Les ouvrages d’infiltration sont utilisés aujourd’hui comme alternative au réseau d’assainissement pluvial. Ils réduisent les risques d’inondation, contribuent au piégeage de polluants permettant ainsi de limiter la détérioration des milieux aquatiques superficiels et sont reconnus pour recharger la nappe. Cependant leur fonctionnement est affecté à long terme par le colmatage réduisant leur performance hydraulique. Par ailleurs, lorsque ces systèmes sont munis de surverses, le colmatage limite les capacités d’interception des flux d’eau et des polluants. Le colmatage constitue donc un facteur clé dans le fonctionnement de ces systèmes tant sur un plan hydraulique qu’environnemental. Cette thèse a pour but de mesurer et de comprendre l’évolution spatio-temporelle du colmatage à une échelle mégascopique (l’échelle d’un ouvrage extensif type) et diachronique (sur le moyen terme). Pour cela une approche expérimentale a été menée au sein de l’Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU) selon trois niveaux d’investigation sur un même ouvrage en conditions réelles de fonctionnement. Un premier niveau (échelle globale) a consisté à mesurer l’évolution temporelle du système pris dans son ensemble grâce au calage de la résistance hydraulique au sens du modèle de Bouwer. Cette étape a nécessité de mesurer et d’exploiter des données en continu de flux d’eau, de sédiments, de matière organique apportés au système, les facteurs environnementaux comme la température d’air et d’eau, l’ensoleillement, le rythme, la nature des événements pluvieux, la saisonnalité, etc., sur un historique de 8 ans. Cette étape nous a mis en évidence la dynamique d’évolution du colmatage et le rôle bénéfique du développement de la végétation sur le maintien de la capacité d’infiltration globale d’un ouvrage de ce type. Un deuxième niveau (échelle semi globale) nous permettant de distinguer l’évolution temporelle du colmatage du fond et des parois, a montré leur dynamique respective (rapide pour le fond, très lente voire inexistante pour les parois). Un troisième niveau (échelle locale) a tenté d’explorer la répartition spatiale et temporelle du colmatage sur le fond des ouvrages sur des échelles de temps plus courtes. L’approche expérimentale a consisté à caractériser la couche colmatante en terme physico chimique et dans une moindre mesure biologique (conductivité hydraulique à saturation, granulométrie, porosité, masse volumique apparente, masse volumique des particules solides, matière organique, biomasse). Elle a analysé également le rôle de la végétation spontanée sur la capacité d’infiltration vis-à-vis des caractéristiques de l’horizon de surface et la structure aérienne et racinaire des espèces présentes. Enfin des analyses statistiques de l’évolution du colmatage à chaque échelle a mis en évidence la part potentiellement importante du colmatage biologique sur ces systèmes alors que, pour la gestion des eaux pluviales ce facteur est généralement négligé. / Infiltration systems are widely used in urban stormwater management. Infiltration systems can significantly reduce stormwater discharges to sewer systems and may therefore contribute to the mitigation of flooding problems. In addition infiltrations systems also help to reduce stormwater pollution, contribute to groundwater recharge and to water course protection. However, the hydraulic performance of infiltration systems decreases with time due to clogging effects. A clogged layer limits the transfer of water and pollutants in infiltrations systems. The clogging has a significant impact on the long-term performance of a system. The aim of this PhD study is to better understand spatio-temporal evolution of clogging on large infiltration systems involving different scales: (i) global scale, (ii) semi - global (the whole bottom and the sides), (iii) local scale (different part of the bottom). An experimental approach has been carried out in the OTHU project (Field Observatory on Urban Hydrology, www.othu.org). An infiltration basin studied with three investigations scales under real operation conditions. In a global scale, the temporal clogging evolution of the system was evaluated in terms of hydraulic resistance. This clogging indicator was calibrated from Bouwer’s model. Water inflow, TSS, COD, climatic factors (air temperature and solar energy), stormwater events and season variations were measured. The results describe the clogging evolution over 8 years. It indicates that vegetation may have a beneficial effect on infiltration capacity. In a semi global scale study, clogging evolution at the bottom and the sides, of the infiltration basin was evaluated. It proved that the clogging mainly occurs at the bottom, that is, the bottom was clogged fast and the clogging at the sides was slow. Local scale study, spatial distribution and temporal evolution of clogging at the bottom with in situ measurements during 2 years were investigated. The study characterised the clogged layer, with bio physic-chemical parameters (i.e., were investigated hydraulic conductivity, porosity, grain size, dry bulk density, organic matter and biomass content). This analyze compared also the role of different types of spontaneous vegetation. The result showed the high spatio-temporal heterogeneity on the infiltration surface. Statistical analysis of clogging evolution in each scale showed the significant impacts of biological activity in the stormwater infiltration basins, which was often neglected

