Les ouvrages de biofiltration, systèmes végétalisés conçus pour le stockage, la filtration et éventuellement l’infiltration de l’eau, peuvent contribuer à une meilleure maîtrise du flux polluant associé au ruissellement de voirie. La capacité de ce type de système à réduire les flux de macropolluants, tels que les matières en suspension (MES) et les nutriments, via une amélioration de la qualité de l’eau combinée à une réduction de son volume, est avérée. Cependant, le comportement de micropolluants dans ces systèmes reste relativement peu documenté. Ce travail de thèse s’intéresse donc à la rétention et le devenir de micropolluants dans un système de biofiltration des eaux de voirie. Il s’articule principalement autour du suivi in situ d’un panel diversifié de micropolluants caractéristiques des eaux de voirie (éléments traces métalliques ou ETM, hydrocarbures totaux, hydrocarbures aromatiques polycycliques ou HAP, BPA, alkylphénols, phatalates) et d’indicateurs globaux dans un accotement filtrant et une noue filtrante, situés en bordure d’une route départementale. Ce suivi comporte des mesures débit métriques et de qualité d’eau en continu, un travail d’échantillonnage et d’analyse du ruissellement brut et des eaux traitées par les deux ouvrages (dix-neuf événements pluvieux étudiés au cours d’un an et demi) et un travail d’échantillonnage et d’analyse du sol. Cette démarche est couplée à une caractérisation du substrat filtrant et des matériaux de construction en laboratoire et à une approche de modélisation stochastique pour évaluer le bilan de masse annuel de polluants dans la noue filtrante. Ce suivi démontre la capacité de la biofiltration à réduire de façon significative les concentrations totales en micropolluants à l’échelle de l’événement pluvial. Le traitement est particulièrement efficace pour les contaminants associés majoritairement aux MES, tels que le Zn, le Pb et les HAP pour lesquels la réduction médiane des concentrations événementielles (EC50) est supérieure à 90% dans les deux ouvrages. Pour le Cu, le Cr, le Ni et l’OP, les EC50 sont bonnes, supérieures à 70%. L’efficacité est moindre et plus variable pour les autres micropolluants organiques. Trois événements, caractérisés par une performance dégradée vis-à-vis des MES et des polluants particulaires, ont néanmoins été observés lors de l’application du sel de déverglaçage en hiver. La nature des particules indique que ce comportement soit dû à une mauvaise filtration de particules issues de la route, probablement liée à l’abondance exceptionnelle de particules fines (<10 µm) dans les eaux de voirie pendant cette période, combiné à une fissuration du substrat filtrant, menant à des écoulements préférentiels. La rétention de la phase dissoute des micropolluants est généralement moins efficace que celle de la phase particulaire ; des concentrations élevées ont notamment été observées pour certains micropolluants dissous (BPA, alkylphénols, phtalates) en sortie de la noue filtrante pendant les premiers mois de fonctionnement. Le transport des ETM dissous semble être facilité par leur association avec le carbone organique dissous ; ils sont aussi susceptibles d’être lixiviés à partir du sol contaminé ou des particules issues de la route. La rétention des micropolluants organiques dissous est limitée essentiellement par la contamination du substrat filtrant, dont l’origine est soit antérieure à son installation dans le biofiltre (cas des HAP), soit liée à des émissions de polluants depuis les matériaux de construction (cas probable pour BPA, OP, NP, DEHP).L’établissement du bilan de masse à l’échelle annuelle montre que l’abattement du flux polluant annuel est plus faible que l’EC50, du fait d’une surverse fréquente de l’ouvrage. Il met aussi en évidence l’ampleur des émissions de certains micropolluants organiques depuis les matériaux de construction de l’ouvrage, qui dépassent largement le flux polluant intercepté au cours de la première année / Biofiltration is a technique based on vegetated systems for the temporary storage, filtration and possible infiltration of runoff water close to the source, which may be used to manage pollutant loads associated with road runoff. The ability of this type of system to reduce loads of macropollutants, such as suspended solids and nutrients, both through the improvement of water quality and the reduction of its volume, has