Les déversements des eaux des réseaux unitaires dans le milieu naturel ont pour conséquences en période d'étiage des perturbations du régime hydraulique et une forte dégradation de la qualité des eaux du milieu naturel. Cette thèse étudie les relations entre les débits et charges déversées et la qualité des eaux du milieu naturel et a pour but de définir le modèle le mieux adapté pour l'étude de ces phénomènes. La zone d'étude est limitée à la Seine entre les barrages de Port-à-l'Anglais à l'amont de Paris et de Suresnes à l'aval de Paris soit un tronçon de 25 km. Les déversoirs d'orage considérés sont ceux de la ville de Paris intra-muros.

Les travaux du PIREN-Seine, dans lesquels s'inscrit mon travail de thèse, se sont dès le début orientés vers la recherche d'une description du fonctionnement écologique du système aussi déterministe que possible. Dans ce but, l'approche adoptée consiste à décrire les organismes et constituants ainsi que les processus qui ont une influence sur la qualité de l'eau dans le réseau hydrographique. La modélisation a été l'un des outils utilisés pour améliorer notre connaissance des processus et ainsi aider les différents acteurs de l'eau à la prise de décision. Pour étudier l'impact des rejets urbains dans les zones fortement influencées par l'activité humaine, il a été décidé de mettre en oeuvre un modèle bi-dimensionnel plan capable de simuler de façon précise le devenir des différents polluants rejetés en Seine. Grâce à la collaboration entre l'École des Mines et la Direction Études et Recherches d'Électricité de France, nous avons pu utiliser le code de calcul hydrodynamique aux éléments finis, TELEMAC 2D, d'E.D.F. Une première étape a consisté à mettre en oeuvre ce modèle dans le bief de Seine caractérisé par les rejets de la station d'épuration d'Achères pour estimer les vitesses de l'écoulement et les hauteurs d'eau à l'étiage et de connaître, entre autres, le temps de résidence de l'eau pour quelques situations permanentes de bas débit. Les travaux antérieurs du PIREN-Seine ont largement montré que la pollution d'origine organique était étroitement liée aux particules. Bien que l'essentiel du flux de matériel particulaire soit transporté au cours des crues, l'étude du transport en période d'étiage ne doit pas être négligée. La dilution des rejets urbains par l'eau de Seine est plus faible en période d'étiage. Le dépôt est plus intense, le matériel qui le constitue est fortement pollué et les zones de stockage sont plus nombreuses. Il nous est donc apparu important de simuler convenablement le transport solide pour la Seine à l'étiage. Nous avons alors modifié le modèle de transport bi-dimensionnel d'EDF, SUBIEF 2D. La navigation, intense dans cette partie du fleuve, joue un rôle considérable sur les temps de résidence des particules et ainsi sur le devenir des produits contaminants peu ou non solubles. Nous avons donc développé un module de remise en suspension qui prend en compte de façon précise la circulation fluviale : la modélisation du courant de retour, du champ de vitesses généré sur le lit de la rivière par les jets d'hélice, l'utilisation d'une formulation énergétique des processus de dépôt/érosion basée sur la capacité de transport d'un écoulement, nous permet de reproduire les concentrations en MES mesurées dans la colonne d'eau sur l'ensemble du domaine lors des différentes campagnes organisées. Nous en tirons des informations sur la quantité de particules sédimentées dans le bief, la localisation des dépôts frais et le temps de transfert moyen des particules en périodes de basses eaux. Nous appuyant sur le modèle hydraulique et de transport précédemment défini, nous avons mis en place un module biologique reprenant le schéma conceptuel du modèle RIVE utilisé dans le PIREN-Seine. Nous simulons le cycle de l'oxygène en relation avec celui du carbone. Les processus modélisés sont le développement phytoplanctonique, la dégradation de la matière organique par les bactéries hétérotrophes et la production/consommation d'oxygène associée. Une ré-aération à l'interface air-eau est aussi prise en compte. Le modèle simule les évolutions de 24 variables d'état relatives à la colonne d'eau et à la vase non consolidée déposée sur le lit du fleuve. Les processus d'échange entre la colonne d'eau et les sédiments, qu'ils soient diffusifs ou contraints par le dépôt et l'érosion, ont été introduits explicitement dans le modèle. La couche de vase est également le siège de réactions biologiques. Les résultats des simulations pour différents étiages sont confrontés aux données expérimentales dont nous disposons. Ces résultats montrent que la conceptualisation retenue pour le modèle de simulation de la qualité de l'eau est adaptée à la simulation des processus qui dominent dans ce secteur. Une comparaison entre le modèle ProSe, développé à l'École des Mines de Paris, dans ses versions mono-dimensionnelles et à tube de courant, et le modèle bi-dimensionnel TELEMAC-SUBIEF a été réalisée. Cette intercomparaison permet, d'une part, de valider les développements réalisés au sein de SUBIEF 2D, le modèle ProSe ayant été validé dans de nombreuses situations et, d'autre part, de montrer les différences de comportement des modèles mono et bi-dimensionnels dans le secteur d'étude.

