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Les rejets urbains par temps de pluie dégradent l’état écologique des écosystèmes aquatiques et peuvent induire une exposition des populations humaines aux contaminants chimiques et microbiens (bactéries, virus, parasites). L’objectif de ce travail de thèse était d’évaluer les effectifs et de prédire le devenir de bactéries pathogènes introduites dans les milieux aquatiques par une source majeure comme les eaux usées rejetées par des dispositifs tels que les déversoirs d’orage (DO) et les lagunes d’épuration (WWTL). La répartition d’un agent pathogène fortement liée aux milieux hydriques, Pseudomonas aeruginosa, a été comparée avec celles observées pour des indicateurs de contaminations fécales (E. coli et les entérocoques intestinaux), mais également avec celle de l’espèce pathogène Aeromonas caviae. La dangerosité des formes retrouvées dans ces milieux a été évaluée par approches moléculaires (PFGE et MLST). Les résultats obtenus montrent un fort apport en P. aeruginosa via les eaux usées, avec un effet significatif sur les effectifs observés en fonction de l’intensité des pluies et des périodes de temps sec, et les fluctuations du régime hydrologique et des paramètres physico-chimiques. Une grande diversité infra-spécifique des P. aeruginosa, et la capacité de certains génotypes à s’installer durablement dans ces milieux (macrophytes et périphyton) ont été observées. Certaines souches ont par ailleurs montré une parenté avec des lignées d’infections communautaires, ou encore des clones épidémiques majeurs (PA14 et C). Des études en microcosme ont été effectuées pour valider les interactions observées avec certains macrophytes, et identifier des propriétés d’adhérence bactérienne (dont les lectines) impliquées dans ces interactions. Ces travaux ont impliqué une analyse de la distribution des gènes lecA et lecB, codant des lectines chez P. aeruginosa, et une étude de leurs ligands. Le gène lecA a été localisé dans une zone de forte plasticité génomique. Ces travaux ont permis la description d’une nouvelle structure de l’adhésine LecB / Urban wet-weather discharges degrade the ecological status of aquatic ecosystems and may expose human populations to chemical and microbial contaminants (bacteria, viruses, parasites). The aim of this thesis was to evaluate the numbers and predict the fate of pathogenic bacteria introduced into aquatic ecosystems by a major source like wastewater from devices such as combined sewer overflows (CSO) and wastewater treatment lagoons (WWTL). The distribution of a human pathogen closely linked to hydric environments, Pseudomonas aeruginosa, was compared with those observed for fecal indicators (E. coli and intestinal enterococci), but also with that of Aeromonas caviae pathogenic species. Dangerousness of strains found in these environments was evaluated by molecular approaches (PFGE and MLST). Obtained results showed a high contribution of wastewater in P. aeruginosa release, with a significant effect of rainfall intensity and preceding dry periods, in addition to changes in hydrological regime and physico-chemical parameters on recorded data. A large infra-specific diversity was observed within P. aeruginosa and the ability of some genotypes to colonize permanently aquatic surfaces (macrophytes and periphyton) were observed. Some strains showed a kinship with lineages of community infections or major epidemic clones (PA14 and C). Microcosm studies were performed to validate observed interactions with macrophytes, and to identify bacterialadhesion properties (including lectins) involved in these interactions. These investigations involved analysis of the distribution of lectin encoding loci lecA and lecB within P. aeruginosa, and a study of their ligands. lecA was located in a highly unstable genomic region. This work allowed the description of a new structure of the adhesin LecB

