction of stormwater suspended matter (heavy metals, texture). At the maximum of plant growth phase, heavy metal mobility is enhanced and the period of plant death leads to a better heavy metal retention in the basin surface. This thesis invites us to consider plants as agents of surface stormwater basin transformation and to include plants in future research work.

L’objectif de cette thèse est de développer, tester et valider des méthodes, techniques et outils permettant de traiter et décomposer les hydrogrammes en temps sec et en temps de pluie, dans le but de comprendre, de représenter et de prédire les dynamiques liées à ces composantes de débits sur des bassins versants urbanisés. Les données en continu de temps sec recueillies sur ces deux bassins versants Chassieu et Ecully ont été traitées à partir de la méthode de traitement des signaux bruités par ondelettes, puis analysées. L’utilisation de ces méthodes et l’analyse des données en continu a permis de mettre en évidence des composantes périodiques intra et inter journalières dans les débits mesurés. Ces composantes ont ensuite été caractérisées puis ont servi de base pour l’élaboration d’une typologie des hydrogrammes de temps sec relatif à chaque site d’étude. Des méthodes, techniques et outils de traitement, d’analyse de séries de données et de calage de modèles pluie-débit ont également été utilisés et deux modèles pluie-débit ont été proposés pour représenter : (i.) la composante liée aux eaux de ruissellement pour les deux sites d’études et (ii.) la composante d’eaux parasites d’infiltration événementielle. La typologie des hydrogrammes de temps sec ainsi que les modèles de production de flux d’eaux en périodes pluvieuses ont été implémentés dans une plate-forme de modélisation hydrologique appelée « Hydrobox ». Les débits simulés ont ensuite été confrontés aux débits mesurés. Les résultats de comparaison montrent l’intérêt de prendre en compte la signature particulière portée par chaque composante dans le but d’améliorer la compréhension et la représentation des dynamiques liées aux processus hydrologiques intervenant sur des bassins versants urbanisés. / The objective of this thesis is to develop, test and validate methods, techniques and tools which can process and decompose hydrographs in order to understand, represent and predict the dynamics associated with these flow components in urbanized watersheds. The development of the methodology is based on rainfall and runoff data including qualitatives measures of the flow rate (conductivity, pH and turbidity) continuously acquired as part of the Field Observatory for Urban Hydrology (OTHU) for two watersheds in Lyon: Django Reinhardt (Chassieu) and Ecully. The continuous data collected in dry weather period from these two watersheds were analyzed using wavelets transforms. These methods combined to signal treatments analysis helped to reveal periodic component in the measured flows. These components were then characterized and used as a basis for developing a typology of hydrographs of dry weather period for each study site. Methods, techniques and tools for processing and analyzing of data sets and calibrating of rainfall-runoff models have been used to propose two models which represent respectively: (i) the component related to the runoff contribution for the two study sites and (ii.) the component related to parasitic water infiltration. The typology of hydrographs for dry weather period, the rainfall-runoff model and the infiltration-inflow model were implemented in a platform for hydrological modeling called “Hydrobox”. The simulated and the measured flow values were then compared. The comparison results show the importance of taking into account the particular signature carried by each component in order to improve the understanding and representing the dynamics related to hydrological processes in urbanized watersheds.

