Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / La sédimentation des particules contenues dans les eaux de ruissellement est reconnue comme étant le phénomène le plus important pour l'amélioration de la qualité de l'eau en bassin de rétention avant son rejet au milieu récepteur. Ce projet de maîtrise vise à apporter des éléments clés dans sa compréhension. L'objectif est de mettre en place un protocole de mesure de vitesses de chute adapté aux besoins du projet. La combinaison de ces vitesses à l'évaluation de la distribution de la taille des particules fournira des informations sur l'influence des temps de rétention en bassin autant du point de vue qualité de l'eau que sur le gain en termes de décantation physique des particules. L'objectif est donc d'obtenir des résultats décrivant les vitesses de chute des particules contenues dans les eaux de ruissellement et les diamètres de ces particules. Un protocole devra aussi être élaboré afin de mesurer cette dernière caractéristique. D'un point de vue gestion du bassin, il y a aussi un objectif visant à mettre en lumière l'existence ou non de relations entre le type d'événement pluvieux et les vitesses de chute enregistrées. À l'été 2008 et 2009, des campagnes de mesures ont été menées afin de récolter des données sur la qualité des eaux de ruissellement dans une zone résidentielle typique de Québec et des eaux à l'intérieur du bassin. L'évaluation des différents protocoles existants permettant de mesurer la vitesse de sédimentation a mené à l'emploi du protocole ViCAs élaboré à Lyon en France. Les résultats obtenus à partir du ViCAs ont permis de fractionner sous différentes classes de vitesse de chute les échantillons composites récupérés à l'entrée et à la sortie du bassin de rétention étudié. Les proportions de chaque classe varient grandement d'un événement à l'autre. Leur mise en relation avec les caractéristiques des événements pluvieux ayant généré ces eaux de ruissellement a permis de conclure que les vitesses de chute sont proportionnelles à l'intensité de pluie maximale, à la hauteur de précipitation et au volume ruisselé. La durée de l'événement a aussi un effet notable, mais non linéaire. Les essais sur le terrain combinés à ceux du laboratoire permettent de croire qu'une période de décantation de deux jours et demi entraîne l'enlèvement maximal atteignable des matières en suspension. Par contre, la comparaison des mesures de distribution de taille de particules, effectuées sur les échantillons composites des eaux de ruissellement, avec les distributions de vitesses de chute n'a pu mener à des conclusions. Il ne semble pas possible de faire un lien direct entre ces deux variables.

Pour lutter contre la pollution issue du milieu agricole, il importe de bien la connaître et quantifier, mais surtout d’aider les agriculteurs à adopter des techniques de gestion du territoire appropriées et de bonnes pratiques agricoles. L’utilisation d’un modèle permettant de simuler l’impact des pratiques de gestion sur la qualité des eaux des cours d’eau constituerait un outil d’aide à la décision très important, notamment avec la problématique spécifique aux petits bassins versants ruraux. En effet, les petits bassins sont difficiles à modéliser, faisant souvent l’objet de peu, voire d’aucun suivi au niveau des débits et de la qualité de l’eau. Le modèle utilisé dans cette étude, qui commence à être appliqué au Québec, s’appelle Soil and Water Assessment Tool (SWAT), un modèle fortement paramétré. Mais la modélisation à l’échelle de bassin versant est entravée par beaucoup d’incertitude comme des processus inconnus du modélisateur, des processus non pris en compte par le modèle et des simplifications de processus par le modèle. Le défi est d’autant plus grand dans le cas d’une évaluation journalière de la performance du modèle: les bonnes performances journalières de SWAT avec peu de données sont rares. Or, dans un petit bassin versant où la réponse aux événements est très rapide, un pas de temps plus petit, notamment journalier, est plus adéquat pour préserver le comportement hydrologique du bassin et la variance des données et observer les effets produits sur la qualité de l’eau. Par ailleurs, la méthode de conversion des données journalières en données mensuelles ou annuelles modifie énormément le caractère des données et par conséquent les résultats d’interprétation malgré l’obtention de bonnes performances. Pour relever ce défi, la présente étude se fixe pour but d’améliorer la performance journalière en modélisation de la qualité de l’eau dans les petits bassins agricoles avec peu de données avec un modèle fortement paramétré. Ainsi, nos objectifs sont articulés autour des deux points suivants : 1) proposer une nouvelle méthodologie de calage, optimisant à la fois les débits (Q) et les charges de Matières En Suspension (MES) et du Phosphore Total (PT), sur de petits bassins versants avec peu de données, afin d’obtenir une meilleure performance journalière et 2) appliquer notre méthodologie à un petit bassin agricole avec peu de données et proposer des scénarios agricoles réalistes. La nouvelle méthodologie de modélisation proposée est