Les ouvrages d'infiltration sont utilisés aujourd'hui comme alternative au réseau d'assainissement pluvial. Ils réduisent les risques d'inondation, contribuent au piégeage de polluants permettant ainsi de limiter la détérioration des milieux aquatiques superficiels et sont reconnus pour recharger la nappe. Cependant leur fonctionnement est affecté à long terme par le colmatage réduisant leur performance hydraulique. Par ailleurs, lorsque ces systèmes sont munis de surverses, le colmatage limite les capacités d'interception des flux d'eau et des polluants. Le colmatage constitue donc un facteur clé dans le fonctionnement de ces systèmes tant sur un plan hydraulique qu'environnemental. Cette thèse a pour but de mesurer et de comprendre l'évolution spatio-temporelle du colmatage à une échelle mégascopique (l'échelle d'un ouvrage extensif type) et diachronique (sur le moyen terme). Pour cela une approche expérimentale a été menée au sein de l'Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU) selon trois niveaux d'investigation sur un même ouvrage en conditions réelles de fonctionnement. Un premier niveau (échelle globale) a consisté à mesurer l'évolution temporelle du système pris dans son ensemble grâce au calage de la résistance hydraulique au sens du modèle de Bouwer. Cette étape a nécessité de mesurer et d'exploiter des données en continu de flux d'eau, de sédiments, de matière organique apportés au système, les facteurs environnementaux comme la température d'air et d'eau, l'ensoleillement, le rythme, la nature des événements pluvieux, la saisonnalité, etc., sur un historique de 8 ans. Cette étape nous a mis en évidence la dynamique d'évolution du colmatage et le rôle bénéfique du développement de la végétation sur le maintien de la capacité d'infiltration globale d'un ouvrage de ce type. Un deuxième niveau (échelle semi globale) nous permettant de distinguer l'évolution temporelle du colmatage du fond et des parois, a montré leur dynamique respective (rapide pour le fond, très lente voire inexistante pour les parois). Un troisième niveau (échelle locale) a tenté d'explorer la répartition spatiale et temporelle du colmatage sur le fond des ouvrages sur des échelles de temps plus courtes. L'approche expérimentale a consisté à caractériser la couche colmatante en terme physico chimique et dans une moindre mesure biologique (conductivité hydraulique à saturation, granulométrie, porosité, masse volumique apparente, masse volumique des particules solides, matière organique, biomasse). Elle a analysé également le rôle de la végétation spontanée sur la capacité d'infiltration vis-à-vis des caractéristiques de l'horizon de surface et la structure aérienne et racinaire des espèces présentes. Enfin des analyses statistiques de l'évolution du colmatage à chaque échelle a mis en évidence la part potentiellement importante du colmatage biologique sur ces systèmes alors que, pour la gestion des eaux pluviales ce facteur est généralement négligé.

La densification actuelle de l'urbanisation conduit à un changement d'occupation du sol et du réseau de drainage en zone péri-urbaine. L'écoulement est concentré dans des fossés ou des réseaux d'assainissement et ainsi accéléré. Ces phénomènes peuvent avoir des conséquences importantes pour les nappes et les cours d'eau, comme par exemple l'aggravation des crues et des sécheresses et l'altération de la qualité chimique et/ou biologique du milieu. Sous la pression réglementaire (Directive Cadre Européenne sur l'Eau) et la demande sociale, les gestionnaires sont donc confrontés à des choix complexes en terme d'aménagement. Ainsi, il est nécessaire de mettre au point des méthodes et des modèles capables de quantifier l'impact de l'augmentation de l'urbanisation sur la vulnérabilité des hydro-systèmes péri-urbains. Dans ce travail, nous formulons l'hypothèse qu'une modélisation hydrologique spatialisée continue, prenant explicitement en compte les objets des paysages périurbains (parcelles urbaines, agricoles, forestières, haies,..) et les éléments déterminant les chemins de l'eau (topographie, mais aussi réseaux d'assainissement ou de routes) peut aider à comprendre et hiérarchiser le rôle des différents objets du paysage sur la réponse hydrologique. Pour ce faire, le modèle distribué PUMMA (Peri-Urban Model for landscape Management) adapté aux bassins versants péri-urbains, a été développé dans le cadre de cette thèse. Il consiste en une intégration du modèle existant URBS, décrivant des processus hydrologiques urbains à l'échelle d'une parcelle cadastrale, dans la plate-forme de modélisation LIQUID, qui contient déjà des modules représentants des processus hydrologiques en zone rurale. PUMMA a également été complété par de nouveaux modules simulant les déversoirs d'orage, les bassins de rétention et le transfert du ruissellement de surface. Le modèle suit une approche orientée objet dans laquelle le paysage est divisé en mailles irrégualières, correspondant aux parcelles cadastrales en zone urbaine et aux unités de réponse hydrologiques (HRUs) en zone rurale. Afin de pouvoir appliquer le modèle à l'échelle d'un bassin versant, des méthodes automatiques pour la préparation des données géographiques ont été mises au point. De plus, une méthode a été développée pour déterminer les contours de bassins versants péri-urbains, en distinguant les surfaces contributives de temps sec et humide. Le modèle a été appliqué au bassin versant de la Chaudanne, un sous-bassin de l'Yzeron, situé en zone péri-urbaine lyonnaise pour deux années en conditions contrastées (sèche et humide). Les paramètres du modèle ont été spécifiés à partir des observations disponibles et des données de la littérature. Les résultats montrent un comportement du modèle réaliste et une aptitude à représenter les comportements différents en période sèche et humide, en lien avec des degrés de saturation des sols différents, même si les pics de débits d'été sont en général surestimés. Différents tests de sensibilité sur certains processus/paramètres montrent l'importance des processus urbains sur la réponse hydrologique du bassin, comme en particulier la génération de ruissellement de surface par les surfaces imperméables et naturelles urbaines, le drainage de l'eau du sol par les réseaux d'assainissement et les connexions entre les îlots urbains et le réseau hydrographique naturel et artificiel. L'épaisseur des sols et la conductivité hydraulique à saturation latérale jouent aussi un rôle important sur la dynamique du débit de base. Nous montrons aussi le potentiel du modèle pour tester différents scenarii d'aménagement ou de gestion des eaux pluviales.