La gestion des eaux pluviales constitue un défi important à relever dans les villes du monde entier : aujourd’hui on ne compte plus les problèmes d’inondation et de pollution, problèmes chroniques qui tendent à s’amplifier à mesure que l’urbanisation grandit en parallèle du changement climatique. Une gestion durable de ces eaux est au cœur des enjeux du XXIe siècle et afin de faire face à ces problèmes le Ministère de l’Écologie et du Développement Durable a engagé une opération de recherche sur cette thématique. Parmi les problèmes posés par les eaux pluviales, notre étude se focalise sur les rejets urbains de temps de pluie (RUTP). Ces rejets constituent un apport important et imprévisible de nombreux polluants pour les masses d’eaux réceptrices. La pollution des RUTP est étudiée depuis de nombreuses années et, alors que les connaissances en la matière s’affinent, il n’existe à l’heure actuelle aucune étude de grande ampleur permettant d’identifier l’impact des RUTP sur les écosystèmes récepteurs. Notre travail a consisté à étudier l’impact environnemental de différents échantillons de RUTP collectés sur 3 sites d’assainissement pluvial de l’agglomération lyonnaise. Pour cela nous avons sélectionné des bioindicateurs pertinents, les microalgues d’eau douce, organismes unicellulaires à la base des chaînes trophiques et très sensibles aux polluants présents dans les RUTP. Nous avons réalisé des bioessais écotoxicologiques connus de la littérature et contribué au développement de nouveaux indicateurs de toxicité complémentaires. De plus nous avons cherché à adapter ces bioessais pour permettre leur utilisation sur le terrain. En parallèle nous avons travaillé à l’amélioration d’un biocapteur enzymatique à cellules algales. Ses performances ont été évaluées sur des échantillons de RUTP avant d’œuvrer à la construction d’une station automatisée qui nous a permis de réaliser des mesures directement sur les sites d’assainissement (on line monitoring). Ce travail contribue à mettre en évidence l’impact important des RUTP sur le milieu récepteur tout en confirmant le caractère hétérogène de ce type d’effluent et l’intérêt des dispositifs de surveillance in situ. / The stormwater management constitutes an important challenge for cities around the world: today there are countless problems of flooding and pollution, chronic problems that tend to amplify as urbanization grows. Sustainable management of these waters is at the heart of defies of the twenty-first century and to address these problems the Ministry of Ecology and Sustainable Development has launched a research operation. Among problems posed by stormwater, our study focuses on urban wet weather discharges (UWWD). These releases are an important and unpredictable contribution of many pollutants to the receiving water bodies. UWWD's pollution has been studied for many years and, while knowledge in the field matures, there is at present no large-scale study to identify the impact of UWWD on the receiving ecosystems. Our work consist in studying the impact of different UWWD samples collected at 3 storm sanitation sites of Lyon on the environment. We have relevant bioindicators, freshwater microalgae, unicellular organisms at the base of the trophic chain and very sensitive to pollutants present in the UWWD. We have undertaken ecotoxicological bioassays known from the literature and contributed to the development of new indicators of toxicity. Furthermore, we seek to adapt these bioassays to allow their use in the field. In parallel, we have worked to improve an enzyme biosensor algal cell. We evaluated its performances on samples of UWWD and then we built an automated measuring station to make measurements directly on the remediation site (online monitoring).

Les bassins de retenue des eaux pluviales sont utilisés pour préserver la qualité des eaux réceptrices par sédimentation pendant le temps de pluie. Cependant, les efficacités du bassins n'étaient pas satisfaisants en raison de la mal compréhension du processus de sédimentation. Afin de mieux comprendre ces processus dans des ouvrages in situ, cette thèse porte à la fois sur des expérimentations in situ et sur les modélisations de l'hydrodynamique et du transport particulaire dans les bassins de retenue pilotes et in situ. Cette recherche s’est appuyée en grande partie sur le bassin Django Reinhardt (BDR) à Chassieu (volume: 32000 m3, surface: 11000 m2) dans le cadre de l’OTHU et sur les données expérimentales obtenues par Dufresne (2008) et Vosswinkel et al. (2012). Les échantillons de sédiments ont été prélevés et leurs caractéristiques physiques ont été analysées en