Les contours théoriques en hydrologie, hydraulique et les outils de calcul correspondants sont largement développés et utilisés dans le monde. Cependant en parallèle, des problématiques importantes surviennent pendant les crises sans pouvoir être résolues et des solutions développées peinent à être implémentées. En plus, le changement climatique ne va pas faciliter les choses. Pour noircir le tableau, les moyens économiques locaux en France ne vont pas augmenter pour aider les communes à s’attaquer au problème. L’objectif de cette thèse est de conduire une investigation des moyens à disposition pour améliorer notre connaissance locale des concepts en lien avec le pluvial pour permettre une modélisation efficiente. La méthodologie proposée est composée de trois étapes évolutives incluant : 1. Une analyse approfondie des données topographiques locales ; 2. L’évaluation des interactions entre les écoulements de surface et le souterrain ; 3.Une approche intégrée permettant de modéliser les inondations générées par la pluie en zone urbanisée. Les résultats de l’étape 1 montrent que la donnée topographique est essentielle pour la définition des chemins d’écoulement et impactent significativement les résultats de modélisation hydrauliques. Ceci conduit à l’étape 2 lors de laquelle on observe que les débordements provenant du réseau souterrain contribuent à l’inondation mais seulement en partie. Les volumes d’inondations générés par le ruissellement de surface devraient être inclus dans les modèles d’inondation. L’étape 3 présente une configuration possible de modèle intégré permettant de mieux représenter les processus réels en jeu. / Theoretical background about hydrology, hydraulics and computational tools and methods are widely developed and worldwide used. In the same time however, important issues during flood crisis are not solved and practical solutions take time to be implemented. On top of that, ongoing climatic change will not make things easier and intense events will increase in frequency. To worsen the picture, local economic means in France will not increase to help municipalities and local communities to tackle the issue. The objective of this thesis is to investigate on the available ways to improve our local knowledge of stormwater related concepts to allow an efficient modelling. The proposed methodology consists in a three-step-approach including: 1. A thorough analysis of local topography data; 2. The assessment of sewer-surface interactions; 3. An integrated approach to model pluvial flood in urban areas. The results of Step 1 show that topography data is essential in flow path definition and significantly impacts hydraulic modelling results. This leads to Step 2 where it is seen that sewer overflow is one aspect of urban flood issues but represents only part of flood sources. Overland flow generated by runoff should be included in flood models. Then Step 3 presents that integrated urban pluvial modelling is possible with existing tools and can represent the real processes better. This proposed modelling approach should not be disconnected from the reality of stormwater management practical aspects and current constraints. It is shown how complementary actions can be taken to enrich local knowledge and memory thus allowing a more efficient and wiser modelling process.

La première partie de ce mémoire de thèse montre l'intérêt de l'utilisation de nouveaux outils en hydrologie urbaine, à partir d'un historique de l'évolution des liens entre la ville et l'eau. Elle est suivie par une présentation synthétique des modèles hydrauliques simplifiés de simulation de crues. Les équations, leur contenu physique, les conditions limites, les méthodes de résolution et les méthodes de calage des paramètres sont analysées de manière détaillée. Le mémoire présente ensuite une série de résultats de simulations sur des cas hypothétiques choisis pour couvrir la plupart des conditions de l'assainissement. Les différentes méthodes de calage des paramètres sont testées ainsi que le fonctionnement numérique des modèles. Le mémoire met en évidence des domaines de validité (numériques et hydrauliques) en fonction de nombres adimensionnels et en référence aux résultats d'un modèle intégrant les équations complètes de Saint-Venant. La possibilité de modéliser les influences aval est testée avec un modèle de crue diffusante auquel est intégré un calcul de ligne d'eau. Une étude des conditions d'utilisation des modèles sur le terrain termine le mémoire qui peut être destiné à tous les services techniques des collectivités locales.