issue de l’évaluation des deux approches de calage avec SWAT, uni-objective et multi-objective, ainsi que de la résolution des problèmes tout au long des calages, dont une biomasse mal représentée, une absence d’eau dans les drains, un ruissellement de surface trop élevé, un bilan de masses déséquilibré et une perte de performance des débits. Même si la performance journalière de modélisation des MES et du P total obtenue n’est pas encore optimale, elle a pu être améliorée grâce à notre méthodologie. Les résultats produits sont aussi réalistes que possible et montrent que (i) la performance du modèle dépend non seulement du choix de l’approche de calage, mais essentiellement des paramètres influents; (ii) le calage multi-objectif en considérant tous les paramètres influant sur les variables considérées est la meilleure approche pour modéliser Q, MES et PT; (iii) le changement de poids affectés aux fonctions-objectif n’a pas amélioré la performance du modèle, (iv) avec une optimisation uni-objective, une excellente performance du modèle en qualité de l’eau peut cacher une grande détérioration de la performance des débits et des composantes hydrologiques internes déséquilibrées; (v) malgré un bon pré-ajustement du bilan hydrologique annuel, le bilan de masses à l’intérieur des URH peut être complètement débalancé; (vi) et les ajustements manuels après calage de certains paramètres et la modification de certaines routines dans l’exécutable du modèle ont pu rehausser énormément la performance en qualité de l’eau. Notre nouvelle méthodologie a été appliquée sur le bassin versant Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Québec, Canada. Par la suite, de meilleures pratiques agricoles visant l’objectif de réduction du P total dans le site étudié ont été simulées (modalités d’épandage des engrais, travail du sol, conversion de cultures…). / It is important to know and quantify diffuse pollution, and especially to help farmers to adopt best management practices. In order to control river pollution, a model simulating the fate of pollutants and identifying the best management practices can be of a great help, especially for small rural watersheds, which are increasingly polluted but rarely or not monitored. The model in this study, which begins to be used in Quebec, is the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a highly parameterized model. Calibration of models at the watershed scale is challenging because of the possible uncertainties that may exist in the form of process simplification, processes not accounted for by the model, and processes in the watershed that are unknown to the modeller. The challenge is even greater in the case of a daily evaluation of model performance on small agricultural watersheds with limited data. With SWAT, only few case studies have been conducted on small agricultural watersheds with limited data. The time step in water quality modelling is usually monthly or annual and good fits are rarely obtained using a daily time step, given the scarcity of data. However, a daily time step better represents the dynamics of pollutants in the river especially for the fast reacting small watersheds and provides more realistic simulation results. So, to improve daily performance in modelling water quality in small agricultural basins with limited data with a highly parameterized model, our objective is twofold: 1) to propose a methodology to obtain better daily performance in modelling flow (Q), Suspended Solids (SS) and total phosphorus (TP) in small watersheds with little data and 2) to apply the methodology to a case study for a small agricultural catchment with limited data. The proposed modelling methodology is based on the evaluation of the two calibration approaches with SWAT, single-objective and multi-objective, and the resolution of the problems encountered (misrepresented biomass, absence of water in the drains, too high surface runoff, unbalanced internal model components and a loss of performance of predicting flows). Although the daily model performance in terms of suspended solids and total P is still not optimal, it has been improved thanks to the new methodology. The results showed that (i) the model performance depends not only on the choice of calibration approach, but essentially on the selection of influential parameters; (ii) the multi-objective calibration estimating all parameters related to all measured variables at once is the best approach to model Q, TSS and TP; (iii) changing weights does not improve model performance; (iv) with a single-objective optimization, an excellent water quality modelling performance may hide a loss of performance of predicting flows and unbalanced internal model components; and (v) manual adjustments after calibration of some parameters and modifications of some software routines can greatly enhance performance in water quality. After application of the new methodology on the study area, the watershed Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Quebec, Canada, best management practices for the purpose of reduction of TP were simulated with SWAT (fertilizer application, tillage, crop conversion).