laboratoire dans le but de cerner leur distribution spatiale. Concernant la modélisation numérique, les simulations de l’hydrodynamique en régime permanent ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD Fluent et ont été évaluées à partir de l’analyse de corrélation entre le comportement hydrodynamique du bassin et la distribution spatiale des caractéristiques physiques des sédiments. Les conditions limites sur le fond couramment utilisées et largement décrites dans la littérature ont été testées dans le but de représenter la distribution spatiale des sédiments et l’efficacité de décantation du BDR. Les conditions testées sont : i) contrainte de cisaillement critique ou bed shear stress – BSS et ii) énergie cinétique turbulente critique ou bed turbulent kinetic energy - BTKE. L’approche Euler-Lagrange dite « particle tracking » a été mise en œuvre. En raison de l'échec de prédiction des zones de dépôt à l’aide des conditions limites disponibles (BSS et BTKE), une nouvelle relation a été proposée pour estimer le seuil BTKE. La condition à la limite obtenue en utilisant cette nouvelle relation a été testée sur un bassin pilote (Dufresne, 2008) et sur le BDR en régime permanent. Les résultats obtenus n’étaient pas très satisfaisants concernant la prédiction des zones de dépôt et l’efficacité de décantation dans le bassin BDR, même en considérant une distribution granulométrique non uniforme. Afin de mieux prédire les zones de dépôt dans le BDR, une nouvelle méthode a été proposée en considérant le transport des particules, leur décantation et leur érosion en régime transitoire. Sur la base de la méthode proposée pour le transport des particules, la décantation et l'érosion en régime transitoire, plusieurs modélisations avec différentes conditions limites ont été réalisées dans un bassin de retenue pilote rectangulaire (Vosswinkel et al., 2012). Les prédictions des efficacités et des zones de dépôt en régime transitoire avec la méthode proposée sont satisfaisantes / Stormwater detention basins are used to preserve the quality of receiving waters by sedimentation during the wet weather. However, the removal efficiencies of basin were not satisfactory due to the not well understanding of the sedimentation processes. In order to further understand these processes in the real facilities, this thesis therefore focuses both on in situ experiments and modeling of the hydrodynamic and sediment transport in field detention basin and in small scale basin in laboratory. This research was supported by large part on the Django Reinhardt basin (DRB) in Chassieu within the OTHU program and the experimental data deriving from Dufresne (2008) and Vosswinkel et al. (2012). Samples of sediments accumulated in the basin were collected and their physical characteristics were analyzed in order to determine their spatial distribution. Concerning numerical modeling, the hydrodynamic simulations in steady state were performed using CFD software Fluent and were evaluated by the correlation analysis between the hydrodynamic behavior of DRB and the spatial distribution of the physical characteristics of sediments. The bed boundary conditions used in the literatures were tested in order to represent the spatial distribution of sediments and removal efficiency of DRB. The conditions tested were: i) critical bed shear stress - BSS and ii) critical bed turbulent kinetic energy - BTKE. Because of the failure prediction of DRB deposit zones with usual bed boundary conditions, a new relationship based on particle settling velocities has been proposed to estimate the BTKE threshold for the bed boundary condition. The proposed boundary condition was tested in a pilot basin (Dufresne, 2008) and the DRB using the Euler-Lagrange approach under steady flow conditions. The results were not very satisfactory regarding the DRB deposit zones, even considering non-uniform grain size. In order to better predict the deposit zones and settling efficiency in field detention basins, a new method has been proposed accounting for the sediment transport, settling and erosion under unsteady conditions. Based on this proposed method for representing the particle transport, settling and erosion processes under unsteady conditions, various simulations with different bed boundary conditions were carried out in a pilot rectangular basin (Vosswinkel et al., 2012). The predictions of removal efficiencies and deposition zones are satisfactory. Hence, taking into account transient effects on both hydrodynamics and sediment transport leads to drastically improve the spatial and temporal distributions of sediments in settling detention basins.