Cette thèse valorise les données de mesure en continu de pluie de débit et de turbidité, ainsi que les bases de donnée de résultat d'analyse et les connaissances acquises dans le cadre des trois observatoires français en hydrologie urbaine, OPUR-Paris, OTHU-Lyon et ONEVU Nantes, pour valider et améliorer les connaissances sur les flux et les sources de particules vectrices de contaminants, en réseaux d'assainissement unitaire. Les données provenant de 6 sites expérimentaux drainés par un réseau d'assainissement unitaire ont été exploitées : Marais, Quais et Clichy à Paris, Cordon Bleu et Saint-Mihiel à Nantes et Écully à Lyon, avec sur chaque site des bases de données de longue durée qui ont permis des études statistiques sur des échantillons de plusieurs dizaines d'événements pluvieux et de journées de temps sec. Cette thèse a permis : 1- d'évaluer la représentativité de la turbidité pour analyser du transport solide en réseau ; 2- d'analyser et de modéliser statistiquement les concentrations et les masses de particules à l'échelle événementielle ; 3- d'étudier la dynamique des flux et des concentrations à l'échelle intra-événementielle. Les résultats obtenus indiquent d'une part, que la turbidité permet de décrire les dynamiques intra-événementielles des flux et des concentrations à condition d'exprimer ceux-ci sous forme relative, normalisée par les valeurs moyennes événementielles. En revanche, ces valeurs événementielles sont attachées par des erreurs systématiques non négligeables induites par les variations inter-événementielles de la relation MES-Turbidité (intervalle de confiance de l'ordre de 30% de la moyenne). Ils confirment d'autre part que la contribution des dépôts aux flux de temps de pluie est importante mais variable (entre 20 et 80% de la masse à l'exutoire selon l'événement), y compris sur un site réputé exempt de dépôts (grossiers). Autrement dit, les problématiques d'ensablement et de pollution de temps de pluie ne sont pas nécessairement liées. L'autre contribution majeure est celle des eaux usées " de temps sec ". De plus, ils nous ont permis de progresser dans la compréhension des phénomènes de décalage temporel entre hydrogramme et pollutogramme et d'effet piston

Des détériorations importantes sont observées dans les réseaux d’assainissement en béton en raison de la présence d’hydrogène sulfuré (H2S). Différentes études ont montré qu’un environnement riche en hydrogène sulfuré entraîne, au contact de surfaces cimentaires, la sélection de bactéries sulfo-oxydantes (bactéries capables d’oxyder des composés soufrés réduits), menant à la production d’acide sulfurique. Cet acide détériore localement les réseaux par dissolution et recomposition minéralogique de la matrice cimentaire (formation de gypse et d’ettringite). Les réseaux ne collectent alors plus correctement les eaux usées et ce phénomène provoque donc des travaux de rénovation onéreux. Dans ce contexte, des solutions plus performantes que celles mises en place actuellement doivent être étudiées. L’objectif du projet FUI DURANET dans lequel s’inscrit cette thèse vise à proposer un essai accéléré et à développer un modèle.La mise en place d’essais abiotiques a permis de démontrer que cette première étape n’est pas l’étape limitante du phénomène de biodétérioration. En effet, le pH de surface des matériaux cimentaires adapté au développement microbien est rapidement atteint lorsqu’ils sont mis au contact de l’hydrogène sulfuré à une concentration élevée (100 ppm), quel que soit le matériau cimentaire considéré (mortiers à base de ciments CEM I, CEM III, CEM IV, CEM V, CAC et CSS). La modélisation de l’attaque par l’acide sulfurique et la mise en place d’un essai représentatif et accéléré ont ensuite été abordées pour prédire la durabilité des différents matériaux cimentaires de l’étude. Pour l’essai, différentes techniques d’ensemencement des microorganismes à la surface des matériaux cimentaires ont été comparées, afin de déterminer laquelle mène à la meilleure reproduction des conditions d’un réseau d’assainissement et à l’accélération des mécanismes de biodétérioration la plus importante. Ces essais permettent de préconiser l’utilisation de boues activées contenant un consortium de microorganismes, par rapport à l’utilisation de souches de collection, dont l’activité dépend trop fortement de leur adaptabilité aux conditions environnementales. L’ensemble des résultats, obtenus expérimentalement et par modélisation, montre une meilleure résistance des ciments d’aluminate de calcium et une dégradation très importante des ciments Portland face aux mécanismes mis en jeu, en accord avec les essais in-situ / Important deteriorations have been observed in concrete sewers, due to hydrogen sulfide (H2S) presence. H2S is used as nutrients for sulfur-oxidizing bacteria (bacteria able to oxidize the reduced sulfur compounds) and is oxidized into sulfuric acid. This acid