been established previously. However, the behavior of micropollutants in these systems remains relatively uncharacterized. The objective of the present work is to evaluate the retention and fate of micropollutants in a biofiltration system treating road runoff. It is principally focused on the in situ monitoring of a wide range of micropolltuants typical of road runoff (trace metals or TMs, total petroleum hydrocarbons, polycyclic aromatic hydrocarbons or PAHs, alkylphenols, BPA, phtalates) and global water quality parameters in two biofiltration systems located beside a highway: a vegetative filter strip and a biofiltration swale. This work involves continuous flow and water quality measurements, the sampling and analysis of runoff and infiltrated water drained from both systems (nineteen rain events over a year-and-a-half period) as well as the sampling and analysis of soil. These results are combined with a laboratory characterization of the filter media and biofilter construction materials and a stochastic modeling approach used to evaluate the annual mass balance of pollutants in the biofiltration swale. Field results highlight the ability of biofiltration to significantly reduce total concentrations of micropollutants at the event scale. Treatment is particularly effective for contaminants mainly associated with suspended solids, such as Zn, Pb and PAHs, for which median concentration reductions (EC50) exceeded 90% in both systems. EC50 observed for Cu, Cr, Ni and OP are also quite good, exceeding 70%. Treatment efficiency is lower and more variable for the other organic micropollutants. Three events, characterized by a degraded performance with respect to suspended solids and particulate pollutants, were, however, observed during a winter period when deicing salt was applied to road surfaces. Particle characteristics indicate that this behavior was due to the poor filtration of road-originated particles, probably due to an exceptional abundance of fine particles (<10 µm) in the road runoff during this period, in combination with the formation of preferential flows in the filter media due to cracking. The retention of dissolved-phase micropollutants is generally less effective than that of the particulate phase; in particular, elevated dissolved concentrations of several micropollutants (BPA, alkylphenols, phthalates) were observed during the first months of operation of the biofiltration swale. The transport of dissolved TMs appears to be facilitated by their association with dissolved organic carbon. These contaminants may also be leached from contaminated soil and road sediments. The retention of dissolved organic micropollutants is essentially limited by filter media contamination, which predates installation in the biofilter for PAHs and is attributed to pollutant emissions from construction materials for BPA, OP, NP and DEHP.In order to evaluate the systems’s ability to reduce pollutant loads and characterize the fate of pollutants in the filter media, a mass balance is evaluated at the annual scale for a selection of micropollutants. This work reveals that the reduction of pollutant loads is generally lower than the EC50 observed at the event scale due to the frequent overflow of water from the device. It also shows the significance of organic micropollutant emissions from biofiltration swale construction materials, which were much greater than the pollutant loads intercepted over the first year of operation

Le bassin versant du lac de Mâle d'une superficie de 800 km² est situé en Mauritanie. Il est localisé dans la zone nord sahélienne et est sujet à une forte variabilité des précipitations annuelles de 150 à 350 mm.<br />L'idée générale de la thèse est de développer une nouvelle fonction de production reposant sur la topographie et sans aucune calibration. Nous supposons qu'il est possible de créer une fonction de production en prenant en compte la loi d'infiltratin déduite de mesures et par l'organisation de la microtopographie. Cette dernière présente un grand nombre de dépressions liées par micro-talwegs superficiels qui suivent la pente générale du bassin versant pour ensuite converger dans le réseau hydrographique.<br />L'objectif final est de simuler le volume d'eau ruisselé sur le bassin versant en fonction de chaque épisode pluvieux dans le but de gérer les réserves en eau stokées au niveau du barrage.