Ce travail de recherche s’inscrit dans un courant critique de l’accélération urbaine. Nous avons tout d’abord montré l’émergence dans le contexte de concurrence internationale des villes, l’émergence d’une « métropole accélérative » en prenant exemple sur le cas de Bordeaux. Cette forme urbaine de la modernité tardive se caractérise par un double phénomène : une accélération sociale dans ses usages et modes de vie ainsi qu’une accélération spatiale qui contribue à mettre sous pression son développement urbain, par l’ampleur, la rapidité et la simultanéité des projets à l’œuvre. Nous nous sommes ensuite particulièrement intéressés aux mécanismes de production de cette « métropole accélérative » en étudiant un grand projet d’aménagement bordelais : l’opération des Bassins à flot. Ce projet réalisé dans un dispositif dit « négocié » se présente comme plus réactif, itératif et adaptable afin de produire plus rapidement la ville qu’en utilisant des méthodes plus « classiques » qui s’appuient sur une forte hiérarchisation du système d’acteurs. L’analyse des articulations entre temporalités des acteurs et temporalités des outils révèle dans la suite de ce travail des reconfigurations importantes liées à la vitesse de production. La méthode itérative mise en place est comprimée par le contexte de l’accélération et les acteurs du projet n’ont pas le temps nécessaire pour faire circuler les éléments d’informations et de décisions entre eux. Nous assistons alors à des re-hiérarchisations temporaires du système d’acteurs en fonction des phases du projet. Une typologie originale peut être dégagée, avec au centre de ces dispositifs reconfigurés les acteurs métronomes, ceux qui dictent le tempo du projet ; les acteurs dans le temps s’accordent aux rythmes du projet ; les acteurs à contre temps évoluent par rattrapage et les acteurs désynchronisés deviennent observateurs des transformations urbaines. L’accélération se présente alors comme un phénomène urbain à réguler pour assurer une fabrication durable de la ville autour de rythmes de production partagés. / This research is part of a critical study of urban acceleration. Based on the Bordeaux case, we first noticed the emergence, in an international competition context affecting cities, of an “accelerating city”. This urban form of late modernity is caracterised by both a social acceleration in its uses and ways of life and a spatial acceleration that leads to its urban development – by the size, speed and simultaneity of on-going projects. Then, we looked at the mechanisms of production in this “accelerating city” by studing a large planning project in Bordeaux, the Bassins à flot operation. This project, produced through a “negociated” plan, seems more reactive, repetitive and adaptable in order produce the city in a more rapid way than using “classic” technics and based on a strong hierarchy of staheholders. Anylising the links between stakeholders and temporalities tools shows that important reconfigurations of the production speed. The repetitive technic is compressed by this accelerative context ; project stakeholders do not have enough time to exchange and decide among themselves. Therefore, we can observe new and temporary hierarchisations of the stakeholders system, depending on the different steps of the project. An original typology can be settled : leader stakeholders can decide the rhythm of the project ; out of phase stakeholders become the observers of urban transformations. The acceleration is finally an urban phenomenom that needs to be control to look forward a sustainable urban fabric, based on shared production rhythm.

Pour permettre l’amélioration de l’écohydraulique des rivières en temps de pluie, le développement de règles de contrôle en temps réel de vannes placées à la sortie de bassins d’orage demande une analyse à long terme de différentes options, intégrant la prévision météorologique, la qualité de l’eau de la rivière à l’amont du rejet, le débit de la rivière et la qualité de l’eau dans le bassin d’orage, pour permettre l’amélioration de l’écohydraulique des rivières. Pour cela, l’idéal est de tester ces règles à l’aide d’un modèle intégré du système « bassin versant – bassin d’orage – rivière ». Pour pouvoir faire des simulations à long terme, il faut un modèle de bassin d’orage rapide, qui permette de simuler la qualité de l’eau dans le bassin de façon précise quelles que soient les conditions d’exploitation. L’objet de cette thèse de doctorat a été de développer ce modèle de bassin d’orage. Ce modèle se base sur le principe de couches complètement mélangées superposées permettant de créer un gradient de concentrations pour représenter des phénomènes locaux tel que la pénétration de la lumière influençant la mortalité des pathogènes. Il se base également sur la définition de plusieurs classes de particules caractérisées par leurs vitesses de sédimentation, ces dernières étant déterminées expérimentalement à l’aide de tests ViCAs. Il incorpore également des polluants associés aux particules. L’élément de base, nommé cellule, est défini par une surface et une hauteur maximale au-delà de laquelle il y a débordement. Chaque cellule possède un volume d’eau variable dans le temps, divisé en plusieurs couches superposées, et d’une couche de sédiment de volume constant dans le temps. Pour reproduire le volume d’un bassin d’étude, il est nécessaire de connecter plusieurs cellules les unes avec les autres. Ces connexions se font alors couche à couche ayant comme conditions que les niveaux d’eau de toutes les cellules soient à la même hauteur. Un modèle théorique d’évolution des concentrations en pathogènes incluant des processus complexes comme la croissance, l’adsorption sur les particules et la désinfection par la lumière a également été développé. Le calage du modèle a nécessité la collecte de données