La modélisation à l’aide de l’approche RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) a été menée en trois dimensions, en considérant les régimes permanent et non permanent, dans le but de simuler les écoulements au niveau des jonctions, bifurcations et déversoirs d’orage. A travers ces trois exemples d’étude, plusieurs stratégies de modélisation (différentes combinaison lois de paroi/modèles de turbulence, différents algorithmes de couplage pression/vitesse, différents schémas de discrétisation spatiale, différentes conditions aux limites, différents types et tailles de maille, etc.) ont été testées et évaluées à l’aide de plusieurs indicateurs de performance (de type RMS –Root Mean Square) en s’appuyant sur les données de vitesses (vitesses moyennes in situ et champs de vitesses obtenus par PIV en laboratoire), hauteurs d’eau, débits (répartition de débits en bifurcation en laboratoire ou débits déversés in situ). Les résultats obtenus sont transposables aux autres cas de singularités et ouvrages spéciaux rencontrés en réseau d’assainissement et montrent que : i) les résultats des simulations 3D sont sensibles à la rugosité, aux conditions limites de hauteur et de vitesse ; ii) dans les trois cas d’étude, les schémas de discrétisation du second ordre et l’algorithme de couplage pression/vitesse PISO sont appropriés ; ii) la loi de paroi scalable couplée aux modèles de turbulence de type k-ε pour le cas des jonctions (avec un débit latéral inférieur ou égal au débit principal) ou des déversoirs semblent convenir, tandis que le modèle de turbulence RSM associé à la loi de paroi enhanced ou scalable permet de mieux représenter les écoulements à travers les bifurcations ou au niveau des jonctions lorsque le débit latéral est dominant. Sur la base de ces résultats, une méthodologie de modélisation plus générale définie en six étapes et fondée sur le guide proposée par Jakeman et al. (2006) a été mise au point. La méthodologie ainsi définie a été utilisée pour i) améliorer l’instrumentation du déversoir OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) situé à Ecully, à partir de la simulation de sa courbe de fonctionnement et en fournissant les incertitudes sur les débits déversés obtenus ; ii) simuler l’implémentation des capteurs débitmétriques à l’aval d’une jonction. Elle a permis de concevoir et de dimensionner un nouveau dispositif de maîtrise des flux d’eau et de polluants déversés (technologie DSM – dispositif de surveillance et de maîtrise des flux déversés au milieu naturel). Ce dispositif a fait l’objet d’un dépôt de brevet international. Enfin, la mise en œuvre de cette méthodologie a été à l’origine de la découverte d’une nouvelle structure d’écoulement dans la branche latérale d’une bifurcation à 90°. L’analyse des résultats des simulations des écoulements mettant en évidence cette nouvelle structure a montré qu’il était possible de prédire l’apparition de cette dernière à partir du rapport d’aspect et du nombre de Froude. / The understanding of sewer flows behaviour is a key component for better urban drainage monitoring and management. However, these flows are conveyed across singularities (such as bends, drops, deviations, etc.) and special structures (combined sewer overflows –CSOs–, channels junction, dividing flow structures, etc.). These singularities and specific structures exhibit complex geometries, leading to open channel turbulent, three-dimensional and multiphase (pollutants and storm and sewer waters) flows. Using three-dimensional CFD (Computational Fluid Dynamics) platform allows a better understanding of mechanisms of contaminants transport through these structures and singularities, leading to a better sewer monitoring. In this thesis, 3D-RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) modelling approach under steady-state conditions is used in order to study flows within CSOs, junctions and bifurcations. Through these three structures, several modelling strategies (wall law/turbulence model combination, velocity/pressure coupling algorithm, spatial discretisation schemes, boundary conditions, computational mesh –shape and size of cells–, etc.) are tested and evaluated thanks to performance indicators (such as RMS –Root Mean Square– indicators) based on velocities (in situ mean velocities and PIV velocity fields obtained in laboratory), water depths and discharge (discharge repartition for bifurcation in laboratory or in situ overflow discharge, for CSOs). Results deriving from these tests are transposable to other singularities or special structures encountered in sewer network and suggest that: i) simulated CFD results are sensitive to the roughness coefficient; ii) for the three studied structures, second-order discretisation schemes and SIMPLE or PISO velocity/pressure coupling algorithm are appropriate; iii) scalable wall function associated to the group of k-ε turbulence model for junction flows (with a lateral inflow lower or equal to the main inflow) or for CSOs is appropriate, whereas RSM turbulence model associated to enhanced wall function allows a better representation of bifurcation flows or junctions flows when the lateral inflow is greater than the main inflow. Based on these results and on Jakeman et al. (2006) guideline, a six steps-methodology focused on the using of RANS approach modelling has been proposed. This six steps-methodology is used in order to i) enhance the monitoring of an OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) CSO located at Ecully accounting for uncertainties on overflow discharge values ;ii) simulate the performance of flowmeters downstream of a junction, defining the best location for these sensors. This methodology is used to design the new overflow discharge measurement device. This device is an international patent. Finally, the application of the methodology led to point out a new flow structure, occurring in the downstream lateral branch of a 90° bifurcation.

