La gestion des eaux urbaines de temps de pluie est devenue une priorité depuis quelques années, au regard des problématiques d'inondations et de pollutions des cours d'eau qui remettent en cause l'atteinte des objectifs de la DCE. En outre, les filtres plantés de roseaux sont reconnus comme des solutions fiables pour le traitement des eaux usées depuis plus de 20 ans. Par ailleurs, leur adaptation à d'autres types d'effluents a été mise en place récemment (traitement tertiaire, effluents dilués, lits de séchage de boues), et la gestion des eaux de temps de pluie s'inscrit dans le cadre de cette extension de fonction. Bien que ce système combine à la fois des capacités de stockage et de traitement, Uhl et Dittmer (2005) ont mis en avant des dysfonctionnements (mort des roseaux en période sèche, chutes de performances). Ces auteurs soulignent aussi la nécessité d'optimiser les règles et outils de dimensionnement.Le projet SEGTEUP vise donc, via un suivi sur pilotes de grande taille et une modélisation hydrodynamique, à fournir des règles de conception à intégrer dans un futur outil de conception simplifié, utilisable à l'échelle du territoire français. L'étude des pilotes vise donc à tester différents matériaux et conceptions, alors que la modélisation met en évidence les principaux paramètres d'influence de l'écoulement. Au final, la filtration apparaît comme le principal processus d'élimination de la pollution organique et des micropolluants, alors que l'adsorption de la matière organique dissoute est négligeable. Par ailleurs, l'emploi d'un matériau à forte capacité d'adsorption (zéolite) accroît considérablement les capacités de rétention de l'ammonium. L'utilisation de tels matériaux est particulièrement recommandée en cas de charges en ammonium particulièrement élevées ou de faible surface disponible. Enfin, l'étude de l'hydrodynamique montre que l'écoulement, ainsi que l'adsorption et les réactions de biodégradation, sont fortement influencés par la limitation du débit de fuite (temps de rétention, particulièrement pendant la phase saturée). Par ailleurs, la structure d'alimentation doit permettre une répartition homogène de l'influent à la surface du massif pour éviter les court-circuits hydrauliques et les volumes morts. La construction d'un modèle 1D a enfin été mise en oeuvre, mais celui-ci ne permet pas de faire des prédictions, car la couche virtuelle simulant la limitation du débit de fuite doit être calée lors de chaque événement simulé. Une adaptation 2D du modèle, la prise en compte de lois de vannes et pertes de charges singulières, ainsi qu'un couplage filtre-réseau doit permettre la finalisation de cet outil. / Urban runoff management has become a priority for many years, regarding the issues of flooding and water course pollution that jeopardize the objectives of the European Framework Directive 2000/60/CE. As an extensive technique, subsurface flow constructed wetlands have proved to be reliable solutions for the treatment of sewage, and have been used for more than 20 years. Their adaptation to other types of functions or effluents has even been implemented over the last ten years (tertiary treatment, dilute effluents, sludge drying reed beds), and the management of urban runoff is part of this extension process. Despite this system combines both storage and treatment capacities, (Uhl and Dittmer, 2005) highlight dysfunctions as reed death during long rest periods or performance losses. These authors also underline the needs in optimizing design rules and tools.Then, the SEGTEUP project combines a large-scale pilot monitoring and hydrodynamic modeling, aiming at providing some basis for the implementation of a reliable design tool, applicable over the entire French territory. Then, the pilot study aimed at testing different materials and filter configurations, while a mechanistic approach was implemented to highlight the main flow influence parameters.Anyway, filtration of suspended solids appears as the major pollutant removal process, allowing the retention of at least 70% of SS and associated pollutants whatever the material considered. Nevertheless, dissolved organic matter adsorption remains negligible, while ammonium elimination is poor for the coarsest material. In the opposite, adsorbent zeolite present high ammonium retention abilities and ensures constantly low discharge levels. The use of this material is particularly recommended in case of specific issues concerning high pollutant loads or low available surface area. Furthermore, micropollutants (metals and PAHs) mainly bound with particles, are highly removed by filtration of SS. In our study, dissolved micropollutants concentrations were too low to highlight robust conclusions. However, further research are needed to better understand metals retention and release, and PAHs degradation processes, since these mechanisms are strongly dependent of pH and redox conditions and dynamics. Finally, the study of hydrodynamics shows that the throttle value influences adsorption and degradation reactions through variations in hydraulic retention time, particularly during saturated phases. On the other hand, the feeding structure is of special importance since a homogenous distribution of influent at the filter surface is needed to avoid hydraulic shortcuts and corresponding dead volumes. Finally, a HYDRUS 1D model was implemented around urban runoff issues, but cannot be used as a predictive design tool. Indeed, the throttle value, represented by a virtual layer with low conductivity, must be re-calibrated for each simulated event. Then, a 2D adaptation of the model is required, as well as the integration in the HYDRUS code of appropriate singular head losses as boundary conditions. In the end, the developed simplified model of water flow and pollutant degradation should be coupled with a sewer system model, aiming at creating a flexible and adaptable design tool.

Les Rejets Urbains par Temps de Pluie (RUTP) représentent une pollution très complexe et variable de par la diversité des évènements pluvieux et des bassins versants lessivés. Les RUTP sont, dans la majorité des cas, rejetés dans des milieux récepteurs aquatiques péri-urbains tels que les lacs, rivières ou eaux souterraines, sans traitement d’épuration. La pollution déversée, qui peut être très diluée, est le plus souvent liée à des évènements relativement courts et difficiles à prévoir. L’impact écotoxique des RUTP peut donc s’avérer difficile à évaluer, en particulier par des mesures directes in situ. Parmi les organismes utilisés en écotoxicologie, les microalgues sont extrêmement intéressantes. En effet, elles constituent la base des réseaux trophiques, sont sensibles à une large gamme de polluants et sont très sensibles à la présence de substances exogènes. C’est la raison pour laquelle nous avons développé dans un premier temps une batterie de biomarqueurs cellulaires sur microalgue (perturbation de la physiologie (comme la photosynthèse) de Chlorella vulgaris), afin de montrer leur intérêt pour détecter rapidement et sensiblement l’impact toxique d’échantillons de RUTP collectés sur la région Lyonnaise. La réponse de ces biomarqueurs a été comparée en laboratoire à une batterie de bioessais écotoxicologiques monospécifiques classiques sur microalgues et microcrustacés (e.g. essais de croissance, reproduction). Dans un second temps, nous avons travaillé à l’adaptation de ces biomarqueurs afin de créer des outils de détection in situ. Des biocapteurs à cellules entières, basés sur une mesure de la perturbation de la photosynthèse (fluorescence chlorophyllienne) de microalgues, ont été développés. Pour leur création, deux techniques de mise en contact bio-récepteur/transducteur ont été testées : (i) la double encapsulation des microalgues dans des hydrogels alginate/silice utilisant un procédé sol-gel, et (ii) l’inclusion des microalgues dans des puces microfluidiques fabriquées par xurographie. Une station portative autonome de terrain a été élaborée et testée avec efficacité pour effectuer des mesures in situ de la toxicité des RUTP, et des milieux aquatiques urbains contaminés. Ce travail de thèse présente de nombreuses perspectives concernant une meilleure connaissance de l’impact des RUTP sur les organismes aquatiques. Il apporte également des réponses à la problématique du développement des biocapteurs à cellules algales entières pour la surveillance environnementale. / Urban Wet-Weather Discharges (UWWD) represent a very complex and variable pollution due to the diversity of the rainfall events and leached watersheds. In most cases, UWWD are released without, or after very low treatments only, in suburban aquatic environments such as lakes, rivers or groundwaters. Spilled pollution is often linked to relatively short and difficult to predict events, and can be very diluted. Thus, it may be complicated to assess the ecotoxic impact of UWWD, and particularly in situ. Among the organisms used in ecotoxicology, microalgae are particularly interesting because they are the basis of trophic networks, are sensitive to a wide range of pollutants found in UWWD and can react very quickly to their presence. It’s why, first, we developed and used a battery of microalgae (Chlorella vulgaris) cellular biomarkers (e.g. photosynthesis disturbance) to demonstrate their utility in detecting the toxic impact of UWWD samples collected in the Lyon city area in a rapid and sensitive way, in comparison with a battery of monospecific bioassays on microalgae and microcrustaceans (e.g. growth or reproduction inhibition assays). In a second phase, we worked on the adaptation of these biomarkers for the creation of ecotoxicological field tools, biosensors. We developed two types of whole-cell biosensors based on the microalgal photosynthesis (chlorophyll fluorescence) disturbance. We particularly worked on the microalgal immobilization processes in the aim to design biosensors, using mainly two techniques: a double-encapsulation in alginate/silica hydrogels using a sol-gel process and an inclusion in microfluidic chips created by xurography. Finally, we were able to create an autonomous portative biosensor able to conduct in situ measurements of UWWDs toxicity and contaminated urban aquatic environments in general. This thesis project presents many perspectives concerning the deeper understanding of the UWWDs impact on aquatic organisms, and also on the development of whole-cell biosensors for the environmental monitoring.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'OPUR: "Observatoire des Polluants Urbains en Ile de France". Il s'appuie sur la mise en place d'un dispositif expérimental sur une série de six bassins versants de taille croissante et de d'occupation du sol comparable, allant du bassin du Marais (41 hectares) jusqu'au site de Clichy (2500 hectares) en suivant l'axe du collecteur de Clichy, à Paris. Ce dispositif a permis : - d'étudier la variabilité des flux et de la nature des polluants transférés par temps sec et par temps de pluie, dans les réseaux d'assainissement unitaires, en fonction des caractéristiques et de l'échelle spatiale des bassins versants. Le travail porte notamment sur : - Concentrations moyennes et flux des MES, MVS, DCO, DBO5, COT, NTK et des métaux lourds Cd, Cu, Pb et Zn. - Nature des polluants: répartition dissous-particulaire, teneurs en polluants et vitesses de chute des particules. - de comprendre le fonctionnement hydrologique et hydraulique du réseau d'assainissement des bassins versants OPUR et d'étudier les mécanismes de transfert dans les réseaux unitaires. - d'évaluer la contribution des trois sources "Eaux usées, Eaux de ruissellement et Stocks de dépôt dans le réseau" aux flux polluants de temps de pluie. Cette évaluation a été faite en utilisant une approche de bilan de masse entre l'entrée et la sortie de chaque bassin versant. Les résultats obtenus indiquent d'une part, une relative homogénéité des flux polluants, de leur nature et des processus dominants sur les six bassins versants étudiés. Ils montrent d'autre part une importante contribution de l'érosion des stocks constitués dans le réseau d'assainissement aux flux des matières en suspension, des matières organiques, du cuivre total, quelque soit la taille du bassin versant. Cette contribution varie, en moyenne, selon le site de mesure, entre 49 et 70% pour les MES, et entre 43 et 71% pour le cuivre total. Pour le cadmium, le plomb et le zinc, les eaux de ruissellement s'avèrent être la source principale.

La pollution des rejets urbains de temps de pluie est liée aux dépôts des réseaux dassainissement unitaires et notamment aux stocks de matière organique situés à linterface eau/sédiment. Lobjectif de cette thèse est daméliorer les connaissances vis-à-vis des stocks organiques à l'interface eau/sédiment. Deux méthodes d'observation ont été utilisées :<br />- un endoscope a permis d'identifier et de localiser deux types d'interface organique (une couche immobile à Paris et à Marseille, et des solides en déplacement près du fond à Dundee et à Hildesheim)<br />- une boite d'observation encastrée dans un collecteur parisien a permis de montrer que la couche organique immobile située à l'interface eau/sédiment est hétérogène, quelle abrite une activité biologique, quelle se forme rapidement par temps sec puis se stabilise, quelle subit des remaniement locaux en surface et enfin, que, lors daugmentations de débit, elle est partiellement érodée et transportée par suspension et par charriage.

Ce travail de thèse se propose d'analyser et d'évaluer les modèles de calcul des flux polluants (MCFP) des rejets urbains par temps de pluie. Pour cela, un banc d'essai a été établi qui repose sur l'utilisation d'une méthodologie basée sur la théorie bayésienne. Ce banc d'essai a été utilisé à des différentes échelles d'espace tout au long du cheminement de l'eau de ruissellement depuis les chaussées jusqu'à l'exutoire du réseau d'assainissement sur le site du bassin versant expérimental du Marais à Paris. Cette méthodologie du banc d'essai utilise une technique de simulation par chaîne de Markov (algorithme Metropolis) pour estimer la distribution de probabilité a posteriori des paramètres du modèle, ce qui permet : - Une évaluation quantitative des incertitudes liées à l'estimation des paramètres ainsi que leurs interactions ; - Une estimation quantitative du niveau d'incertitude dans les résultats d'application de ces modèles ; - Une estimation du pouvoir prédictif du modèle. A l'échelle locale, des modèles d'accumulation, d'entraînement des solides sur les surfaces urbaines, et des modèles d'érosion des solides dans les réseaux d'assainissement ont été testés et analysés. A l'échelle du bassin versant le couplage des modèles élémentaires tel qu'ils sont utilisés dans les logiciels actuels, a pu être évalué. La méthodologie de mise en œuvre a produit des résultats fiables en particulier des distributions de paramètres des modèles qui aident à l'analyse mathématique et à l'interprétation des modèles couramment utilisés. Elle a démontré l'existence de larges incertitudes liées à l'utilisation des MCFP à l'échelle de bassin versant. Ces modèles n'expliquent qu'une faible partie de la variation de la concentration des MES entre 2 événements pluvieux ou à l'intérieur d'un même événement sur le site étudié.

Ce doctorat s'intègre dans la phase 2 du programme OPUR (Observatoire des Polluants urbains) et a eu pour vocation d'améliorer les connaissances actuelles sur l'introduction et le transfert à différentes échelles spatiales des hydrocarbures aliphatiques et aromatiques polycycliques dans le réseau d'assainissement unitaire parisien. Une partie des travaux est consacrée à l'étude des Voies d'Introduction des hydrocarbures dans le Réseau d'Assainissement (VIRA) par temps sec et par temps de pluie. Ce travail s'attache aussi à mieux cerner l'évolution spatiale de la pollution en hydrocarbures entre l'amont et l'aval d'un grand bassin versant. Quelle que soit la taille des bassins versants considérés (de 42 à 2 581 ha), ces travaux soulignent une relative homogénéité des caractéristiques et des processus de transfert de ces polluants par temps sec et par temps de pluie.

Les modèles de Rejets Urbains par Temps de Pluie (MRUTP) de Matières en Suspension (MES) dans les systèmes d’assainissement urbains sont essentiels pour des raisons scientifiques, environnementales, opérationnelles et réglementaires. Néanmoins, les MRUTP ont été largement mis en question, surtout pour reproduire des données mesurées en continu à l’exutoire des grands bassins versants. Dans cette thèse, trois limitations potentielles des MRUTP traditionnels ont été étudiées dans un bassin versant de 185 ha (Chassieu, France), avec des mesures en ligne de 365 événements pluvieux : a) incertitudes des données dû aux conditions sur le terrain, b) incertitudes dans les modèles hydrologiques et mesures de pluie et c) incertitudes dans les structures traditionnelles des MRUTP. Ces aspects sont approfondis dans six apports séparés, dont leurs résultats principaux peuvent être synthétisés comme suites : a) Acquisition et validation des données : (i) quatre stratégies d’échantillonnage pendant des événements pluvieux sont simulées et évaluées à partir de mesures en ligne de MES et débit. Les intervalles d’échantillonnage recommandés sont de 5 min, avec des erreurs moyennes entre 7 % et 20 % et des incertitudes sur ces erreurs d’environ 5 %, selon l’intervalle d’échantillonnage; (ii) la probabilité de sous-estimation de la concentration moyenne dans la section transversale du réseau est estimée à partir de deux méthodologies. Une méthodologie montre des sous-estimations de MES plus réelles (vers 39 %) par apport à l'autre (vers 269 %). b) Modèles hydrologiques et mesures de pluie : (iii) une stratégie d’estimation de paramètres d’un modèle conceptuel pluie-débit est proposée, en analysant la variabilité des paramètres optimaux obtenus à partir d’un calage Bayésien évènement-par-évènement; (iv) une méthode pour calculer les précipitations moyennes sur un bassin versant est proposée, sur la base du même modèle hydrologique et les données de débit. c) MRUTP (pollutographes) : (v) la performance de modélisation à partir du modèle traditionnel courbe d’étalonnage (RC) a été supérieur aux différents modèles linéaires de fonctions de transfert (TF), surtout en termes de parcimonie et précision des simulations. Aucune relation entre les potentielles erreurs de mesure de la pluie et les conditions hydrologiques définies en (iii) et (iv) avec les performances de RC et TFs n’a pu être établie. Des tests statistiques renforcent que l’occurrence des évènements non-représentables par RC ou TF au cours de temps suit une distribution aléatoire (indépendante de la période sèche précédente); (vi) une méthode de reconstruction Bayésienne de variables d’état virtuelles indique que des processus potentiellement manquants dans une description RC sont ininterprétables en termes d’un unique état virtuel de masse disponible dans le bassin versant qui diminue avec le temps, comme nombre de modèles traditionnels l’ont supposé. / Total Suspended Solids (TSS) stormwater models in urban drainage systems are often required for scientific, legal, environmental and operational reasons. However, these TSS stormwater traditional model structures have been widely questioned, especially when reproducing data from online measurements at the outlet of large urban catchments. In this thesis, three potential limitations of traditional TSS stormwater models are analyzed in a 185 ha urban catchment (Chassieu, Lyon, France), by means 365 rainfall events monitored online: a) uncertainties in TSS data due to field conditions; b) uncertainties in hydrological models and rainfall measurements and c) uncertainties in the stormwater quality model structures. These aspects are investigated in six separate contributions, whose principal results can be summarized as follows: a) TSS data acquisition and validation: (i) four sampling strategies during rainfall events are simulated and evaluated by online TSS and flow rate measurements. Recommended sampling time intervals are of 5 min, with average sampling errors between 7 % and 20 % and uncertainties in sampling errors of about 5 %, depending on the sampling interval; (ii) the probability of underestimating the cross section mean TSS concentration is estimated by two methodologies. One method shows more realistic TSS underestimations (about 39 %) than the other (about 269 %). b) Hydrological models and rainfall measurements: (iii) a parameter estimation strategy is proposed for conceptual rainfall-runoff model by analyzing the variability of the optimal parameters obtained by single-event Bayesian calibrations, based on clusters and graphs representations. The new strategy shows more performant results in terms of accuracy and precision in validation; (iv) a methodology aimed to calculate “mean” areal rainfall estimation is proposed, based on the same hydrological model and flow rate data. Rainfall estimations by multiplying factors over constant-length time window and rainfall zero records filled with a reverse model show the most satisfactory results compared to further rainfall estimation models. c) Stormwater TSS pollutograph modelling: (v) the modelling performance of the traditional Rating Curve (RC) model is superior to different linear Transfer Function models (TFs), especially in terms of parsimony and precision of the simulations. No relation between the rainfall corrections or hydrological conditions defined in (iii) and (iv) with performances of RC and TFs could be established. Statistical tests strengthen that the occurrence of events not representable by the RC model in time is independent of antecedent dry weather conditions; (vi) a Bayesian reconstruction method of virtual state variables indicate that potential missing processes in the RC description are hardly interpretable as a unique state of virtual available mass over the catchment decreasing over time, as assumed by a great number of traditional models.

L’objectif de cette thèse est de caractériser les Rejets Urbains par Temps de Pluie (RUTP) et leur flux au niveau des exutoires d’eaux pluviales de trois sous-bassins majeurs de l'agglomération orléanaise. Pour cela des prélèvements ponctuels d’eau ont été effectués et un modèle conceptuel a été utilisé. Les trois sous-bassins : La Corne (463 ha), l'Egoutier (2080 ha) et Ormes (2256 ha) ont des occupations du sol différentes.D’une manière générale, la conductivité, la demande chimique en oxygène (DCO), la demande biochimique en oxygène (DBO5 et la DBO28), le carbone organique dissout (COD), l'azote total(NT), et les concentrations en anions et cations majeurs étaient plus élevés par temps sec que par temps de pluie indiquant un effet de dilution par les précipitations. Il a été mis en évidence un mélange des eaux pluviales avec des eaux usées dans le sous bassin d’Ormes. L’occupation des sols et les activités anthropiques influencent de manière significative la qualité du ruissellement. Par exemple, dans le sous-bassin de l’Egoutier, la présence d’une zone imperméable (industries et habitations) importante (40% de la surface) est responsable d’une augmentation des paramètresDBO5, DBO28, COD et NT.Les flux aux exutoires des différents paramètres de qualité de l’eau ont été évalués et comparés à ceux issus des quatre principales stations d’épuration (STEP) et à ceux de la Loire. La charge destrois sous-bassins urbains représente environ 166,61% de la charge des quatre STEP. Les trois sous bassins ont un faible impact sur la Loire en termes de flux annuels (environ 1,62% pour les MES par temps de pluie).Deux versions d’un modèle conceptuel dit d'accumulation/lavage-transport ont été évaluées pour estimer les flux de ruissellement des polluants ; la version classique et une version modifiée dans laquelle le paramètre accumulation des polluants a une forme logarithmique. Les performances des modèles étaient acceptables pour les MES et la DCO. Les coefficients de corrélation étaient supérieurs à 90% pour le sous bassin de l’Egoutier, par exemple. Pour les éléments traces métalliques en phase particulaire, la corrélation avec l’expérience était bonne également. D’une manière générale, lorsqu'un flux mesuré était inférieur à 1 kg.ha-1, les modèles n’étaient plus applicables.Des premiers essais de simulation de la qualité et la quantité de RUTP ont été effectués à partir de MIKE URBAN, qui équipe les deux logiciels de modélisation MOUSE et SWMM. Les hydrogrammes ont indiqué que le débit maximum obtenu avec SWMM était toujours inférieur à celui obtenu avec MOUSE. La qualité de l’eau (masse de MES) était toujours plus fortement impactée par le lessivage des MES dans le modèle MOUSE que dans SWMM.Ce travail constitue la première étape du travail d'évaluation de RUTP pour l'Agglomération orléanaise. Il constitue une base solide pour un futur programme de surveillance continue. / The objective of this thesis was to characterize urban runoff water at the level of stormwater outletson three major urban sub-basins of the Orléans agglomeration, covering land areas ranging in size from463 to 2257 ha and with contrasted land use. 11 individual rain events were sampled at runoff outletsbetween April 2015 and June 2017 and 10 campaigns were also carried out in dry weather.In general, it was observed that the conductivity, chemical oxygen demand (COD), biochemicaloxygen demand (BOD5 and BOD28), dissolved organic carbon (DOC), total nitrogen (NT), anions andmajor cations were found to be higher in dry weather conditions than in rainy weather. These resultsindicate a dilution effect due to precipitation.A mixture of rainwater and wastewater was also identified in the sub-basin of Ormes. Land use andhuman activities in the sub-basin studied were found to significantly influence the quality of the resultedrunoff from rainfall events. For example, in the Egouttier sub-basin 2, the presence of a large imperviouszone (industrial and residential, 40% of the surface area) was responsible for an increase in the parametersBOD5, BOD28, COD and NT.The flows at the outlets of the different water quality parameters were evaluated and compared withthose from the four main wastewater treatment plants (WWTP) and those from the Loire. The estimatedloads of the three sub-urban basins accounts for approximately 166.61% of the load of the four WWTP.The three sub-basins have a small impact on the Loire in terms of annual flows (about 1.62% for wetweather case).Two versions of a conceptual model of accumulation / washoff were evaluated to estimate pollutantrunoff; the classical version and a modified version in which the pollutant accumulation parameter has alogarithmic form. The performances of the models were found acceptable for the MES and the COD. TheNash-Sutcliffe (NS) coefficients were found as 0.84 and 0.85 for the two versions at the Egouttier subbasin.For trace elements in particulate phase, the correlation with the experimental measured value wasfound good as well. In general, when a measured flow was less than 1 kg.ha-1, the modified model was nolonger applicable.The first simulation tests of the quality and quantity of urban runoff were carried out with MIKEURBAN, which equips both MOUSE and SWMM modeling software. For water quantity, the hydrographsindicated that the maximum flow obtained with SWMM was always lower than that obtained with MOUSE.For water quality, TSS mass was still more strongly impacted by the leaching of TSS in the MOUSE modelthan in the SWMM model.This work can be considered as the first step of the evaluation work of RUTP for the Orléansagglomeration. It provides a solid foundation for a future monitoring program.