expérimentales; des campagnes de mesure ont été effectuées lors des étés 2008, 2009 et 2010 sur le bassin Chauveau de l’arrondissement des Rivières de la ville de Québec. Dans un premier temps, l’efficacité du bassin dans son fonctionnement actuel a été déterminée. Une efficacité moyenne d’épuration de 39% sur les matières en suspension (MeS), de 10% sur l’azote ammoniacal et de 20 % sur le zinc a été mise en évidence. Dans un deuxième temps, la sortie du bassin a été fermée à l’aide d’une structure de bois avec une porte guillotine permettant la rétention de l’eau pendant des durées variables. Cette deuxième configuration du bassin a permis d’améliorer l’efficacité du bassin de façon très importante pour les MeS (90%), l’azote ammoniacal (84%) et le zinc (42%). Des prélèvements ponctuels ont également été faits à l’intérieur du bassin, révélant une hétérogénéité des mesures en MeS entre la zone proche de l’entrée et la zone proche de la sortie, durant les 20 premières heures d’emmagasinement. Le modèle a montré sa capacité à reproduire le comportement de la concentration en matières en suspension à l’aide de 3 classes de particules associées à des vitesses de sédimentation de 80, 2 et 0.1 m/d. La représentation hydraulique du modèle a nécessité l’emploi de 5 cellules pour recréer l’hétérogénéité spatiale révélée par les campagnes d’échantillonnage. Finalement, une fonction de débit de resuspension a permis de modéliser les concentrations à la sortie du bassin d’orage. La validation a confirmé les bonnes performances du modèle pour l’hydraulique et la prédiction des matières en suspension en sortie de bassin. Elle a néanmoins révélé plusieurs points qui nécessiteraient des recherches plus approfondies : la définition du débit de resuspension des sédiments, la détermination de la masse initiale de sédiments dans le bassin, la possibilité d’utiliser plus de cellules pour mieux représenter le comportement hydraulique et l’intérêt de collecter des analyses ViCAs associés à chaque phase du pollutogramme de la pluie (début, pic de débit et fin). Avec ce modèle, les stratégies de gestion en temps réel de la vanne de sortie des bassins d’orage peuvent maintenant être déterminées. / The development of real-time control rules of sluice gates located at a stormwater basin outlet requires testing various options, taking in account weather forecasts, water quality of the upstream river, river flow and water quality in the stormwater basin, by using long-term simulations to allow improved ecohydraulics of rivers. To do so, these rules have to be tested by using an integrated “watershed - storm basin – river” system. In order to perform long-term simulations, a stormwater basin model with small computation time is needed, which simulates the water quality in the basin accurately in function of imposed operating conditions. The purpose of this thesis was to develop such stormwater basin model. The developed model is based on superimposed homogeneous layers creating a concentration gradient to represent local phenomena such as light penetration affecting the mortality of pathogens. It is also based on the definition of several particle classes characterized by their settling velocities; the latter being determined experimentally using ViCAs tests. It also includes pollutants associated with particles. The basic unit, called cell, is defined by a surface and a maximum height above which water overflows. Each cell has a time-variable water volume, divided into several layers and a constant volume sediment layer. To reproduce spatial heterogeneity of an experimental stormwater basin, it is necessary to connect several cells. Connections are then done layer by layer with the condition that the water levels of all cells are at the same water height. A theoretical model describing the concentrations of pathogens, including complex processes such as growth, adsorption on particles and light disinfection has also been developed The calibration of the model required experimental data which were collected by sampling in the summers of 2008, 2009 and 2010 on the basin Chauveau in the “des Rivières” district of Quebec City. First, the efficiency of the basin in its current operation was determined. An average removal efficiency of 39% for total suspended solids (TSS), 10% for ammonia and 20% for zinc was revealed. In a second step, the stormwater basin outlet was closed with a wooden structure equipped with a guillotine door to retain the water for varying periods of time. The second configuration of the basin significantly improved the efficiency of the basin for TSS (90%), ammonia (84%) and zinc (42%). Samples were also collected within the basin, revealing heterogeneity in TSS measurements between the area near the inlet and the area near the outlet for the first 20 hours of storage. The model showed its ability to adequately reproduce the behavior of the TSS concentrations using three particle classes defined by settling velocities of 80, 2 and 0.1 m/d. For the hydraulics, five cells were required to recreate the spatial heterogeneity revealed by the sampling campaigns. Finally, the addition of a resuspension flowrate was needed to model the increased outlet TSS concentrations at the end of emptying. The validation confirmed the good performance of the model for the hydraulics and the prediction of outlet TSS concentration. It has also revealed several points that require further research: the definition of the sediment resuspension flowrate, determination of the initial mass of sediments in the stormwater basin, the possibility of using more cells to better represent the hydraulics and the interest of running ViCAs tests associated with each phase of the runoff (the beginning, the flow peak and the end). With this model, real-time control strategies for the outlet valve can now be tested.