Dans la première partie du travail, consacrée aux définitions, la notion de prix de l'eau est clarifiée. L'étude des documents réglementaires permet d'avoir une image assez objective et consensuelle de la qualité du service, rendue très dépendante de l'observateur par le nombre des acteurs présents dans ce secteur. Ensuite, les outils d'observation spécifiques qui ont été développes pour effectuer les évaluations de qualité et de prix sont présentés. Ils tournent autour d'un panel national de 500 services d'eau : enquêtes auprès des services, recueil des résultats du contrôle sanitaire et enquête d'opinion auprès de 1250 usagers. Les outils développés permettent d'obtenir des données concernant l'opinion des usagers sur leur service, la qualité de l'eau potable sur le plan sanitaire ainsi qu'une image unique et fiable des prix pratiqués par les quelques 16500 services d'eau en France. Des éléments d'explication aux très fortes différences de prix d'un service à l'autre sont dégagés et l'élasticité des consommations domestiques au prix du service est évaluée. La complémentarité de ces outils permet également des rapprochements originaux entre les différentes caractéristiques des services, l'opinion des usagers desservis et la qualité de l'eau distribuée. Une étude de la distribution d'eau en Grande-Bretagne suite à la privatisation de 1989 et de la distribution d'électricité en France sur le plan de la qualité et du prix du service complète l'analyse. La dernière partie analyse les processus complexes de formation du prix de l'eau en France, dans lesquels la qualité du service n'apparaît jouer qu'un rôle limité. Très fortement en relation avec le prix, la qualité bactériologique de l'eau s'avère constituer un indice de qualité qui va bien au-delà de la simple présence ou absence de témoins de contamination fécale dans l'eau.

La modélisation du transfert de nitrates a été étudiée à différentes échelles de bassins versants. Un modèle semi-distribué à pas de temps journalier a été élaboré et testé sur des sous-bassins de la Charente (France). Il prend en compte les transferts d'azote depuis les apports de fertilisants jusqu'à la dénitrification dans le cours d'eau. Le but principal recherché est la simulation de la concentration en nitrates à l'exutoire des bassins versants. Un modèle hydrologique de type conceptuel (GR3) a été choisi et adapté à la simulation du transfert de nitrates. Le modèle conceptuel de lessivage est relié de manière étroite au modèle pluie - débit, tant par les variables d'état que par les paramètres. Le calage a été fait sur les sous-bassins où sont connus, à la fois, les débits et les concentrations. L'utilisation du modèle est ensuite étendue à des bassins sur lesquels on ne dispose que d'un seul de ces deux termes ou bien d'aucun d'entre eux. Le modèle résultant de ces travaux a été appliqué à la fois sur un grand bassin versant d'environ 9500 km2 (la Charente), sur ses stations intermédiaires de suivi de qualité de l'eau et sur un petit sous-bassin expérimental d'environ 5,5 km2 (le Ruiné). Les résultats montrent que le modèle reproduit d'une manière correcte la tendance à long terme des flux. Les variations saisonnières sont bien respectées pour la plupart des stations à défaut de rendre compte de toutes les valeurs isolées. Le comportement de la concentration en nitrates pendant les crues a été étudié sur le Ruiné à un pas de temps horaire. Nous avons observé, dans la relation avec les débits, des formes d'hystérésis analogues à celles qui se présentent avec les matières en suspension, ce qui témoigne de la complexité des phénomènes de lessivage et de transfert dans ce bassin versant. Ces processus ne peuvent être convenablement reproduits à l'heure actuelle, qu'au prix d'une variation des paramètres du modèle qu'il reste encore à expliquer.