L'objectif de cette thèse est de décrire et de hiérarchiser les processus à l'origine du ruissellement sur les parcelles artificiellement drainées, en prenant en compte non seulement les fluctuations de la nappe superficielle, mais aussi la dégradation éventuelle de la structure du sol en surface. A cet effet, trois axes complémentaires de recherche ont été développés. <br />Le premier axe est consacré à l'étude de l'évolution de la structure de l'horizon travaillé du sol au cours d'une pluie en présence de nappe superficielle, grâce à des simulations de pluie en laboratoire. Les profils de masse volumique mesurés par radiographie aux rayons X indiquent que l'effondrement et le changement de masse volumique lié à la croûte de battance sont plus marqués en conditions initiales très humides. Le modèle proposé d'évolution de la masse volumique avec la profondeur et au cours de la pluie, reproduit correctement cet effet.<br />Le deuxième axe a pour objectif de déterminer les propriétés hydrodynamiques de la croûte de battance à partir de données issues de nouvelles simulations de pluie associées à un modèle s'appuyant sur la distribution de la masse volumique du sol avec la profondeur. Les paramètres de ce modèle, estimés par méthode inverse, sont comparables aux mesures de masse volumique effectuées par rayons X, et permettent de correctement reproduire le comportement hydraulique du système, confirmant la forte baisse de la conductivité hydraulique en surface due à la croûte de battance.<br />Enfin, le troisième axe s'appuie sur le suivi expérimental d'une parcelle agricole drainée du bassin versant de Mélarchez (Seine et Marne) associé à une modélisation (logiciel HYDRUS 2D). Les observations durant l'hiver 2003-2004 confirment que le ruissellement est globalement limité en raison de la présence du drainage. L'affleurement de la nappe reste le facteur prédominant à l'origine du ruissellement, même si la croûte de battance, créée notamment par ce premier type de ruissellement, est susceptible d'augmenter les quantités ruisselées. La modélisation permet d'étudier le comportement du système sous d'autres conditions pluviométriques. En particulier, les périodes de retour des pluies conduisant à l'affleurement de la nappe et les conditions d'écoulement lors de ces affleurements sont analysées.

Ce travail s'intéresse à l'érosion hydrique observée dans les secteurs de collines limoneuses d'Alsace. Il aborde le cas spécifique de la monoculture de maïs grain, dont l'état de surface (EDS) influence fortement la formation du ruissellement au cours du printemps, en raison de la formation de croûtes de battance. L'objectif de ce travail est d'étudier les états de surface entre différents itinéraires techniques : technique conventionnelle (basée sur le labour), techniques sans labour et semis-direct et de mettre en évidence des différences pouvant expliquer des variations des volumes ruisselés et des pertes en terre. Pour ce faire, des observations de surface ont été réalisées en tenant compte de l'organisation spatiale des EDS créée par le travail du sol. Ces observations ont été complétées par des mesures in situ de ruissellement et de pertes en terre sous pluies naturelles et artificielles. Les principaux résultats indiquent une diminution du ruissellement et de l'érosion en non-labour et en semis-direct. Les observations de surface montrent que, entre pratiques culturales, les différences d'EDS portent essentiellement sur les interrangs. Ces résultats ont été synthétisés sous la forme d'un indicateur estimant le cumul de précipitations nécessaires pour observer l'apparition d'EDS ruisselants.

Les versants viticoles de Côte d'Or (Bourgogne, France) sont soumis aux effets conjugués de processus de ruissellement et de pratiques culturales intenses. Cette étude s'est intéressée à quantifier la dynamique de redistribution des sédiments sur plusieurs échelles de temps et d'espace. Des bilans sédimentaires ont permis de montrer que les versants étudiés, dont les sols sont rendus très sensibles aux phénomènes de ruissellement par la viticulture, sont soumis à des vitesses d'érosion de l'ordre de plusieurs millimètres par an. Les distances de transfert des sédiments associés à l'initiation et au développement des rigoles sont dépendantes d'un seuil de ruissellement. L'existence de ce seuil a été vérifiée dans l'analyse de la distribution spatiale des vitesses d'érosion et de la distribution temporelle des séquences pluviométriques. Le forçage anthropique se manifeste paradoxalement de deux manières : d'abord par l'ablation des sols sur les coteaux, et ensuite par la compensation partielle ou totale de l'érosion, notamment par les remontées de terre. Cet équilibre est à l'origine de la variabilité de la dynamique sédimentaire sur les versants étudiés.