Background : The sources and the epidemiology of Campylobacter jejuni (CJ) in environmental water are not well understood. We developed a spatial analysis methodology able to identify the main environmental factors predicting the presence and quantity of Campylobacter in river water. Methods : For two years, water samples were collected weekly and scanned for CJ and fecal coliforms at 32 sampling sites of Estrie hydrographic network, Québec. The quantity of CJ in water was estimated using the Most Probable Number method (MPN). The 32 sampling sites were linked to their catchment area; 10 of them were excluded from the analysis, because their hydrographic basin was not independent from the other sites. For each site, the following environmental variables were included: Water flow, slope, land-cover, land-use including type of farming, animal density, total precipitation in the 3 days prior to water sampling. A stepwise multivariate regression was realized across the different analysis windows to define the size of the area upstream from the sampling sites (from 1.5 to 24 km) which was the most closely associated with the mean quantity of CJ, and which environmental factors were associated with a higher mean quantity of CJ in water. Results : Preliminary results show that an area defined by a radius of 14 km upstream of the sample site was the most contributing zone for the bacteria (r2=0.38, p=0.002). Within this 14 km area, the only significant variable associated with a higher mean quantity of CJ was bovine density (p=0.002). When analyzing the data within a 120 m buffer zone across 14 km upstream of the sampling sites (r2=0.40, p=0.001), the only significant variable associated with a higher mean quantity of CJ was the percentage of agricultural surface (p=0.001). Conclusions : These results suggest a strong implication of bovine density in conjunction with crops and associated manure spreading on the quantity of CJ in environmental water.

En dépit de son importance pour les écosystèmes aquatiques, l’origine et les mécanismes de production du carbone organique dissous (COD) sont toujours sujets à discussion. Cette thèse vise à mieux comprendre le rôle joué par l’hydrologie tant sur les mécanismes de production et la location des sources du COD que sur les flux et les processus de transfert du sol vers les cours d’eau. Un suivi haute fréquence des eaux du sol et de rivière a été réalisé sur la totalité d’un cycle hydrologique dans le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan, Observatoire de Recherche en Environnement (ORE) AgrHys). Le COD contenu dans ces eaux a été caractérisé par sa composition isotopique en carbone (δ13C), et ce suivi a été complété par l’analyse de la dynamique de la nappe. L’analyse des variations saisonnières de concentration et de composition du COD révèle l’existence d’un relais dans les sources et les mécanismes de production du COD dans les sols des zones de fond de vallée en phase avec les changements de régime hydrologique du bassin. Ainsi, lors de la période automnale de remontée de la nappe, le compartiment COD présente un caractère faiblement aromatique et une composition isotopique particulière, suggérant une origine microbienne. Ce réservoir de très faible taille (5% du flux annuel de COD exporté par le cours d’eau) est entièrement épuisé par les premières crues d’automne. La mise en charge de la nappe en versant conduit à la mobilisation d’un second réservoir de COD caractérisé par une aromaticité élevée et une signature isotopique proche de celle de la matière organique des sols. Ce compartiment correspond au fond humique « ancien » des sols et présente une taille nettement plus important que le premier (90% du flux annuel). Cependant ce compartiment ne se limite pas au COD produit dans sols des zones de bas-fond mais comprend aussi des apports de matières organiques issues des sols de bas de versant. Enfin, le rabattement de la nappe au milieu du printemps marque le début de la période d’assèchement du bassin versant et le retour dans les sols de bas-fond d’un COD faiblement aromatique et isotopiquement similaire à celui observé en automne. En conséquence, la teneur et la composition du COD véhiculé par le cours d’eau varient fortement à l’échelle saisonnière (variabilité temporelle des processus de production du COD). Les horizons superficiels des sols des zones de bas-fond sont la principale source de COD, par lesquels transitent entre 60 et 80% du flux de COD exporté lors des événements de crues. Concernant le réservoir humique, un résultat important est qu’il semble limité dans les sols de bas de versant, alors qu’il semble au contraire illimité dans les sols de bas fond. Au final, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse démontrent le contrôle majeur de la dynamique de la nappe sur les mécanismes de production de COD par le sol ainsi que sur la localisation spatiale et les flux de COD transférés de ces sols vers les cours d’eau à l’échelle de la saison. Ils valident également l’hypothèse émise selon laquelle l’exportation du COD par les cours d’eau ne résulterait pas d’un simple « flushing » du COD produit dans les sols de bas-fond mais mobiliserait plutôt un ensemble de sources localisées le long du continuum rivière-zone de bas-fond-zone de versant, et dont le caractère plus moins limité du réservoir expliquerait les dynamiques des concentrations en COD annuelles observées à l’exutoire de