Cette thèse valorise les données de mesure en continu de pluie de débit et de turbidité, ainsi que les bases de donnée de résultat d'analyse et les connaissances acquises dans le cadre des trois observatoires français en hydrologie urbaine, OPUR-Paris, OTHU-Lyon et ONEVU Nantes, pour valider et améliorer les connaissances sur les flux et les sources de particules vectrices de contaminants, en réseaux d'assainissement unitaire. Les données provenant de 6 sites expérimentaux drainés par un réseau d'assainissement unitaire ont été exploitées : Marais, Quais et Clichy à Paris, Cordon Bleu et Saint-Mihiel à Nantes et Écully à Lyon, avec sur chaque site des bases de données de longue durée qui ont permis des études statistiques sur des échantillons de plusieurs dizaines d'événements pluvieux et de journées de temps sec. Cette thèse a permis : 1- d'évaluer la représentativité de la turbidité pour analyser du transport solide en réseau ; 2- d'analyser et de modéliser statistiquement les concentrations et les masses de particules à l'échelle événementielle ; 3- d'étudier la dynamique des flux et des concentrations à l'échelle intra-événementielle. Les résultats obtenus indiquent d'une part, que la turbidité permet de décrire les dynamiques intra-événementielles des flux et des concentrations à condition d'exprimer ceux-ci sous forme relative, normalisée par les valeurs moyennes événementielles. En revanche, ces valeurs événementielles sont attachées par des erreurs systématiques non négligeables induites par les variations inter-événementielles de la relation MES-Turbidité (intervalle de confiance de l'ordre de 30% de la moyenne). Ils confirment d'autre part que la contribution des dépôts aux flux de temps de pluie est importante mais variable (entre 20 et 80% de la masse à l'exutoire selon l'événement), y compris sur un site réputé exempt de dépôts (grossiers). Autrement dit, les problématiques d'ensablement et de pollution de temps de pluie ne sont pas nécessairement liées. L'autre contribution majeure est celle des eaux usées « de temps sec ». De plus, ils nous ont permis de progresser dans la compréhension des phénomènes de décalage temporel entre hydrogramme et pollutogramme et d'effet piston / This thesis exploits continuous measurement of rainfall, discharge and turbidity data and the knowledge acquired by three French observatories in urban hydrology, OPUR-Paris, OTHU Lyon and ONEVU-Nantes, to validate and improve knowledge on suspended solids discharges and sources of particles, which are major vectors of contaminants in combined sewer systems. Data from six experimental sites served by a combined sewer system were used: Marais, Quais and Clichy in Paris, Cordon Bleu and Saint-Mihiel in Nantes and Ecully in Lyon. At each site, a long duration databases enabled statistical studies on samples of several tens of rainfall events and dry weather days. This thesis allowed: 1-to assess the representativeness of turbidity to analyze sediments transport in network; 2-to analyze and model concentrations and masses of particles at the scale of rain events; 3-to study the dynamics of fluxes and concentrations at intra-event scale. Results show that turbidity can describe the dynamics of intra-event fluxes and concentrations provided these are expressed in a relative form, normalized by the event mean values. However, these mean values are attached by significant systematic errors induced by variations of the inter-event TSS-turbidity relationship (95% confidence interval about 30% of average). The contribution of sewer deposits to wet weather suspended solids discharges is important but variable (between 20 and 80% of the mass at the outlet depending on the event), including for a site allegedly free of (coarse) sewer deposits. In other words, the problems of silting and contribution from deposits to wet weather pollution are not necessarily related. The other major contribution is from “dry weather” wastewater. In addition, they we made some progress in understanding the lag-time phenomena between hydrograph and pollutograph and the piston effect

L’optimisation du système d’assainissement et la réduction des rejets d’eaux résiduaires urbaines non traitées est devenue un enjeu majeur pour de nombreuses collectivités dans le but d’atteindre les objectifs de qualité des milieux aquatiques fixés par la Directive Cadre européenne sur l’Eau (DCE 2000/60/CE). Pour cela, une parfaite connaissance du système d’assainissement est nécessaire. L’objectif de cette thèse, financée par la CDAPP et l’Agence de l’Eau Adour Garonne, était l’étude de la dynamique du système d’assainissement de la CDAPP et de sa contribution sur les flux de polluants dans le milieu récepteur (le Gave de Pau). La première étape du travail a été consacrée à la caractérisation hydraulique et physicochimique du système d’assainissement par temps sec et par temps de pluie. Une étude hydraulique a été tout d’abord réalisée et a permis de mieux appréhender la dynamique des déversements via les déversoirs d’orage (DO) en fonction de la nature des évènements