L’évaluation du débit en réseaux hydrauliques à surface libre est une problématique actuelle sur le plan scientifique, à forts enjeux technologiques, économiques et écologiques. Dans cette thèse, de nouvelles méthodologies d’instrumentation, basées sur une synergie entre mesures non intrusives de hauteur d’eau et modélisation numérique ont été développées. Celles-ci s’appliquent d’une part à des collecteurs dont le fonctionnement hydraulique est complexe et, d’autre part, à des ouvrages non-standard (Venturi, déversoirs d’orage). Ce travail de thèse multidisciplinaire vise une meilleure compréhension de l’écoulement pour en déduire des relations Q=f(hi) plus robustes, spécifiques à chaque site et associées à leurs incertitudes; mais également l’identification de possibles modifications du site de mesure afin d’améliorer l’estimation du débit. Au final, l’applicabilité des méthodologies développées a été éprouvée au travers de plusieurs études sur sites réels. / The evaluation of the flow rate in free surface water systems is a current scientific problem, related to high technological, economical and ecological issues. In this study, new methods of instrumentation based on a synergy between non-intrusive water level measurements and numerical modeling have been developed. These methods are applied first to sewer pipes with complex hydraulic conditions then to non-standard hydraulic structures (Venturi flumes, Combined Sewer Overflows). This multidisciplinary work aims at a better understanding of the flow to identify more robust site-specific Q=f(hi) relationships related to their uncertainties. It also aims at the identification of possible modification of the measurement site in order to improve the flow rate evaluation. Finally, the applicability of the developed methodologies has been tested through several real site studies.

En santé publique, de nouveaux programmes de surveillance et de gestion sont à proposer notamment pour les masses d'eaux fortement affectées par l'urbanisation et les rejets urbains par temps de pluie. Les niveaux, les réservoirs et les sources de contamination microbiologique des milieux aquatiques doivent être évalués et identifiés, et leur incidence sur la dissémination des bactéries pathogènes et les risques d'exposition des populations humaines comprises. Parmi les agents pathogènes retrouvés dans les milieux hydriques, Pseudomonas aeruginosa représentent une préoccupation sanitaire majeure. A partir de deux sites expérimentaux, les objectifs de ce travail de thèse furent de définir la contribution des rejets d'eaux usées sur la prévalence de P. aeruginosa dans les cours d'eau récepteurs et d'étudier l'écologie des formes introduites dont ces habitats incluant leur dynamique spatiotemporelle. Les sédiments, les biofilms de surface (périphyton) et les végétaux aquatiques submergés, permettraient leur survie voire la multiplication de certains génotypes de Pseudomonas aeruginosa. La répartition des indicateurs de contaminations fécales et de la bactérie pathogène Aeromonas caviae ont également été étudiée. Il a été mis en évidence que les forces hydrauliques, le morpho-dynamisme de la rivière et les variations saisonnières étaient des facteurs structurants de la répartition des contaminants microbiens analysés. La dangerosité des souches isolées a été évaluée et montré que toutes les souches avaient un potentiel de virulence élevée. Ceci s'est confirmé par la détection de clones épidémiques majeurs au sein de la collection dont des souches apparentées aux clones PA14 ou C. Les capacités métaboliques de ces souches ont été étudiées dont leur antibio-résistance / In Public Health, new monitoring and management programs are needed, especially for the aquatic environments strongly affected by urbanization and urban wet weather discharges. The levels, reservoirs and sources of microbiological contamination of the aquatic environment should be assessed and identified, and their impact on the spread of pathogenic bacteria and the risk of exposure of human populations understood. Among the pathogens found in water environments, Pseudomonas aeruginosa is of major health concern. From two experimental sites, the objectives of this work were to define the contribution of wastewater discharges on the prevalence of P. aeruginosa in receiving watercourses and study the ecology of the introduced forms, including their spatiotemporal dynamic and preferential habitats. Sediments, surface biofilms (periphyton) and the submerged aquatic vegetations appeared to favour the survival or growth of some genotypes of Pseudomonas aeruginosa. The distribution of fecal indicator bacteria and of Aeromonas caviae were also studied. It was highlighted that hydraulic forces, the morpho-dynamics of the river and the seasonal vaiations were determinant factors in the distribution of the analyzed microbial contaminants. The health hazard of the clones found in these systems was estimated through indirect molecular approaches. It was shown that all Pseudomonas aeruginosa strains had a high virulence potential and that some were related to the PA14 and C clones which are spread worldwide and pathogenic