ces bassins. Un autre résultat majeur de cette thèse est la qualification des isotopes comme outil de traçage des sources et de la dynamique du COD dans les bassins versants. Un point clé de ce travail est la différenciation isotopiques des réservoirs COD des sols de bas-fond et des sols de bas de versant, qui a permis pour la première fois de révéler la participation de l'un et de l’autre au flux exporté à l’exutoire et d’estimer quantitativement leur contribution respective à ce même flux. / Despite its importance to aquatic ecosystems, origin and production mechanisms of dissolved organic carbon (DOC) are still subject to discussion. This thesis aims to better understand the role of hydrology in controlling both DOC production in soils and export by stream waters. High frequency monitoring of soils and streams waters was carried out during an entire hydrological cycle in the Kervidy-Naizin catchment (Morbihan). The DOC was characterized by its stable carbon isotopic composition, and groundwater table dynamic was also analyzed during the same period. The analysis of seasonal variations in both DOC concentration and composition reveals a succession in the sources and mechanisms of production of DOC in soils of valley bottom in line with changes in the hydrological regime of the basin. Thus, during the autumn period of rising water-table, the COD compartment has a low aromatic character and a particular isotopic composition, suggesting a microbial origin. This reservoir of very small size (5% of the annual flux of DOC exported by the stream) is fully exhausted by the first autumn storm events. The increase of water-table in the upland domain leads to the mobilization of a second DOC pool characterized by a high aromaticity and a isotopic signature similar to those of soil organic matter. This compartment corresponds to "old" humic fraction of the soil and has a size much larger than the first (90% of annual flux). However, this compartment includes contributions of DOC from riparian soils and also upland soils. Finally, the water-table drawdown in the middle of spring marks the beginning of the drying period of the catchment and the return to the soil of the “fresh” DOC pool. As a result, concentration and composition of DOC transported by the stream vary greatly across a seasonal scale (temporal variability of production processes DOC). The surface horizons of soils riparian soils are the main source of DOC, which handle between 60 and 80% of stream DOC flux during flood events. An important result is that the DOC pool seems limited in upland soils, while its seems no-limited in riparian soils. Finally, the results obtained in this thesis demonstrate the major control of the dynamics of the water-table on the mechanisms of production of DOC from the soil as well as the spatial location of DOC sources and DOC flux transferred from the soil to stream through the hydrological cycle. They also validate the hypothesis that DOC export by rivers mobilizes rather a set of sources located along the upland-riparian-stream continuum. Another major result of this thesis is the validation of stable carbon isotopes as a tool for tracing sources and dynamics of DOC in the catchment.

La plate-forme Saharienne paléozoïque, comprenant les bassins péri-Hoggar (Murzuq, Illizi, Mouydir, Ahnet, Reggane et Tim Mersoï) sont définies comme des bassins intracratoniques. Ils ont été dominés par des mouvements verticaux lents et à grande longueur d'onde, conduisant à une subsidence globale à faible vitesse (i.e. ca. 10 m/Ma à 50 m/Ma) et à l'accumulation d'une couverture sédimentaire étendue de type plate-forme (environnements de dépôts peu profonds), rythmée par des périodes pulsatiles d’augmentation et de diminution du taux de subsidence probablement déclenchées par des événements géodynamiques régionaux. Les mouvements verticaux de la plate-forme ont créé plusieurs arches également appelés dômes, paléo-topographies (e.g. les arches de la Tihemboka, d’Amguid El Biod, d’Arak-Foum Belrem et de l’Azzel Matti) et des bassins (en forme de synclinal) de différentes longueurs d'onde allant de plusieurs centaines à plus de milliers kilomètres. La persistance d’un ensemble assez uniforme de mouvements verticaux semble contrôler l’architecture des bassins, ce qui semble indiquer un contrôle à grande échelle (i.e. lithosphérique). Ce dernier contrôle spatialement et temporellement la dynamique sédimentaire de dépôt et d'érosion. Plusieurs périodes d'érosion majeures ont considérablement tronqué les sédiments préexistants sur de vastes zones, produisant des discordances régionales, restreintes et amalgamées sur les arches, qui séparent la couverture sédimentaire de la plateforme. À travers une approche intégrée multidisciplinaire originale allant d’une analyse géologique de bassin, associant le substrat et l’architecture de bassin à une modélisation thermomécanique numérique de la lithosphère, cette étude a permis de décrypter les facteurs de forçage des bassins intracratoniques de la plate-forme saharienne (bassins péri-Hoggar).L'architecture en Arches-Bassins est mise en évidence par l'identification de structures tectono-sédimentaires (onlap divergents, troncatures…). Cette architecture se caractérise par des variations d'épaisseur et des partitionnements de faciès, organisés par des failles normales planes sub-verticales formant des systèmes d'horst-graben souvent associés à des plis forcés dans