Les bassins d’infiltration font partie intégrante des techniques alternatives de gestion des eaux pluviales en milieu urbain. Néanmoins, la potentialité de transfert de polluants vers la nappe est accrue en cas d’écoulements préférentiels dans les sols sous-jacents. Une bonne compréhension du couplage entre processus d’écoulements préférentiels en zone vadose et mécanismes géochimiques est requise. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du suivi d’un bassin d’infiltration depuis plusieurs dizaines d’années de fonctionnement. Le site d’étude est situé sur le dépôt fluvioglaciaire hétérogène couvrant une grande partie de la région lyonnaise. Des auscultations sur une fosse sous le bassin (section 13.5m*2.5m) ont mis en évidence une régionalisation particulière de la pollution dans le sol. Cette étude s’appuie sur une étude numérique visant à identifier l’origine de la régionalisation des polluants et à la relier aux écoulements préférentiels résultant des hétérogénéités lithologiques. En amont de l’étude numérique, les lithofaciès sont complètement caractérisés aux regards de leurs propriétés hydrodynamiques, hydrodispersives et géochimiques. La modélisation numérique permet de souligner l’établissement de cheminements préférentiels en lien avec le contraste de propriétés hydrodynamiques, notamment lorsque de faibles débits sont appliqués en surface. Le rôle de chaque lithofaciès et de l’architecture du dépôt (stratification et inclusions) est clairement identifié. Les répercussions de tels écoulements sur les transferts non réactifs sont ensuite investiguées en combinant l’influence des écoulements préférentiels et le fractionnement de l’eau en fractions mobile et immobile résultant de l’hétérogénéité intrinsèque au sein de chaque lithofaciès. Enfin, ces processus physiques sont couplés à la réactivité géochimique pour le cas d’un polluant modèle (le cuivre) en prenant en compte la réactivité différentielle des lithofaciès. Ces résultats permettent de générer un modèle conceptuel d’écoulements préférentiels et de transfert de masse en milieu fortement hétérogène. / An infiltration basin is a stormwater best management practice (BMP) designed to infiltrate runoff volumes in urban areas. Nevertheless, preferential flow paths in the underlying soil may cause rapid migration of pollutants, thus contributing to groundwater contamination. Understanding the coupling between preferential flow processes in the vadose zone and geochemical mechanisms is then required. This thesis is a part of the follow-up of an infiltration basin for several decades of exploitation. The study site was settled over a highly heterogeneous glaciofluvial deposit covering much of the Lyon region. The investigation of an excavated section of the basin (13.5m long and 2.5m deep) pointed out a specific regionalization of pollution in the soil. This research is based on a numerical study to identify the origin of such a pollutant pattern and link this with preferential flow resulting from lithological heterogeneities. Different lithofacies were fully characterized regarding their hydraulic, hydrodispersive and geochemical properties. The numerical study proves that the high contrast in hydraulic properties triggers the establishment of preferential flow (capillary barriers and funneled flow). Preferential flow develops mainly for low initial water contents and low fluxes imposed at surface. The role of each lithofacies and architecture of deposit (stratification and inclusions) is clearly identified. The impact of such flows on non-reactive transfers is then investigated by combining the influence of preferential flow and pore water fractionation info into mobile and immobile fractions, resulting from the intrinsic heterogeneity within each lithofacies. Finally, these physical processes are coupled to the geochemical reactivity for a pollutant model (copper), taking into account the differential reactivity of lithofacies. These results generate a conceptual model of preferential flow and mass transfer in strongly heterogeneous media.

