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.

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 bassins d’infiltration font partie intégrante des techniques alternatives de gestion des eaux pluviales en milieu urbain. Néanmoins, la potentialité de transfert de polluants vers la nappe est accrue en cas d’écoulements préférentiels dans les sols sous-jacents. Une bonne compréhension du couplage entre processus d’écoulements préférentiels en zone vadose et mécanismes géochimiques est requise. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du suivi d’un bassin d’infiltration depuis plusieurs dizaines d’années de fonctionnement. Le site d’étude est situé sur le dépôt fluvioglaciaire hétérogène couvrant une grande partie de la région lyonnaise. Des auscultations sur une fosse sous le bassin (section 13.5m*2.5m) ont mis en évidence une régionalisation particulière de la pollution dans le sol. Cette étude s’appuie sur une étude numérique visant à identifier l’origine de la régionalisation des polluants et à la relier aux écoulements préférentiels résultant des hétérogénéités lithologiques. En amont de l’étude numérique, les lithofaciès sont complètement caractérisés aux regards de leurs propriétés hydrodynamiques, hydrodispersives et géochimiques. La modélisation numérique permet de souligner l’établissement de cheminements préférentiels en lien avec le contraste de propriétés hydrodynamiques, notamment lorsque de faibles débits sont appliqués en surface. Le rôle de chaque lithofaciès et de l’architecture du dépôt (stratification et inclusions) est clairement identifié. Les répercussions de tels écoulements sur les transferts non réactifs sont ensuite investiguées en combinant l’influence des écoulements préférentiels et le fractionnement de l’eau en fractions mobile et immobile résultant de l’hétérogénéité intrinsèque au sein de chaque lithofaciès. Enfin, ces processus physiques sont couplés à la réactivité géochimique pour le cas d’un polluant modèle (le cuivre) en prenant en compte la réactivité différentielle des lithofaciès. Ces résultats permettent de générer un modèle conceptuel d’écoulements préférentiels et de transfert de masse en milieu fortement hétérogène. / An infiltration basin is a stormwater best management practice (BMP) designed to infiltrate runoff volumes in urban areas. Nevertheless, preferential flow paths in the underlying soil may cause rapid migration of pollutants, thus contributing to groundwater contamination. Understanding the coupling between preferential flow processes in the vadose zone and geochemical mechanisms is then required. This thesis is a part of the follow-up of an infiltration basin for several decades of exploitation. The study site was settled over a highly heterogeneous glaciofluvial deposit covering much of the Lyon region. The investigation of an excavated section of the basin (13.5m long and 2.5m deep) pointed out a specific regionalization of pollution in the soil. This research is based on a numerical study to identify the origin of such a pollutant pattern and link this with preferential flow resulting from lithological heterogeneities. Different lithofacies were fully characterized regarding their hydraulic, hydrodispersive and geochemical properties. The numerical study proves that the high contrast in hydraulic properties triggers the establishment of preferential flow (capillary barriers and funneled flow). Preferential flow develops mainly for low initial water contents and low fluxes imposed at surface. The role of each lithofacies and architecture of deposit (stratification and inclusions) is clearly identified. The impact of such flows on non-reactive transfers is then investigated by combining the influence of preferential flow and pore water fractionation info into mobile and immobile fractions, resulting from the intrinsic heterogeneity within each lithofacies. Finally, these physical processes are coupled to the geochemical reactivity for a pollutant model (copper), taking into account the differential reactivity of lithofacies. These results generate a conceptual model of preferential flow and mass transfer in strongly heterogeneous media.