Le développement hydroélectrique de la région amazonienne a conduit la création de plusieurs retenues. La qualité de l'eau de ces retenues subit de modifications provoquées par divers facteurs parmi lesquels la dégradation de la végétation terrestre immergée semble prédominante. Nous avons cherché l'intégration de ces facteurs dans un modèle mathématique pour étudier l'évolution de cette qualité de l'eau. Ce modèle décrit, selon les dimensions verticale et longitudinale, le comportement de cinq variables d'état: l'oxygène dissous, la matière organique dans la colonne d'eau, la matière organique facilement dégradable, la matière organique difficilement dégradable, et l'ammonium. Ce comportement est décrit en conditions d'aérobiose et d'anaérobiose. Le compartiment physique du modèle utilise deux approches pour la description longitudinale de la retenue. La première utilise un modèle thermique unidimensionnel et une discrétisation longitudinale en boîtes. La seconde utilise un modèle thermique unidimensionnel et une description longitudinale de l'intrusion du fleuve. Le modèle est calé et validé sur la base de données de la retenue de Tucurui (Brésil). Les principaux résultats indiquent une simulation correcte des événements de stratification et déstratification, ainsi que des concentrations en oxygène dissous et en ammonium. Cette modélisation met en évidence la part importante prise par la dégradation des troncs et des branches dans l'évolution de la qualité de l'eau de la retenue. En effet, leur dégradation provoque une forte consommation d'oxygène; le dégagement d'ammonium, en revanche, est marginal.

PILOTE est un système qui reproduit des décisions d'experts dans la définition de stratégies de pompage. Pour cela, le système combine à la fois des modèles mathématiques et des jeux d'heuristiques. Les modèles comprennent des procédures statistiques de prévisions horaires de consommation et un module de simulation hydraulique. Les heuristiques sont basées sur des facteurs en relation avec la quantité et la qualité de l'eau, et les coûts de pompage et de maintenance. Une évaluation du système a indiqué que les procédures de prévision fonctionnaient bien, mais que le modèle de simulation surestimait de façon conséquente les volumes élevés. Les heuristiques utilisées dans le programme représentent bien les régies utilisées par les experts, excepté pour le classement des stratégies alternatives de pompage. L'évaluation a aussi défini les priorités de développement pour un passage vers un système opérationnel.

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.

Cette étude comporte deux objectifs principaux. Le premier est de contribuer à l'évaluation des deux approches, empirique et conceptuelle, de modélisation du transport de polluants diffus d'origine agricole quant à leur capacité à représenter l'évolution temporelle des concentrations et des flux des matières en suspension, des nitrates et du phosphore, à l'exutoire d'un petit bassin versant agricole. Nous avons validé deux modèles représentatifs de chacune des approches ; le premier modèle est inspiré des modèles CREAMS et SWRRB et le deuxième est modèle le HSPF. Le deuxième objectif est d'analyser l'utilité des modèles mathématiques dans la gestion de la pollution diffuse d'origine agricole et ceci par rapport à cinq critères de décision auxquels sont confrontés les gestionnaires : (1) estimation des flux polluants, (2) évaluation du risque de dépassement d'une concentration, (3) description de mécanismes de transport de polluants , (4) détermination et quantification des sources de polluants et (5) évaluation de l'impact sur la qualité de l'eau des changements des pratiques agricoles. La première partie de ce mémoire décrit les enjeux de la pollution diffuse d'origine agricole, analyse les phases du processus de gestion de la qualité de l'eau dans les bassins versants agricoles et situe les diverses méthodologies d'aide à la gestion dans les différentes étapes de ce processus. On met en évidence de quelle manière la modélisation peut apporter une aide aux gestionnaires et aux décideurs. Elle comporte également une description des différentes étapes de la mise en oeuvre d'un modèle et une analyse des principaux problèmes extrinsèques aux modèles qui limitent leur application par les gestionnaires. La deuxième partie décrit les mécanismes mis en jeu dans le transport de polluants d'origine diffuse et les principales approches de modélisation de chaque processus individuel par cycle : l'eau, l'érosion, l'azote puis le phosphore. Enfin nous présentons les principaux modèles mathématiques de simulation du transport des polluants agricoles en les classant, en mettant en évidence leurs avantages et leurs inconvénients, et en précisant leur domaine d'application. La troisième partie présente la démarche de modélisation suivie, les modèles mathématiques utilisés et les résultats obtenus individuellement pour chacun des modèles pour le bassin versant de l'Orgeval (à Mélarchez). Finalement, nous présentons les résultats de nos réflexions sur l'utilité des modèles mathématiques dans la gestion de bassins agricoles afin d'évaluer le réel intérêt d'une telle démarche dans la résolution des problèmes concrets qui sont posés aux gestionnaires. Considérés comme outils de simulation des concentrations ou des débits à l'exutoire, ces modèles sont trop complexes par rapport à l'information disponible dans les données ce qui conduit à une sous-détermination des paramètres. De plus, l'évolution temporelle des concentrations de polluants à l'exutoire est en général mal représentée notamment lors les événements à fortes concentrations. Considérés comme outils de gestion, ces modèles ne sont guère plus performant dans l'estimation des flux polluants à l'exutoire que des modèles plus simples. Par ailleurs, ces modèles pourraient en principe simuler l'évolution d'autres variables d'état (e.g., stock d'azote du sol) ou simuler l'impact de changements des pratiques agricoles sur la qualité de l'eau tels que les modifications des surfaces cultivées ou de la rotation de différentes espèces végétales ou des changements dans la quantité ou dans le mode d'apport de fertilisants. Pour cela ils devraient être validés sur leur réalisme physique, c'est-à-dire, sur leur capacité de décrire fidèlement les processus essentiels responsables de la dynamique de polluants dans le bassin versant. Cependant, comme ils ne sont jamais validés sur cette propriété et comme aucune mesure à l'intérieur du bassin ne permet de justifier a priori la validité de la représentation, on ne peut encore raisonnablement leur accorder confiance pour la prise de décision en matière de gestion.