Jusqu'à nos jours en France, la description des précipitations en hydrologie urbaine repose essentiellement sur l'analyse de mesures ponctuelles. Elle se limite de surcroît à des statistiques d'intensités moyennes maximales (courbes IDF) obtenues selon des méthodes diverses. La pérennisation de réseaux denses de pluviographes conçus pour l'hydrologie urbaine autorise aujourd'hui des travaux de recherche sur les propriétés et la modélisation des précipitations. Cette thèse s'appuie sur 250 années-stations de mesures, acquises par le service d'assainissement de la Seine-Saint-Denis depuis 1976. Elle fait le point des méthodes de construction de courbes IDF, insiste sur les techniques d'analyse régionales et fournit des estimations d'intensités pour des périodes de retour de quelques semaines à quelques dizaines d'années. Des lois de distribution telles que le mélange de deux lois exponentielles ou la loi de Pareto procurent de bons résultats d'ajustement pour l'ensemble du domaine des fréquences. La distribution des intensités moyennes maximales de périodes de retour supérieures à 1,5 an, quelles que soient leur durée et leur surface d'observation (10-60 minutes ; 0 -10000 hectares) est représentée par une loi exponentielle simple et adimensionnelle. On étudie les fluctuations saisonnières et nycthémérales du risque pluvial. La notion de coefficient d'abattement épicentrique est ramenée à un simple indicateur global d'hétérogénéité spatiale. Enfin, les effets de la diversité temporelle et spatiale de la pluie sur le ruissellement sont décrits à l'aide d'un exemple concret, un bassin versant urbanisé de 1400 hectares, et d'un modèle mathématique de simulation pluie-débit.

L’étude a pour objectif de déterminer la qualité des eaux de surface sous différentes conditions climatiques et pratiques de gestion des eaux de surface. Trois sites ont étés choisis pour: (1) la rivière Jalle de Blanquefort, (2) le lac de Bordeaux, France et (3) la rivière Pasig aux Philippines. Les sites français présentent des collecteurs d'eau qui se déversent directement dans les eaux de surface. La rivière Pasig sert de collecteur d'eaux usées en l’absence de stations de traitement des eaux usées et collectées. Au cours des campagnes de mesure, il a été possible de suivre l’impact de la variabilité climatique (pluviométrie) et d’événements aléatoires sur la qualité chimiques (éléments traces métalliques et polluants organiques) des eaux ; en combinant échantillonnage classique et par capteurs passifs. Les propriétés physico-chimiques de l'eau ainsi que les caractéristiques des particules et l'utilisation d'analyses statistiques permettent de préciser le comportement des molécules détectées et de décrire l’evolution hydrochimique des eaux de surface urbaines et estuariennes vis-à-vis d’aléas climatiques contrastés. / The study aimed to assess the water quality of the surface water in differingclimate conditions and management practices. Three interesting sites were chosen, (1)Jalle River and (2) Bordeaux Lac both in France and the (3) Pasig River in thePhilippines. The French sites have rainfall and run-off collectors that directly dischargewater to the water bodies. Pasig River, on the other hand, becomes a waste collector aswaste management and treatment plant are lacking. Trace metals and organics(pesticides, herbicides, pharmaceuticals and drugs) were measured. Conventional andpassive sampling approches were employed. The mass fluxes were obtained in order tocalculate the pollution transport. Physico-chemical properties and the particlecharacteristics, integrating statistical analyses, facilitated in explaining the behavior of themeasured molecules and describing the hydrological system in relation to climatevariability.

Cette thèse a pour objet le premier développement d'une méthode de prévision de pluie par radar adaptée aux objectifs de l'hydrologie urbaine. Une revue des travaux effectués sur la prévision de pluie dans les vingt dernières années a été accomplie. Les algorithmes prometteurs utilisés dans les études précédentes ont été sélectionnés et améliorés en vue des objectifs de l'application envisagée : - concentration sur les fortes pluies ; temps de calcul inférieur a 60 secondes sur mini-ordinateur ; contrôle de qualité de la prévision. De cette analyse a émergé une nouvelle méthode de prévision. Une comparaison détaillée sur 94 images radar et une comparaison globale sur 1068 images ont montré la fiabilité de la méthode pour la prévision hydrologique. La pluie la plus importante de ces quatre dernières années en région parisienne a été étudiée particulièrement. De plus, deux paramètres liés seulement à la structure de l'image, peuvent servir d'indice de fiabilité, calculable a priori, de chaque prévision. Finalement, la méthode a été implantée sur les ordinateurs du service d'assainissement de Seine-Saint-Denis.

L'objectif de l'étude présentée est le développement d'un système de prévision de pluie par radar, qui est adapté aux besoins de l'hydrologie urbaine. Un système automatisé structuré, baptisé PROPHETIA, est présenté, dont le fonctionnement est basé sur l'observation des cellules de pluie. L'algorithme de PROPHETIA de prévision de pluie à partir d'une série d'images (I1 In), mesurées aux instants t1 tn, comprend quatre étapes: - identification et description des échos des cellules sur l'image actuelle In - appariement des cellules observées sur les images I1 In avec les échos sur l'image In - caractérisation des cellules dans l'intervalle (t1, tn) - prévision de pluie par extrapolation des caractéristiques dans l'avenir. Une technique de seuillage est appliquée pour l'identification des cellules. Pour leur appariement sur des images successives, une base de règles sous la forme d'un arbre de décision a été constituée par apprentissage automatique à partir d'exemples, qui ont été définis manuellement. La très bonne performance de la base de règles est mise en évidence par la comparaison avec les appariements manuels. La prévision de PROPHETIA repose dans un premier temps sur la seule caractéristique de l'advection des cellules. Les résultats de cette prévision sont analysés selon un nouveau critère hydrologique, baptisé TMP. La qualité atteinte par PROPHETIA est comparée à celle d'autres systèmes de prévision. PROPHETIA est surtout plus performant pour les pluies convectives. L'examen détaillé des erreurs de la prévision par PROPHETIA a révélé que leur origine provient de l'hypothèse d'absence de développement des cellules à l'horizon de la prévision. L'étude des facteurs influant sur le développement des cellules a mené à la proposition d'un modèle des cellules reliant le développement aux masses d'air alimentant la cellule. La localisation du développement des cellules de pluie convective de la base de données est possible et apporterait un gain de prévision si le taux de ce développement pouvait être prédit, comme cela a été démontré pour un échantillon de 12 pluies convectives. Or celui-ci dépend manifestement, comme l'étude des cycles de vie de quelques cellules l'a montré, de la possibilité de caractériser correctement les secteurs géographiques d'influence très différente sur la convection : une meilleure caractérisation de ces secteurs devrait être l'objectif qui suivrait celle-ci.

Les rejets urbains par temps de pluie constituent un problème majeur pour les gestionnaires de l'eau en région parisienne. Une meilleure caractérisation des matières organiques rejetées par temps de pluie permet de mieux évaluer la désoxygénation du milieu récepteur, la Seine. Un bassin versant expérimental a été choisi en proche banlieue parisienne pour étudier les eaux usées par temps de pluie. Les résultats montrent que les flux sont une fonction du cycle journalier des eaux usées et de l'intensité des pluies. En journée par temps sec, les teneurs en polluants et les débits sont plus élevés que pendant la nuit. Les flux des polluants déversés pendant la journée sont ainsi supérieurs aux flux rejetés la nuit à pluie égale. Dans les réseaux de petite taille et de faibles pentes, un dépôt de temps sec peut être remis en suspension par des pluies intenses et augmenter temporairement la charge polluante. Les matières organiques du réseau en temps sec sont mieux et plus rapidement dégradables qu'en temps de pluie. La biodégradabilité des matières en suspension dans le réseau diminue avec l'intensité des pluies en raison d'un apport de carbone faiblement dégradable par les eaux de ruissellement et les dépôts en réseau. L'effet toxique des rejets urbains de temps de pluie sur le milieu récepteur a été étudié au laboratoire sur une population mixte du phytoplancton de la Seine. Nos études montrent que les rejets peuvent diminuer la production primaire de la Seine de l'ordre de 60% après une dilution au cinquième, cette inhibition est principalement due aux micropolluants organiques et partiellement aux métaux lourds, dont le zinc. Les effets varient fortement avec la composition des rejets, la toxicité des métaux en particulier dépendant de leur état de complexation. Le comportement de la matière organique et des bactéries hétérotrophes rejetées par temps de pluie dans le milieu récepteur a été étudié en Seine après d'importants rejets du principal déversoir de la région parisienne. Lorsque la dilution du rejet est inférieure à 10%, les effets sur le milieu sont peu sensibles. Les masses d'eau usée ont pu être suivies in situ à l'aide de la conductivité et des concentrations d'oxygène. Une relation entre la quantité de carbone organique dissous biodégradable rejetée et le déficit d'02 a pu être établie. La matière organique fixée aux matières en suspension sédimente très rapidement et ne participe pas directement à la désoxygénation. La désoxygénation in situ est principalement due aux bactéries allochtones, apportées par le rejet, de taille supérieure à 1µm. Leur croissance est plus élevée que celle des bactéries fluviales, mais leur vitesse de disparition l'est aussi. Les polluants toxiques du rejet sont susceptibles de diminuer la production du phytoplancton et d'aggraver ainsi les déficits de près d'un milligramme d'oxygène voire plus en période de forte production. Ces données permettent des simulations détaillées de l'évolution de l'oxygène dissous en Seine suite aux principaux rejets de l'agglomération parisienne.

C'est une synthèse de mon activité scientifique qui est présentée dans ce mémoire à travers deux parties : un résumé de carrière et liste de travaux suivi d'une synthèse des activités de recherche.