La gestion en temps réel (GTR) est considérée comme une solution économiquement efficace pour réduire les déversements par temps de pluie car elle optimise la capacité disponible des réseaux d'assainissement. La GTR permet d'éviter la construction de volumes de rétention supplémentaires, d'augmenter l'adaptabilité du réseau aux changements de politiques de gestion de l'eau et surtout d'atténuer l'impact environnemental des déversoirs d'orage. À la suite de l'intérêt croissant pour la GTR fondée sur la qualité de l'eau (QBR), cette thèse démontre une stratégie simple et efficace pour les charges polluantes déversées par temps de pluie. La performance de la stratégie QBR, basée sur la prédiction des courbes masse-volume (MV), est évaluée par comparaison avec une stratégie typique de GTR à base hydraulique (HBR). Une étude de validation de principe est d'abord réalisée sur un petit bassin versant de 205 ha pour tester le nouveau concept de QBR en utilisant 31 événements pluvieux sur une période de deux ans. Par rapport à HBR, QBR offre une réduction des charges déversées pour plus d'un tiers des événements, avec des réductions de 3 à 43 %. La stratégie QBR est ensuite mise en oeuvre sur le bassin versant de Louis Fargue (7700 ha) à Bordeaux, France et comparée à nouveau à la stratégie HBR. En implémentant QBR sur 19 événements pluvieux sur 15 mois, ses performances sont constantes et apportent des avantages précieux par rapport à HBR, 17 des 19 événements ayant une réduction de charge variant entre 6 et 28.8 %. La thèse évalue en outre l'impact de l'incertitude de prédiction de la courbe MV (due à l'incertitude de prédiction du modèle) sur la performance de la stratégie QBR, en utilisant un événement pluvieux représentatif. La marge d'incertitude qui en résulte est faible. En outre, l'étude de sensibilité montre que le choix de la stratégie QBR ou HBR doit tenir compte des dimensions réelles des bassins et de leur emplacement sur le bassin versant. / Real time control (RTC) is considered as a cost-efficient solution for combined sewer overflow (CSO) reduction as it optimises the available capacity of sewer networks. RTC helps to prevent the need for construction of additional retention volumes, increases the network adaptability to changes in water management policies, and above all alleviates the environmental impact of CSOs. Following increasing interest in water quality-based RTC (QBR), this thesis demonstrates a simple and nothing-to-lose QBR strategy to reduce the amount of CSO loads during storm events. The performance of the QBR strategy, based on Mass-Volume (MV) curves prediction, is evaluated by comparison to a typical hydraulics-based RTC (HBR) strategy. A proof-of-concept study is first performed on a small catchment of 205 ha to test the new QBR concept using 31 storm events during a two-year period. Compared to HBR, QBR delivers CSO load reduction for more than one third of the events, with reduction values from 3 to 43 %. The QBR strategy is then implemented on the Louis Fargue catchment (7700 ha) in Bordeaux, France and similarly compared with the HBR strategy. By implementing QBR on 19 storm events over 15 months, its performance is consistent, bringing valuable benefits over HBR, with 17 out of 19 events having load reduction varying between 6 and 28.8 %. The thesis further evaluates the impact of MV curve prediction uncertainty (due to model prediction uncertainty) on the performance of the QBR strategy, using a representative storm event. The resulting range of uncertainty is limited. Besides, results of the sensitivity study show that the choice of the QBR or HBR strategy should take into account the current tank volumes and their locations within the catchment.