La mesure de la matière organique biodégradable (MOB) présente un réel intérêt pour le suivi de l'efficacité des filières de traitement et la maîtrise de la reviviscence bactérienne dans les réseaux de distribution. Elle est réalisée à l'aide de tests biologiques basés sur l'inoculation d'échantillons d'eau par des micro-organismes. Une étude méthodologique portant sur la signification de la mesure du carbone organique dissous biodégradable (CODB) et la comparaison de différentes techniques d'évaluation de la MOB a montré que : - pour une technique donnée, la valeur de CODB mesurée dépendait des conditions expérimentales appliquées (i.e. quantité d'inoculum, aération, durée d'incubation), - les résultats de mesure du CODB étaient différents selon que l'on utilisait un inoculum fixé ou en suspension, cependant les valeurs obtenues par les deux méthodes étaient bien corrélées, - la comparaison des valeurs de CODB et de COA a conduit dans 60% des cas à des résultats concordant, avec une équivalence de 90-140 µg C éq. acétate/mg de CODB, - le CODB a prédit à 90% le potentiel de recroissance d'une flore naturelle mixte avec un rendement de croissance de 1,7 x 109 cellules/ mg de CODB. Au cours des traitements d'oxydation par l'ozone seul ou couplé au peroxyde d'hydrogène (0,45 g H202 / g 03) ou à un catalyseur d'oxyde de titane, l'optimum de formation de CODB a été obtenu pour des taux de traitement intermédiaires (0,5 -1 mg 03/ mg COD) et pour des temps de contacts courts (5 -10 min.). L'oxydation catalytique a conduit à une augmentation modérée de CODB par suite d'une minéralisation plus poussée des composés organiques. Des observations de terrain menées sur un réseau de distribution ont montré que la recroissance bactérienne était gouvernée par trois paramètres clés qui sont la température de l'eau, la concentration en résiduel de chlore et la teneur en matière organique biodégradable. Il a été possible de prédire la qualité bactériologique de l'eau et la consommation de CODB le long du réseau grâce à des modèles de régression linéaire multiple, intégrant respectivement les paramètres température - résiduel de chlore et température - concentration de CODB dans l'eau en sortie d'usine de potabilisation. La reviviscence bactérienne s'est accompagnée de l'apparition de coliformes sur certains sites du réseau de distribution. L'observation de ces germes a été associée le plus fréquemment à des températures de l'eau supérieures à 15°C, à des consommations de CODB supérieures à 0,15 mg/l, à des logarithmes de dénombrements bactériens par microscopie en épifluorescence supérieurs à 5,2 et à des résiduels de chlore inférieurs à 0,10 mg/l. Il a été possible de graduer le risque d'apparition des coliformes par comptabilisation des dépassements de seuils critiques pour ces quatre paramètres, correspondant à des fréquences croissantes d'isolement de ces germes dans le réseau. Ce modèle de risque (AL COL) peut s'avérer un outil efficace dans la maîtrise de la qualité bactériologique le long des réseaux de distribution. En effet, tout réseau présentant des risques élevés devrait faire l'objet de mesures immédiates de chloration afin de réduire ces risques et éviter l'apparition des coliformes.