Depuis les années 70, le niveau de l'eau dans les aquifères du sous-sol de la ville de Ouagadougou a subi des fluctuations considérables. Dans cette thèse, 1) nous avons mis en place un réseau piézométrique local autour du piézomètre CIEH à l'Université de Ouagadougou, 2) observé les fluctuations du niveau d'eau dans ce réseau piézométrique au cours d'une année hydrologique, 3) modélisé, en utilisant un modèle boîte 1D simple, le niveau de l'eau dans le réseau piézométrique, 4) évalué la capacité de mesure gravimétrique pour mesurer les fluctuations du niveau d'eau lors d'une modélisation de pompage de l'aquifère pendant 7 jours, 5) mesuré la variabilité des principaux éléments chimiques dans notre réseau piézométrique entre la fin de la saison sèche et la fin de la saison des pluies.Le modèle boîte 1D choisi est dérivé du modèle de GARDENIA du BRGM. Il comporte trois réservoirs, le premier décrit les premiers centimètres du sol où l'évapotranspiration intervient, le second joue le rôle d'un tampon d'entrée de l'eau dans le troisième réservoir aquifère. La modélisation de l'ensemble du réseau piézométrique au cours d'une année hydrologique permet d'évaluer un bilan de précipitations. Les résultats obtenus correspondent à l'occupation des terres de chaque puits, ancien faubourg, zone naturelle et zone récemment urbanisée. Une tentative de modéliser l'ensemble des niveaux piézométriques, depuis 1978 au CIEH a échoué et cela est interprété comme un effet de l'utilisation des terres, combinée à la nécessité d'utiliser des coefficients différents pour une année sèche et une année très humide. Comme les paramètres hydrologiques varient en fonction du climat et de l'utilisation des terres près du CIEH, la méthode habituelle en utilisant les premières années de l'enregistrement pour l'étalonnage du modèle et les années suivantes pour l'évaluation de la validité du modèle ne peut pas être appliquée.Les 7 jours de test de pompage théorique de l'aquifère ont été modélisés en utilisant MODFOW/PMWIN et une grille d'espacement variable avec un maillage de 0,2 m près du puits augmentant progressivement jusqu'à 2 km près de la frontière de la boîte de modélisation a été conçue. Ce modèle est calibré sur des solutions analytiques et numériques publiées dans la littérature et est combiné avec un modèle gravimétrique fonctionnant sur la même grille. Les résultats de gravité ont été à nouveau validés sur la littérature. Trois cas tests ont été étudiés 1) pompage dans la couche de la latérite, 2) pompage dans le milieu fissuré horizontalement sous les latérites, 3) pompage dans une fracture où le milieu fissuré est profond. Les propriétés hydrauliques de la latérite étaient censées être connues, alors que la conductivité hydraulique était inconnue. Pour le cas de la fracture, il est démontré que, aujourd'hui, les données de gravité seules ne sont pas en mesure de limiter la conductivité inconnue de la couche fissurée. Cependant, le nivellement des données sur l'affaissement des latérites pendant le pompage, combiné avec les données gravimétriques, permet de récupérer ce paramètre avec une incertitude raisonnable.Nos analyses chimiques étaient de mauvaise qualité. Cependant, en se concentrant sur les sulfures et les nitrates, qui ne présentent pas d'erreurs notables, il se confirme 1) qu'il y a encore dans la ville de Ouagadougou des eaux souterraines de qualité potable (à confirmer par des analyses plus approfondies), 2) que les niveaux de sulfure et de nitrate élevés peuvent être atteints au cours de la saison des pluies (c'est probablement lié à la montée des eaux près de la surface). Il est suggéré en conclusion que des résultats intéressants peuvent être obtenus à Ouagadougou par la surveillance à long terme de quelques piézomètres à la fois pour le niveau et pour la qualité de l'eau. / During the 70s the water level in basement aquifers of the city of Ouagadougou underwent large level fluctuations. In this PhD thesis 1) we set up a local piezometric network around the so called CIEH piezometer in the University of Ouagadougou, 2) observe the fluctuations of the water level in this piezometric network during one hydrologic year, 3) model, using a 1D simplified box model the water level in the piezometric network, 4) assess the capability of gravimetric measurement to measure water level fluctuations during a 7 days aquifer test, 5) measure the variability of major chemical species in our piezometric network between the end of the dry season and the end of the rain season.The 1D box model is derived from the GARDENIA model of BRGM. It involves three compartments, the first ones describes the first few centimeters of soil, from which evapotranpiration is supposed to take place; the second one buffers the input of water to the third one which the aquifer. Modeling the whole piezometric network during one hydrological year allows to compute a rainfall budget. The results correspond the land occupation of each well, old suburb; natural area, and recently urbanized area. An attempt to model the whole piezometric record, lasting since 1978 at CIEH was unsuccessful and this is interpreted as an effect of land use change, combined to the need of different coefficients for a dry year and a very wet year. As the hydrological parameters are drifting as function of climate and of land use changes near the CIEH well, the usual method using the first years of the record for calibration of the model and the following years for its assessment cannot therefore be applied.The theoretical 7 days aquifer test experiment was modeled using MODFOW/PMWIN and a variable spacing grid with a mesh size of 0.2 m near the pumped borehole increasing progressively to nearly 2 km at the border of the modeling box. This model is calibrated along analytic and numerical solutions published in the literature and is combined with a gravimetric model operating on the same grid. The gravity results were once again validated against published literature. Three cases of aquifer test were considered : 1) pumping in the laterite layer, 2) pumping in the horizontally fissure medium below the laterites, 3) pumping in a fracture where the fissured medium is deepening. The hydraulic properties of laterite were supposed to be known, while the hydraulic conductivity of the fissured medium was unknown. For the case of the fracture, it is shown that with present days accuracy gravity data are not able alone to constrain the unknown conductivity of the fissured layer. However leveling data on the subsidence of laterites during pumping when combined with gravity data allow recovering this parameter with a reasonable accuracy.Our chemical analyses were of poor quality. However focusing on sulfides and nitrates, which should not be strongly affected with errors confirm 1) that there are still inside Ouagadougou groundwater of potable quality (to be confirmed with more extensive analyses), 2)high sulfide and nitrate levels can be reached during the rain season (this is probably linked the water level rising near the surface).It is suggested in conclusion that valuable results could be obtained in Ouagadougou by long term monitoring of a few piezometers both for water level and for water quality.

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'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.

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.