Depuis une trentaine d'années, les eaux de ruissellement sont considérées comme une source importante de pollution des milieux naturels en raison de leur concentration élevée en micropolluants. Les dépôts atmosphériques, l'érosion des surfaces imperméables (toitures, chaussées, trottoirs et parkings) et le lessivage des dépôts générés principalement par le transport, les chauffages et les industries sont les principales sources identifiées. L'objectif du travail présenté dans ce mémoire est de caractériser et déterminer des sources de métaux traces, hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et pesticides transportés par les rejets de temps de pluie issus de deux bassins versants séparatifs situés à l'Est de Nantes (bassins du Pin Sec et des Gohards). Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet fédératif de recherche de l'Institut de Recherches en Sciences et Techniques de la Ville (IRSTV). L'étude détaillée des concentrations et des flux de substances polluantes dans les retombées atmosphériques et les eaux de ruissellement de toitures et de chaussées a été effectuée pour estimer l'apport des ces différents compartiments à la pollution transportée par les eaux pluviales s'écoulant aux exutoires des réseaux séparatifs. A partir de ce suivi, cette étude établit et dans certains cas confirme l'origine et les vecteurs principaux de transfert de polluants aux eaux pluviales générées en zones périurbaines peu denses et avec une densité de trafic faible à modérée. Les retombées atmosphériques s'avèrent une source de chrome et de cadmium, les toitures et leurs accessoires sont source de zinc et de plomb, les chaussées apportent cuivre, nickel et zinc. En termes de pollution organique, le trafic automobile semble être la principale source de HAP, tandis que les pratiques de désherbage de la municipalité et des particuliers continuent à être la cause principale de présence de pesticides dans les eaux pluviales.

L'érosion hydrique des sols agricoles a pour effet d'augmenter de manière significative la charge de matières en suspension, de nutriments, de pesticides et de pathogènes dans les eaux de surface. Le transport des polluants vers les milieux aquatiques est intimement lié aux processus hydrologiques du bassin versant et plus particulièrement au mécanisme du ruissellement de surface. Les terres agricoles sont particulièrement sujettes à l'érosion hydrique en raison de la faible couverture végétale, notamment dans les cultures annuelles à grandes interlignes, comme la culture de maïs, très répandue dans le sud du Québec.L'avènement des données à référence spatiale de très haute précision de type lidar offre désormais une représentation très fine de la topographie du terrain. Le projet présenté a pour principal objectif de développer des indices spatiaux permettant de mieux cibler les secteurs prioritaires d'intervention relativement aux problèmes de ravinement et de décrochement de berge en milieu agricole. À cette fin, il faut, dans un premier temps, fournir un portrait de l'écoulement de surface à l'échelle du bassin versant, puis poser un diagnostic quant aux caractéristiques du terrain prévalant dans ces zones d'érosion hydrique du bassin versant. Cette analyse spatiale établit les liens statistiques entre la présence et l'importance des marques de ravinement et de décrochement de berge observées et les attributs topographiques et pédologiques du terrain et du cours d'eau. A l'échelle globale, l'indice topographique [lambda] s'est révélé être un indicateur efficace de l'emplacement des secteurs sensibles à l'érosion hydrique, particulièrement le ravinement. A l'échelle de la parcelle agricole, la présence du ravinement s'explique principalement par l'humidité du sol ([lambda] > 8,5) et l'importance du phénomène croit proportionnellement avec la superficie contributive (R[indice supérieur 2] = 0,68). La présence du décrochement de berge est pour sa part clairement liée à la nature des dépôts meubles (texture, érodabilité, perméabilité), à la pente du cours d'eau et à la superficie contributive de la parcelle.L'importance du décrochement de berge s'explique partiellement (R[indice supérieur 2] = 0,38) en fonction de la taille du bassin de drainage de la parcelle, de la hauteur de la berge et de la présence d'une restriction en amont sur le cours d'eau. Des données complémentaires permettraient certainement de mieux comprendre et prédire l'importance des décrochements de berge et des ravinements, notamment des données pédologiques plus précises ainsi que des données décrivant les pratiques culturales et les précipitations.