la couverture. Connectés et nucléés aux grandes zones de méga-cisaillement, les systèmes d'horst-graben sont inversés (inversion positive) ou réactivés (plis forcés) au cours d'événements géodynamiques successifs (par exemple : extension cambro-ordovicienne, rebond glaciaire ordo-silurien, extension/ compression Siluro-Dévonien «Calédonienne», extension/compression du dévonien tardif et compression «hercynienne»).Formée sous une lithosphère précambrienne de type accrétionnaire héritées de plusieurs paléo-orogénèses (e.g. Eburnéenne, Panafricaine), une zonation des substrats sous l’architecture en Arches-Basins est observée : Les terranes Archéen à Paléoprotérozoïque se situent sous les hauts structuraux et les terranes méso-néo-protérozoïques sous les dépressions.Sur la base de ces observations géologiques et de l’hypothèse de densités différentielles conservées (impliquant un potentiel isostatique) entre les différents terranes accrétées héritées (i.e. les terranes archéennes et protérozoïques) dans la lithosphère, un modèle numérique thermo-mécanique 2D est proposé. Les facteurs de forçage du premier et du second ordre, respectivement caractérisés par de faible taux de subsidence et par leurs déviations cycliques pendant de longues durées (250 Ma), sont bien contraint par le modèle réconciliant aussi l’architecture tectono-stratigraphique singulière en Arches-Basins. Les différentes simulations ont montré l’importance des anomalies thermiques, de la tectonique (faible taux de déformation) et de l’apport externes en sédiments sur la dynamique de ces bassins intracratoniques. Le flux sédimentaire contrôle la vitesse et la durée de remplissage du bassin jusqu'à l'équilibre isostatique (…). / The Paleozoic Saharan platform including the peri-Hoggar Basins (i.e. Murzuq, Illizi, Mouydir, Ahnet, Reggane and Tim Mersoï basins) are defined as intracraonic basins. Their histories have been dominated by slow long-wavelength vertical motions leading to overall low subsidence rate (i.e ca. 10 m/Ma to 50 m/Ma) and accumulation of an extensive cover of platformal sediments (i.e. shallow deposits environments), rhythmed by pulsatile periods of increasing and decreasing rate probably triggered by regional geodynamic events. The vertical motions of the platform produced several arches also called domes, swells, highs, ridges (e.g. the Tihemboka, Amguid El Biod, Arak-Foum Belrem and Azzel Matti Arches) and basins (syncline-shaped) with different wavelengths going from several hundred to more than a thousand kilometres. The persistence of a rather uniform pattern of vertical motions seems to control the architecture of the basins indicating a large-scale control (i.e. lithospheric). This latter controls spatially and temporally the deposition and the erosion dynamics. Several major erosion events significantly truncated the pre-existing sediments over wide areas, producing regional unconformities, especially restricted and amalgamated on arches, which separate the platformal cover into divisions. Through an original multidisciplinary integrated approach going from a geological basin analysis, coupling the substrate and the basin architecture to a numerical thermo-mechanical modelling of the lithosphere, this study has led to decipher the forcing factors of the intracratonic basins of the Saharan platform.The Arches-Basins architecture is highlighted through the identification of tectono-sedimentary structures (growth strata, truncatures…). This architecture is featured by thickness variation and facies portioning, organized by sub-vertical planar normal faults (sometimes blind faults) forming horst-graben systems associated with forced folding in the cover. Connected and nucleated to major mega-shear zones, horst-graben systems are inverted (positive inversion) or reactivated (forced folds) during successive geodynamic events (e.g. Cambro-Ordovician extension, Ordo-Silurian glacial rebound, Siluro-Devonian “Caledonian” extension/compression, late Devonian extension/compression and “Hercynian” compression).Formed under a Precambrian lithosphere of accretionary type, inherited during several paleo-orogenies (e.g. Eburnean, Pan-African), a substrates zonation of the Arches-Basins framework is described, where the Archean to Paleoproterozoic terranes are forming the structural highs and the Meso-Neoproterozoic terranes the structural lows.Based on these geological observations and the hypothesis of conserved differential densities (implying an isostatic potential) between the inherited different accreted terranes in the lithosphere (i.e. archean and proterozoic terranes), a 2D thermo-mechanical numerical model is proposed. The first and second order forcing factors, respectively recorded in the subsidence rate pattern by the low long-lived and by their cyclic deviations, are well constrained reconciling the singular Arches-Basins tectono-stratigraphic architecture. The different simulations have shown the importance of thermal anomaly, tectonics (weak strain rate) and external sediment supply on the dynamic of these intracratonic basins. Where, sediment flux controls the speed and the duration of basin infill until achievement of the isostatic equilibrium. The thermal anomaly and the tectonics compel the tectono-stratigraphic complexification such as the arches framework (intra-arches, boundary secondary arches…) and the stratigraphy architecture (wedges, diachronic unconformities) (…).