La compréhension des écoulements préférentiels dans la zone non saturée en fond de bassins d’infiltration est une condition préalable à une gestion optimale de ces ouvrages. Le basin d’infiltration étudié repose sur un dépôt fluvioglaciaire hétérogène constitué d’un lithofaciès majoritaire contenant des lentilles de sable et de gravier. Une étude géophysique (radar) a permis de caractériser cette hétérogénéité sédimentologique le long de radar-grammes (sections de quelques mètres de profondeurs et de plusieurs dizaines de mètre de long). Les écoulements ont été modélisés pour toutes ces sections ainsi qu’une section fictive remplie uniquement du lithofaciès majoritaire (témoin) et pour divers évènements pluvieux type incluant une chronique météorologique complète. Les résultats montrent clairement que l'hétérogénéité lithologique a un effet significatif sur l’écoulement avec la mise en place d’écoulements hétérogènes du fait de phénomènes de barrière capillaire au niveau des lentilles de sable et de gravier en non-saturé. Cet effet se répercute sur les chemins de l’eau dans le dépôt et sur les flux en surface (infiltration et ruissellement). Les résultats montrent aussi que cet effet dépend fortement de la section considérée. La variabilité spatiale de l’hétérogénéité lithologique induit donc une variabilité spatiale des écoulements préférentiels. Certains paramètres architecturaux et géométriques relatifs à l’hétérogénéité lithologique ont été proposés pour expliquer l’effet de l’hétérogénéité lithologique sur les écoulements préférentiels, de sorte à proposer une première tentative de modélisation des écoulements à méso-échelle. / Understanding preferential flows in the vadose zone is a prerequisite for a proper management of infiltration basins. The studied infiltration basin lies on a strongly heterogeneous glaciofluvial deposit made of a predominant lithofacies that embeds lenses of sand and gravel. Geophysics (GPR) were used to characterize the lithological heterogeneity along radar-grammes (sections few meters deep and dozens of meters long). Flow was modelled for all these sections and compared to a synthetic section filled only with the predominant lithofacies (control). Numerical results show that, under unsaturated conditions, the lithological heterogeneity has a strong impact on flow with the establishment of preferential flows induced by capillary-barrier effects in the vicinity of lenses of sand and gravel. These effects have also consequences on water fluxes at surface (infiltration and runoff) and depend strongly on the section considered for numerical modelling. It can thus be concluded that the spatial variability of lithological heterogeneity induces a spatial variability of preferential flow. Geometrical and architectural parameters were defined to quantity lithological heterogeneity and link it to preferential flows, with the aim to propose a first step towards modelling flow in the basin at the meso-scale. / O entendimento do fluxo na zona não saturada em formações heterogêneas é um prérequisito para uma gestão adequada de poluentes em bacias de infiltração inseridas nessas formações. Este estudo aborda o efeito da heterogeneidade litológica nos processo de escoamento numa bacia de infiltração com geologia inserida num depósito fluvioglacial. A bacia de infiltração é a Bacia Django Reinhardt, existente em Lyon. Esta bacia foi objeto de vários estudos que demonstraram algumas avaliações do impacto da heterogeneidade do solo. Os objetivos desses trabalhos foram todos baseados apenas no estudo sedimentológico de uma trincheira. Nenhum estudo abordou a potencial variabilidade espacial dos atributos do solo. Neste trabalho, foi modelizado o fluxo na zona vadosa através de três casos: drenagem interna, infiltração de água durante um evento de precipitação pluviométrica constante e solicitação hidrológica a partir de um fluxo variável escoamento superficial. Estes cálculos foram realizados para várias seções, que foram previamente caracterizadas quanto a sua heterogeneidade estrutural usando a técnica não destrutiva do GPR com uma frequência de 200MHz e 100MHz. O comportamento hidráulico dessas seções foi comparado com a de uma seção homogênea. Foi comparada o efeito da resolução da imagem nas estimativas das variáveis de fluxo. Alguns indicadores arquiteturais, geométricos e texturais foram propostos para esclarecer e avaliar a variabilidade espacial do efeito da heterogeneidade do solo sobre o fluxo em condições não saturadas. Os resultados mostram claramente que a heterogeneidade gera impactos nas variáveis de fluxo em condições não saturadas. Os impactos dependem da seção considerada.Os resultados mostram também que: a) a heterogeneidade estrutural do subsolo na meso-escala apresenta um efeito sobre a geração de escoamento preferencial e isso independe do tipo de solicitação aplicada na seção; b) O efeito da heterogeneidade se mostrou independentende das condições de contorno aplicadas na superfície; c) Nos períodos de ocorrência de chuvas intensas quem controla o comportamento das variáveis de fluxo é a intensidade de precipitação. No entanto, nos períodos em que ocorre ausência de precipitação, as variáveis de fluxo são controladas pela heterogeneidade da zona não saturada; d) A utilização de diferentes frequências influencia na estimativa das variáveis de fluxo. Isso é decorrente do impacto na quantificação da heterogeneidade decorrente do efeito da resolução de cada antena; e) Os indicadores não apresentaram relação direta com as variáveis de fluxo estudadas. Isso demonstra que o efeito da heterogeneidade não pode ser explicado por um único fator, mas por um conjunto de fatores.