Le ruissellement pluvial est à l’origine de phénomènes violents tels que des inondations, de l’érosion ou des coulées de boue. Les voies ferrées interceptent les écoulements de surface, ce qui peut engendrer une dégradation précoce de l’infrastructure ou la destruction d’éléments, tels que la plateforme ou les talus. La méthode IRIP, « Indicateur de Ruissellement Intense Pluviale », permet de représenter le ruissellement en trois cartes, la production, le transfert et l’accumulation. La méthode IRIP se veut simple et robuste, pour un usage sur tous types de territoires et sans calage. Comme tout modèle de ruissellement, l’évaluation de la méthode IRIP se heurte au manque de données. Pourtant, l’évaluation est une étape cruciale dans le développement de modèles. Pour un usage opérationnel ou pour poursuivre les développements, il est nécessaire d’estimer la valeur et la fiabilité des informations produites. L’objectif de la thèse est donc de proposer une méthode d’évaluation de la méthode IRIP par comparaison à des données d’impacts sur les voies ferrées. La difficulté réside dans la différence de fond et de forme des données à comparer et dans la nécessité de prendre en compte la vulnérabilité de l’infrastructure. La méthode d’évaluation proposée est basée sur le calcul de tableaux de contingence et d’indicateurs de performance, couplé à des analyses détaillées d’incidents. Après une estimation de la performance de la méthode IRIP, des développements sont testés et évalués grâce à la méthode d’évaluation élaborée. La lisibilité des cartes est finalement améliorée, tout en gardant de bons scores de performance. En appliquant la méthode IRIP à des contextes opérationnels, il est montré en quoi IRIP peut être considéré comme un outil d’aide à l’expertise. Différentes tâches du processus de gestion des risques sont testées, telles que les diagnostics de risques sur les voies ferrées, les retours d’expérience post-évènement ou encore la réalisation de zonage règlementaire. De manière générale, cette thèse contribue à l’amélioration des connaissances sur le phénomène du ruissellement et propose des méthodes pour améliorer la gestion des risques liés au ruissellement. / Surface runoff is the source of severe hazards such as floods, erosion or mudflows. Railways can disturb natural surface water flow path, which can generate accelerated deterioration of the infrastructure, or the destruction of railway elements, such as the roadbed or the embankments. The IRIP method ‘Indicator of Intense Pluvial Runoff’ (French acronym) allows mapping surface runoff through three maps, generation, transfer and accumulation. The IRIP method aims to be simple and reliable, in order to be used on all types of lands, without calibration stage. As for others surface runoff models, the IRIP method evaluation faces the lack of data. However, evaluation is a crucial stage for the development of models. In the perspective of an operational use, or simply for the model development, it is essential to estimate the value and the reliability of the model outputs. The thesis objective is to provide an evaluation method using surface runoff impacts on railways. Difficulties lie in the fact that data to be compared differ in terms of form and content. Moreover, the infrastructure vulnerability must be characterized. The proposed evaluation method is based on the computation of contingency tables and of verification indicators, together with detailed analysis of specific impacts. After an estimation of the IRIP method performance, further developments can be tested and evaluated thanks to the proposed evaluation method. Finally, maps comprehensibility is enhanced, while preserving satisfying performance scores. By applying the IRIP method to operational contexts, it has been shown how the IRIP method can be used as a tool in expert appraisals. Different tasks of the risk management process have been studied such as risk analysis on railways, post-event investigation or the realisation of regulatory zonings. More generally, this thesis contributes to improve knowledge about surface runoff and provide methods for improving the risk management.

Ce travail de thèse a dans un premier temps permis de mettre en évidence les différentes pratiques de traitement de toiture existantes en France. Après avoir sélectionné la pratique de traitement majoritaire (à savoir le traitement biocide), le protocole d'analyse de la molécule la plus répandue dans les différents produits : le benzalkonium (ou alkyldiméthylbenzylammonium) a été développé. Ce protocole a ensuite été appliqué pour évaluer les niveaux de concentration en biocide dans l'eau de ruissellement de toiture après un traitement. Une double approche a été mise en œuvre : "Suivi sur une durée d'un an des flux de benzalkonium dans les eaux de ruissellement de 12 bancs d'essais exposés en conditions naturelles", évaluation en condition de pluie simulée au laboratoire de différents paramètres (nature du matériau de couverture, dosage du produit et intensité de la pluie) sur les processus d'émission du benzalkonium. Enfin, l'ensemble des données acquises ont permis d'évaluer l'incidence sur la contamination des eaux de ruissellement de toiture après un traitement biocide, à une échelle locale et à l'échelle d'un petit bassin versant résidentiel. Le suivi de la contamination des eaux de ruissellement par bancs d'essais a permis de mettre en évidence une très forte contamination en benzalkonium dans les premiers millimètres de pluie (5 à 27 mg/L), très supérieures aux EC50 disponibles pour les organismes aquatiques (5,9 µg/L) et dépendante de la nature du matériau de toiture utilisé, les tuiles en terre cuite ayant émis moins de biocide que les tuiles en béton. La contamination diminue avec la succession des pluies, mais reste significative plusieurs mois après le traitement. Par ailleurs, l'étude au laboratoire a montré que l'état de surface des tuiles influence beaucoup le lessivage. Ainsi, les tuiles très imperméables en surface ont émis une quantité de benzalkonium proportionnelle à la masse épandue lors du traitement, alors que les tuiles sans traitement de surface ne sont pas sensibles au dosage du produit. A l'échelle locale, des précautions doivent être prise lors d'un traitement de toiture vis-à-vis de la collecte / utilisation des eaux de ruissellement. En effet, les très fortes concentrations en benzalkonium dans les premières pluies suivant le traitement peuvent avoir des impacts sur les végétaux arrosés, sur l'équilibre microbien de la cuve de récupération, voir des effets irritants sur l'homme. Une déconnexion minimale de 3 à 5 mois de la cuve permettrait de limiter les risques. Enfin, sur la base des résultats des bancs d'essais et d'un travail d'enquête sur l'étendue des pratiques de traitement, les concentrations et flux de benzalkonium susceptibles d'être émis dans les eaux pluviales d'un bassin versant résidentiel ont été modélisés. Les résultats mettent en évidence une contamination significative des eaux pluviales, liée essentiellement à la phase particulaire. La masse annuelle de benzalkonium exportée dans les eaux pluviales pourrait être de l'ordre de 0,85 kg / ha imperméabilisé / an / Firstly, this thesis listed the different roof treatment practices in France. Once the major treatment practice selected (biocidal treament), the analytical protocol of the most widely used molecule (benzalkonium or alkyldimethylbenzylammonium) was developed. This protocol has been followed to evaluate the biocide concentration levels in roof runoff after a treatment. A double approach was considered : - Follow up of the benzalkonium flux for one year in runoff using 12 bench tests exposed to natural conditions. - Evaluation of the influence of different parameters (material, product dosage and rain intensity) on benzalkonium emmission processes with simulated rains. Finally, all the data acquired allowed the evaluation of the incidence of biocidal treatments on roof runoff contamination at different scales ( local and residential watershed). The results of the bench tests showed a very high benzalkonium contamination during the millimetres of rain (5 to 27 mg/L), higher than the different EC50s of aquatic organisms ( 5.9 ùg/L). Furthermore, the results showed an influence of the tile material on the release of benzalkonium : clay tiles were less washed off than concrete tiles. The contamination decreased with successive rains, but remained significantly high several months after treatment. Moreover, laboratory studies showed a proportional release of benzalkonium from waterproofed tiles with respect to the biocidal mass spread. On the contrary, tiles without any surface treatment were not sensitive to the product's dosage. On a local scale, precautions have to be taken during treatment with respect to the harvest / reuse of the runoff. Indeed, high benzalkonium concentrations during the first rains may have a potential impact on watered plants, microbial equilibrium in the collection tank and irritating effects on human. A deconnection of the tank for at least three to five months will reduce the risks. Finally, based upon the bench tests results and a survey on roof treatment practices, the benzalkonium concentrations and fluxes were injected in a mathematical model on a watershed scale. The results showed a significant contamination linked to the particles. The annual mass of benzalkonium transferred to the rainwaters could reach 0.85kg / waterproofed ha / year

Le but est de comprendre le phénomène de givrage. Dans certains cas le dépôt de givre est fortement discontinu et a la forme des queues de homard. Le mécanisme de la formation de ce type de givre est multiphysique. Les études expérimentales menées par la NASA sur des NACA et par l'ONERA sur un cylindre permettent de comprendre de façon microscopique le givre en queue de homard. Ces études ont permis de visualiser, d'analyser et de proposer un modèle microphysique de l'accrétion. Elles ont montré que la géométrie joue un rôle dans ce type de formation car elle affecte les directions de ruissellement. Plusieurs approches microphysiques sont proposées consistant à reproduire d'une façon qualitative la variation du coefficient d'échange à la surface du cylindre recouvert de givre. Ces tests de simulation ont aboutis à des résultats bien que qualitatif, très encourageant pour la suite. En effet, des discontinuités visibles s'apparentent aux queues de homard observées expérimentalement.