The present text, submitted to the University of Liège in fulfillment of the requirements for the degree of Docteur en Sciences de lIngénieur, aims at improving the understanding and description of air‐water interactions in transient flows. A particular emphasis is set on phenomena relevant in civil and environmental engineering, like rivers, pipes, and hydraulic structures. Theoretical results of this doctoral research may be summarized in two main propositions. First, I show that any mathematical model for free surface flows can be extended to pressurized flows. Second, the multiphase drift‐flux model is proven an adequate alternative to Navier‐ Stokes equations in civil and environmental engineering. These propositions underpin the development of original mathematical models and new computational codes (WOLF1D and WOLF IMPack). Validation and application on actual cases prove the efficiency of the new approach. Original concepts introduced in this thesis pave the way for further research on environmental flows, especially on the mathematical description of transport phenomena (pollutants, sediments) and heterogeneous interactions (vegetation, rough bed).

The hydraulic and removal efficiencies of a Horizontal Flow Treatment Wetlands (HF TW) were investigated through an internal three dimensional grid of sampling ports. Tracer tests and regular monitoring of water quality parameters were performed. Results demonstrated that the HF TW has generally good hydraulic and volumetric efficiencies, with relatively low dead zones. The application of models developed by chemical engineering provided the number of tanks in series and the calculated detention times which were input as parameters in the multi flow with dispersion hydraulic model. This second model identified that water fluxes were not homogeneous with depth inside the TW and 60% of the flow was along the bottom layer of the bed. It also indicated the water flow velocities, which were faster on the bottom of the bed, and the axial dispersion, which was higher where flow velocity was lower. The reviewed inflow rate distribution allowed review for all layers of the nominal detention time and of the hydraulic indexes, which are developed by the chemical engineering theory, and based on the incorrect assumption of homogeneous systems. The P-k-C* degradation model was applied in order to define degradation k-rate values of BOD and COD and the frequency distribution profiles were developed. The degradation rate coefficients for BOD ranked from less than 10 m/yr to more than 300 m/yr. Significant higher degradation rates were observed for all the bottom layers and for the closest sampling line from the inlet. The results of COD were similar to those observed for BOD. Finally, the specific pollutants of nitrogen and phosphorus were analysed for total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP). The global trend of the TN degradation coefficient values was a slow and regular decrease over length, having systematically higher degradation coefficients for the bottom layers. The saturation of the media sites for sorption capacity of TP was demonstrated being in progress. Les efficacités hydraulique et épuratoire du filtre planté à écoulement horizontal ont été mesurées grâce à un dispositif de prélèvement tridimensionnel dans un filtre en fonctionnement. Des essais de traçage ont été réalisés ainsi que des analyses régulières de la qualité de leau en tous les points déchantillonnage. Les résultats ont démontré que le filtre présente des efficacités hydraulique et volumétrique généralement bonnes, avec relativement peu de zones mortes. Lapplication des modèles mathématiques issus du génie chimique ont permis la détermination du nombre N de réservoirs en série et de calculer les temps de séjour ; ceux-ci ont ensuite été introduit dans le modèle hydraulique de dispersion multi-couches. Ce second modèle a identifié que les flux en eau nétaient pas homogènes avec la profondeur à lintérieur du système et que 60 % de lécoulement se concentraient dans la couche de fond du filtre. Il a également fournit les vitesses découlement par couche, qui se présentent comme plus rapides dans le fond du filtre, et la dispersion axiale, dont la valeur augmente en corrélation avec une diminution de la vitesse. La distribution du débit par horizon a pu être revue comme non homogène avec la profondeur et a permis de recalculer les index hydrauliques et les temps de séjour par horizon en évitant lhypothèse erronée des modèles du génie chimique de lhomogénéité du système. Le modèle de dégradation des polluants P-k-C* a été appliqué pour définir les valeurs des coefficients de dégradation de la DBO, la DCO et lazote total. Les profils de distribution de fréquence ont été dressés. Les différences de coefficients de dégradation de la DBO sont très hautement significatives avec la profondeur et la longueur, en ayant des valeurs plus importantes pour la couche de fond et pour la première ligne de prélèvement la plus proche de la zone de distribution de leffluent dans le filtre. Les résultats obtenus pour la DCO ont été semblables. Les coefficients de dégradation de lazote total ont montré une décroissance lente et régulière avec la longueur, et des valeurs systématiquement plus importantes avec la profondeur. Finalement, il a été démontré que les sites dadsorption du phosphore total sont en cours de saturation.