Artificial Neural Networks (ANNs) have been comprehensively researched, both from a computer scientific perspective and with regard to their use for predictive modelling in a wide variety of applications including hydrology and the environment. Yet their adoption for live, real-time systems remains on the whole sporadic and experimental. A plausible hypothesis is that this may be at least in part due to their treatment heretofore as “black boxes” that implicitly contain something that is unknown, or even unknowable. It is understandable that many of those responsible for delivering Early Warning Systems (EWS) might not wish to take the risk of implementing solutions perceived as containing unknown elements, despite the computational advantages that ANNs offer. This thesis therefore builds on existing efforts to open the box and develop tools and techniques that visualise, analyse and use ANN weights and biases especially from the viewpoint of neural pathways from inputs to outputs of feedforward networks. In so doing, it aims to demonstrate novel approaches to self-improving predictive model construction for both regression and classification problems. This includes Neural Pathway Strength Feature Selection (NPSFS), which uses ensembles of ANNs trained on differing subsets of data and analysis of the learnt weights to infer degrees of relevance of the input features and so build simplified models with reduced input feature sets. Case studies are carried out for prediction of flooding at multiple nodes in urban drainage networks located in three urban catchments in the UK, which demonstrate rapid, accurate prediction of flooding both for regression and classification. Predictive skill is shown to reduce beyond the time of concentration of each sewer node, when actual rainfall is used as input to the models. Further case studies model and predict statutory bacteria count exceedances for bathing water quality compliance at 5 beaches in Southwest England. An illustrative case study using a forest fires dataset from the UCI machine learning repository is also included. Results from these model ensembles generally exhibit improved performance, when compared with single ANN models. Also ensembles with reduced input feature sets, using NPSFS, demonstrate as good or improved performance when compared with the full feature set models. Conclusions are drawn about a new set of tools and techniques, including NPSFS and visualisation techniques for inspection of ANN weights, the adoption of which it is hoped may lead to improved confidence in the use of ANN for live real-time EWS applications.

In the last decades and due to the Water Framework Directive implementation, the urban wastewater cycle management has become more complex. The concept of integrated urban wastewater system management is introduced, and it becomes necessary to consider some new data as the sewer system characteristics or the receiving body. In this sense, environmental decision support systems (EDSS) are very useful and powerful tools to support during the decision making process. A new EDSS for the integrated urban wastewater system management has been developed integrating data from several sources (bibliographic, theoretical or historical) and a real case-based virtual system able to perform simulations. Results demonstrate the benefits of using this kind of systems in comparison with a standard approach, which do not use the expert knowledge and encourages continuing with this research in order to improve the quality and efficiency of this type of EDSSs / En les darreres dècades, i degut a la implementació de la Directiva Marc de l’Aigua, la gestió del cicle urbà de l’aigua ha esdevingut més complexa. S’introdueix el concepte de gestió integrada de conca, i és necessari considerar certa informació, com les característiques de la xarxa de clavegueram o del medi receptor. D’aquesta manera, els sistemes de suport a la decisió ambiental (EDSS) són eines potentíssimes que faciliten la presa de decisions en aquest camp. S’ha desenvolupat un nou EDSS per a la gestió integrada de conca que utilitza una base sòlida de coneixement expert, integrant informació de diverses fonts (bibliogràfiques, teòriques o històriques) i dos sistemes virtuals basats en dades reals sobre els quals és possible realitzar simulacions. Els resultats demostren que aquest sistema presenta beneficis importants respecte a una gestió estàndard sense sistema expert, i esperona a prosseguir amb la recerca i el desenvolupament per a millorar-lo

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23179号 / 工博第4823号 / 新制||工||1754(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市環境工学専攻 / (主査)教授 田中 宏明, 教授 清水 芳久, 講師 中田 典秀 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM