La compréhension des mécanismes de transport de solutés dans un milieu poreux variablement saturé tel que les sols à nappe drainée par tuyaux enterrés, est essentielle afin de répondre aux interrogations concernant l'impact de ces systèmes sur la qualité des eaux de surface. L'approche choisie repose sur des expériences de traçage réalisées en régime permanent sur modèle physique de sol au laboratoire, permettant un contrôle des conditions initiales et aux limites. La première partie de la thèse est dédiée aux études monodimensionnelles, afin de caractériser la zone non saturée du sol. Nous avons utilisé une colonne de sol (1*0,15 m²) et un modèle physique de grande taille (1*2*0,5 m3), remplis tous deux d'un sol sablo-limoneux. Les traceurs utilisés sont le H218O et le Cl-. La deuxième partie du travail traite le cas des écoulements bidimensionnels, réalisées uniquement sur le modèle physique. Deux scénarios ont été choisis : un soluté apporté en surface et un soluté résidant dans le sol. Seul le Cl- a alors été utilisé comme traceur. Le transport de solutés a été étudié par un suivi in situ (sondes de conductivité électrique) ainsi qu'à l'exutoire du système. L'analyse des courbes d'élution obtenues pour les études monodimensionnelles a permis l'identification des mécanismes de transport et le calcul des paramètres de transport pertinents (par résolution inverse). Pour les expériences bidimensionnelles, il a été observé une hétérogénéité des champs de vitesses, avec une zone proche du drain où le lessivage est rapide et une zone proche de l'interdrain où le soluté progresse à faible vitesse. Dans le cas du soluté résidant dans le sol, les courbes d'élution (concentration et conductivité électrique) au drain montrent un palier stable puis une diminution de forme « exponentielle » jusqu'à atteindre les concentrations du niveau de base. La migration du soluté dans le cas d'un pulse apporté en surface du sol est singulier. La courbe d'élution en sortie du drain présente deux modes : (i) un premier mode sous forme d'un pic, (ii) et le deuxième sous forme d'un palier constant de concentration. Ces résultats expérimentaux ont été confrontés à la modélisation mécaniste (code HYDRUS-2D), utilisant les paramètres de transport obtenus dans les études monodimensionnelles. L'utilisation d'une deuxième méthode, le suivi de particules (approche lagrangienne), nous a permis d'obtenir le cheminement de l'eau et le temps de transfert des particules dans le sol.

Dans les bassins versants reposant sur un socle géologique peu perméable et peu profond, les nappes superficielles de versant jouent un rôle prépondérant non seulement dans la genèse des débits mais également dans le transfert des solutés. Ces nappes, caractérisées par de fortes variations saisonnières des niveaux piézométriques, se développent dans un matériau aquifère constitué principalement de roche altérée et de matériaux non consolidés dont les propriétés hydrodynamiques restent peu étudiées. La connaissance du fonctionnement hydrologique et hydrochimique de ces systèmes, des processus qui déterminent les voies de transfert des solutés et leur temps de résidence dans le milieu, est essentielle en particulier dans un contexte où la recherche est de plus en plus sollicitée pour évaluer les effets de changements de pratiques agricoles sur les pollutions diffuses. Le travail présenté ici vise à comprendre les processus de transfert de solutés et de dénitrification dans les aquifères superficiels à partir de l'étude d'un aquifère d'un bassin versant élémentaire expérimental de l'ouest de la France, appartenant à l'ORE AgrHys. L'analyse repose sur les données acquises sur un dispositif instrumental original permettant un suivi spatial et temporel du niveau de la nappe et de sa composition chimique sur un versant. Les propriétés hydrodynamiques du matériau aquifère ont été étudiées au laboratoire et in situ, ce qui a permis de calibrer un modèle hydrologique à base physique et en 2D (développé avec le code Hydrus 2D) simulant de manière satisfaisante la dynamique saisonnière des niveaux piézométriques dans le versant. Les relations mises en évidence entre le cycle hydrologique et les variations intra-annuelles de la composition chimique, nous permettent de proposer un modèle conceptuel synthétisant les mécanismes mis en jeu dans le transfert d'un soluté conservatif dans la nappe. Une étude de la variabilité spatiale et temporelle de la composition isotopique de l'azote et de l'oxygène du nitrate n'a pas révélé la présence d'une dénitrification apparente dans l'aquifère. Enfin, un modèle de transport des solutés basé sur le modèle hydrologique calibré précédemment a permis de tester les hypothèses émises à partir des données expérimentales. La principale conclusion de ce travail est que les nappes superficielles de versant présentent une variabilité spatiale et temporelle importante, qui résulte de processus de mélange à partir de compartiments dont la contribution varie saisonnièrement. En période hivernale, la recharge rapide des nappes par des écoulements préférentiels joue un rôle important dans les variations de composition chimique de la partie supérieure de la nappe, ce que la plupart des modèles actuels ne permettent pas de prendre en compte.

La compréhension des mécanismes de transport de solutés dans un milieu poreux variablement saturé tel que les sols à nappe drainée par tuyaux enterrés, est essentielle afin de répondre aux interrogations concernant l'impact de ces systèmes sur la qualité des eaux de surface.<br />L'approche choisie repose sur des expériences de traçage réalisées en régime permanent sur modèle physique de sol au laboratoire, permettant un contrôle des conditions initiales et aux limites. La première partie de la thèse est dédiée aux études monodimensionnelles, afin de caractériser la zone non saturée du sol. Nous avons utilisé une colonne de sol (1*0,15 m²) et un modèle physique de grande taille (1*2*0,5 m3), remplis tous deux d'un sol sablo-limoneux. Les traceurs utilisés sont le H218O et le Cl-. La deuxième partie du travail traite le cas des écoulements bidimensionnels, réalisées uniquement sur le modèle physique. Deux scénarios ont été choisis : un soluté apporté en surface et un soluté résidant dans le sol. Seul le Cl- a alors été utilisé comme traceur. Le transport de solutés a été étudié par un suivi in situ (sondes de conductivité électrique) ainsi qu'à l'exutoire du système.<br />L'analyse des courbes d'élution obtenues pour les études monodimensionnelles a permis l'identification des mécanismes de transport et le calcul des paramètres de transport pertinents (par résolution inverse). Pour les expériences bidimensionnelles, il a été observé une hétérogénéité des champs de vitesses, avec une zone proche du drain où le lessivage est rapide et une zone proche de l'interdrain où le soluté progresse à faible vitesse. Dans le cas du soluté résidant dans le sol, les courbes d'élution (concentration et conductivité électrique) au drain montrent un palier stable puis une diminution de forme « exponentielle » jusqu'à atteindre les concentrations du niveau de base. La migration du soluté dans le cas d'un pulse apporté en surface du sol est singulier. La courbe d'élution en sortie du drain présente deux modes : (i) un premier mode sous forme d'un pic, (ii) et le deuxième sous forme d'un palier constant de concentration. Ces résultats expérimentaux ont été confrontés à la modélisation mécaniste (code HYDRUS-2D), utilisant les paramètres de transport obtenus dans les études monodimensionnelles. L'utilisation d'une deuxième méthode, le suivi de particules (approche lagrangienne), nous a permis d'obtenir le cheminement de l'eau et le temps de transfert des particules dans le sol.

Potentiel stock de carbone dans les horizons minéraux des sols, sources de nutriments et vecteurs de polluants dans les écosystèmes aquatiques, les matières organiques dissoutes (MOD), leurs origines, et leurs transferts des sols à la rivière sont encore mal connus. Cette thèse a pour objectif de caractériser la variabilité temporelle et spatiale de la quantité et de la qualité des MOD des sols et des rivières et d'en identifier les facteurs de contrôle. Ce travail s'appuie sur le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan, Observatoire de Recherche en Environnement AgrHys). Ce site de 5 km² bénéficie de 13 années de suivi journalier des concentrations en carbone organique dissous (COD) dans la rivière et hautes fréquences des paramètres hydro-climatiques (débit, niveaux piézométriques, climat). Un suivi au moins bimensuel de la quantité et de la qualité des MOD de sols hydromorphes soumis à différents usages (culture, prairie, bois) et de rivières a été réalisé sur 2 cycles hydrologiques. L'exploitation des données long-terme a permis de proposer un schéma complet et cohérent des processus hydrologiques contrôlant les exports de MOD, leur relais dans le temps (en proposant une définition objective des saisons hydrologiques) et leur importance relative variable suivant le contexte climatique de l'année. L'exportation hivernale des MOD produites dans les sols pendant l'été contrôle la dynamique intra-annuelle décroissante des concentrations en COD des eaux de rivière. L'effet compensatoire de ces mécanismes de production et d'exportation explique la relative stabilité des concentrations moyennes annuelles de la rivière. La caractérisation des MOD par spectroscopie de fluorescence 3D, couplée à la modélisation PARAFAC (parallel factor analysis) des matrices d'excitation-émission générées, a permis d'identifier des exportations de MOD d'origine agricole, faiblement aromatiques, protéiques et dérivées de l'activité microbienne. Ces MOD sont exportées saisonnièrement pendant les périodes d'inter-crue des hivers très humides, par remontée de la nappe dans les sols cultivés des versants, et ponctuellement au printemps, lors de crues suivant l'épandage d'effluents d'élevage sur les sols du bassin. L'organisation spatiale des dynamiques temporelles de la quantité et de la qualité des MOD des sols suggère un contrôle hydro-pédo-topographique des différences rapportées. Les MOD faiblement aromatiques des horizons organo-minéraux sont préférentiellement exportées depuis les sols situés dans les pentes de versant. Les MOD exportées depuis les horizons minéraux sont partiellement compensées par les apports de MOD provenant des sols situés en amont. L'instauration de conditions réductrices dans les sols de bas de versant, produit des MOD aromatiques uniquement exportées en crue. La composition et la position dans le bassin des MOD des sols agricoles les rendent donc sensibles au processus d'exportation. La question du devenir de ces MOD est posée. / The role of dissolved organic matter (DOM) as carbon storage in mineral soil horizons and the impacts of DOM on aquatic ecosystems, either as a source of nutrients, or a vector of pollutants, raise the need to understand its origin, and the mechanisms linked to its transport from soils to stream. This work aims to characterize the temporal and spatial dynamics of the amount and the quality of DOM in soil and stream water, and to identify the controlling factors. It is based on the Kervidy-Naizin catchment of 5 km² (Morbihan ; Environment Research Observatory AgrHyS). This site benefits from 13 years of daily stream dissolved organic carbon (DOC) concentrations and high frequency of hydro-climatic parameters (discharge, groundwater table depths, and meteorological variables). DOM concentration and composition of soil water under contrasted land uses (cropland, grassland, or woodland) and stream water were assessed at least fortnightly during 2 hydrological cycles. A comprehensive and consistent pattern of hydrological processes that control the DOM exports, their changes in time (by providing an objective definition of hydrological seasons), and the changes of their relative importance according to the climatic context of the year was proposed. The exports of DOM produced in the soils during summer control the intra-annual decrease of stream DOC concentrations. This suggests a compensatory mechanism whereby increased winter exports can balance the summer production of DOM resulting in a relatively uniform mean annual DOC concentration. The DOM composition of soil and stream water was determined by fluorescence spectroscopy combined with PARAFAC (parallel factor analysis) modeling built from excitation-emission matrices. Exports from agricultural sources characterized by low aromatic, protein-like, microbial-derived DOM were reported. This DOM is transported to the stream seasonally during inter-storm periods of very wet winters, by rising of the water table in arable hillslope soils, and occasionally in spring, during storm events that follow the animal manure application on catchment soils. The spatial organization of temporal dynamics of the DOM concentration and composition of soil waters suggested that they were controlled by combined effects of hydrology, soil properties and topography. DOM with fewer aromatic moieties is preferentially exported from organo-mineral horizons of hillslope soils. DOM loss from mineral soil horizons are partially balanced by DOM inputs from upper soils. The onset of reducing conditions in downslope soils produces aromatic DOM that is transported to the stream only during storm events. Hence, DOM from agricultural soils is more susceptible being transport to stream due to its composition and its location within the catchment. The question of the fate of these DOM in aquatic ecosystems is raised.

L'objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension du fonctionnement hydraulique d'un système de nappe superficielle de fond de vallée, alimentée par un versant et drainée par un fossé en régime transitoire. Ceci doit aboutir à terme à un outil de modélisation permettant de tester des scénarios de gestion ou d'aménagements de ces zones humides. Le parti (pari ?) choisi a été de fonder les efforts de modélisation sur l'approche " saturée 1D " (équation de Boussinesq), tout en utilisant des modèles plus sophistiqués (Laplace, Richards) afin de servir de référence lors de la discussion et l'élaboration des hypothèses simplificatrices. En particulier, certaines conditions aux limites ont été étudiées : (i) hétérogénéité de la recharge de la nappe ; (ii) déterminisme des phénomènes de surface de suintement ; (iii) l'affleurement ; (ij) une condition aval transitoire. Des expérimentations ont été menées sur modèle physique au laboratoire (maquette MASHyNS) et sur le terrain (bassin versant du Ru de Cétrais, Loire Atlantique). Un modèle (SIDRA 2+), fondé sur une résolution numérique de l'équation de Boussinesq, a été utilisé et adapté à la prise en compte des conditions aux limites particulières évoquées. Le modèle a été calé et validé à partir des données expérimentales et a permis de prédire avec une excellente précision la position de la surface libre de la nappe à différentes distances du ru de Cétrais, en période hivernale.