L'urbanisation accroît l'imperméabilisation des surfaces, donc augmente les volumes et les charges polluantes des eaux pluviales. Dans l'Est lyonnais, celles-ci sont traitées via des techniques alternatives, les bassins d'infiltration. Les polluants s'accumulent à la surface des bassins, mais leur devenir à long terme est peu connu. En particulier, les bactéries sont susceptibles de faciliter le transfert des métaux lourds à travers la zone non-saturée du sol vers la nappe phréatique sous-jacente. Le présent travail se propose donc d'étudier les mécanismes et les conditions de mobilisation et de transfert de trois cations métalliques (Zn, Cd, Cu) et des colloïdes bactériens, dans les conditions hydrodynamiques subies par les bassins d'infiltration in situ. <br />La mobilisation du cuivre depuis l'horizon pollué dépend fortement du transfert de la solution de sol et des conditions hydrodynamiques initiales et aux limites, tandis que les autres éléments sont dissous depuis une gangue organo-minérale commune, en quantités similaires quelles que soient les conditions expérimentales. Les concentrations en bactéries dans les effluents, enfin, ne dépendent ni de la teneur en eau initiale ni des conditions de flux. Les quantités de cuivre et de colloïdes organiques et minéraux potentiellement mobilisables depuis les horizons pollués sont élevées. Le sol sain sous-jacent retient partiellement la matière dissoute et particulaire, mais les chemins préférentiels et le transfert colloïdal, qui dépendent des conditions hydrodynamiques, favorisent le transfert des métaux. Par conséquent, un curage régulier des bassins et une rétention des particules en amont des bassins sont préconisés.

Ce travail présente quelques contributions à la modélisation<br />et à la simulation de genèse de bassins sédimentaires.<br />Nous présentons tout d'abord les modèles mathématiques et <br />les schémas numériques mis en oeuvre à l'Institut Français<br />du Pétrole dans le cadre du projet Temis. Cette première partie <br />est illustrée à l'aide de tests numériques portant sur des bassins 1D/2D.<br />Nous étudions ensuite le schéma amont des pétroliers utilisé pour la résolution des équations de Darcy et nous établissons des résultats mathématiques nouveaux<br />dans le cas d'un écoulement de type Dead-Oil.<br />Nous montrons également comment construire un schéma à nombre<br />de Péclet variable en présence de pression capillaire. <br />Là encore, nous effectuons une étude mathématique<br />détaillée et nous montrons la convergence du schéma<br />dans un cas simplifié. Des tests numériques réalisés<br />sur un problème modèle montrent que l'utilisation d'un nombre<br />de Péclet variable améliore la précision des calculs.<br />Enfin nous considérons dans une dernière partie <br />un modèle d'écoulement où les changements de lithologie et <br />les changements de courbes de pression capillaire sont liés.<br />Nous précisons la condition physique que doivent vérifier<br />les solutions en saturation aux interfaces de changement de roche et<br />nous en déduisons une formulation faible originale.<br />L'existence d'une solution à ce problème est obtenue<br />par convergence d'un schéma volumes finis.<br />Des exemples numériques montrent l'influence de la condition<br />d'interface sur le passage ou la retenue des hydrocarbures.

Certains processus écologiques mettent en jeu des transferts latéraux entre parcelles voisines. La maîtrise, par les pratiques agricoles, des problèmes environnementaux qui en découlent impose de coordonner les systèmes de culture dans l'espace, à l'échelle de l'entité spatiale pertinente pour l'analyse du processus en cause. C'est le cas du ruissellement érosif dans les plaines loessiques du nord de l'Europe, dont l'échelle d'étude est le bassin versant. Ce travail de thèse a permis de bâtir une méthodologie d'aide à la conception de modifications des systèmes de culture, au sein des exploitations, dans le but de réduire de ruissellement. La méthode élaborée permet ainsi d'identifier les marges de manoeuvre des agriculteurs pour modifier les systèmes de culture - organisation spatiale des cultures et itinéraires techniques - à partir d'une reconstitution des règles de localisation des cultures sur le territoire d'exploitation et d'organisation du travail.