pluvieux. D’autre part, la caractérisation physico chimique des eaux usées (matières en suspension ou MES, demande chimique en oxygène ou DCO, métaux, hydrocarbures aromatiques polycycliques) a mis en évidence que pour l’ensemble de ces paramètres, une nette augmentation des flux par temps de pluie était observée en particulier en début d’événement (augmentation d’un facteur de 2 à 10). Ce phénomène s’explique par l’apport de polluant par les eaux de ruissellement et l’érosion des dépôts accumulés par temps sec dans les réseaux. Seul l’azote total se comporte différemment puisqu’il est majoritairement présent sous forme dissoute. Afin de mieux appréhender la dynamique des paramètres polluants réglementaires (MES, DCO et azote), un suivi haute fréquence (au pas de temps de cinq minutes) a été mis en place durant un an à l’aide de sondes de turbidité et de conductivité. Ce suivi en continu constitue la troisième partie de ce travail. Des corrélations (r² ≈ 0,9) ont été établies entre d’une part, les paramètres polluants DCO et MES, et la turbidité et d’autre part, entre la conductivité et l’azote total. Ces enregistrements ont permis une meilleure compréhension du fonctionnement du système d’assainissement : mise en évidence du phénomène de first flush, estimation des flux polluants déversés via les DO, étude des phénomènes de stockage dans les réseaux. La dernière partie de cette thèse vise à l’étude de la contribution des rejets d’assainissement dans le milieu récepteur. Elle a permis de démontrer la contribution modérée du rejet de sortie de STEP (entre 1 et 15 %) par temps sec. Par temps de pluie, la contribution du système d’assainissement via les DO est extrêmement variable suivant les conditions hydro-climatiques (de < 1 % à plus de 50 %). Ce travail a permis d’une part d’apporter des résultats utilisables par le gestionnaire de l’assainissement pour optimiser la gestion des eaux usées de la CDAPP. D’autre part, ce travail apporte des résultats plus fondamentaux relatifs à une meilleure connaissance de la dynamique hydrologique et physicochimique des eaux résiduaires urbaines et des polluants associés tels que la mise en évidence, à l’aide d’outils statistiques, des paramètres influençant les déversements et les concentrations en polluants par temps de pluie. / Optimization of sewer system and reduction of untreated wastewater discharges has become a key issue for many communities in order to achieve the good quality of aquatic environments set by the European Framework Directive (WFD 2000/60/EC). For this, a perfect knowledge of sanitation is required. The objective of this thesis, funded by CDAPP and Adour Garonne Water Agency, was the study of the dynamics of the CDAPP sanitation and its contribution to the pollutants fluxes in the receiving environment (the river Gave de Pau). The first step of the work was devoted to the hydraulic and physicochemical wastewater characterization during dry and wet weather. A hydraulic study was first carried and helped to better understand the dynamics of discharges through the combined sewer overflow (CSO) according to the rainfall events characteristics. On the other hand, the physico-chemical characterization of wastewater (suspended solids or TSS, chemical oxygen demand or COD, metals, polycyclic aromatic hydrocarbons) showed that for all these parameters, a clear increase of pollutant fluxes was observed at the beginning of the rainfall event (increase by a factor of 2 to 10). This phenomenon is explained by the runoff contribution and erosion of sediments accumulated in the networks during dry weather periods. Only total nitrogen behaves differently because it’s mostly dissolved. To better understand the dynamics of pollutants parameters (TSS, COD and nitrogen), high frequency monitoring (every five minutes) has been established for one year with turbidity and conductivity sensors. This continuous monitoring is the third part of this work. Correlation functions (r² ≈ 0.9) were found between, the pollutant parameters COD and TSS, and turbidity, and secondly, between conductivity and total nitrogen. These records allowed a better understanding of sanitation system: highlighting the first flush phenomenon, estimation of pollutant loads discharged by CSO, study of storage networks phenomenon. The last part of this thesis aims to study the contribution of wastewater discharges to the receiving environment. It demonstrated the moderate contribution of rejection output STEP (between 1% and 15%) in dry weather. In rainy weather, the contribution of sanitation through CSO is extremely variable depending on the hydro-climatic conditions (<1% to over than 50%). This work has led to provide usable results for the sanitation manager to optimize CDAPP wastewater treatment. Moreover, this work provides most fundamental results for a better understanding of the hydrological and physicochemical dynamics of urban wastewater and associated pollutants such as highlighting, using statistical tools, the parameters influencing pollutant concentrations during rainfall events.