attack of concrete leads to cementitious matrix dissolution and expansive products formation (gypsum and ettringite). This phenomenon disturbs the sewer system and conducts to expensive works of rehabilitation. In order to avoid this degradation, a French project named “FUI Duranet” was initiated to propose more efficient solutions. The aim of this thesis is to define a representative and accelerated test as well as a predictive model.Abiotic tests allow stating that this first stage of the biodeterioration mechanisms is not the limiting stage. Indeed, the adapted surface pH of the cementitious materials to bacteria development is quickly reached with a high H2S concentration (100 ppm), whatever the cementitious materials considered (mortars based on CEM I, CEM III, CEM IV, CEM V, CAC, and SSC cements). The chemical-transport modeling of the sulfuric acid attack of cementitious materials and the establishment of a representative and accelerated test have been proposed to predict their service life in these conditions. For the test, different seeding technics have been compared in order to determine which one lead to the better reproduction and acceleration of biodeterioration mechanisms. This test allows recommending the sludge use, which contains a microorganism’s consortium, rather than a collection strain use, whose activity is too dependent on environmental conditions. With the experimental test and the model, the better resistance of the calcium aluminate cement and the important degradation of the Portland cements are quickly confirmed, as highlighted during the field tests

Les ouvrages d’infiltration sont utilisés aujourd’hui comme alternative au réseau d’assainissement pluvial. Ils réduisent les risques d’inondation, contribuent au piégeage de polluants permettant ainsi de limiter la détérioration des milieux aquatiques superficiels et sont reconnus pour recharger la nappe. Cependant leur fonctionnement est affecté à long terme par le colmatage réduisant leur performance hydraulique. Par ailleurs, lorsque ces systèmes sont munis de surverses, le colmatage limite les capacités d’interception des flux d’eau et des polluants. Le colmatage constitue donc un facteur clé dans le fonctionnement de ces systèmes tant sur un plan hydraulique qu’environnemental. Cette thèse a pour but de mesurer et de comprendre l’évolution spatio-temporelle du colmatage à une échelle mégascopique (l’échelle d’un ouvrage extensif type) et diachronique (sur le moyen terme). Pour cela une approche expérimentale a été menée au sein de l’Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU) selon trois niveaux d’investigation sur un même ouvrage en conditions réelles de fonctionnement. Un premier niveau (échelle globale) a consisté à mesurer l’évolution temporelle du système pris dans son ensemble grâce au calage de la résistance hydraulique au sens du modèle de Bouwer. Cette étape a nécessité de mesurer et d’exploiter des données en continu de flux d’eau, de sédiments, de matière organique apportés au système, les facteurs environnementaux comme la température d’air et d’eau, l’ensoleillement, le rythme, la nature des événements pluvieux, la saisonnalité, etc., sur un historique de 8 ans. Cette étape nous a mis en évidence la dynamique d’évolution du colmatage et le rôle bénéfique du développement de la végétation sur le maintien de la capacité d’infiltration globale d’un ouvrage de ce type. Un deuxième niveau (échelle semi globale) nous permettant de distinguer l’évolution temporelle du colmatage du fond et des parois, a montré leur dynamique respective (rapide pour le fond, très lente voire inexistante pour les parois). Un troisième niveau (échelle locale) a tenté d’explorer la répartition spatiale et temporelle du colmatage sur le fond des ouvrages sur des échelles de temps plus courtes. L’approche expérimentale a consisté à caractériser la couche colmatante en terme physico chimique et dans une moindre mesure biologique (conductivité hydraulique à saturation, granulométrie, porosité, masse volumique apparente, masse volumique des particules solides, matière organique, biomasse). Elle a analysé également le rôle de la végétation spontanée sur la capacité d’infiltration vis-à-vis des caractéristiques de l’horizon de surface et la structure aérienne et racinaire des espèces présentes. Enfin des analyses statistiques de l’évolution du colmatage à chaque échelle a mis en évidence la part potentiellement importante du colmatage biologique sur ces systèmes alors que, pour la gestion des eaux pluviales ce facteur est généralement négligé. / Infiltration systems are widely used in urban stormwater management. Infiltration systems can significantly reduce stormwater discharges to sewer systems and may therefore contribute to the mitigation of flooding problems. In addition infiltrations systems also help to reduce stormwater pollution, contribute to groundwater recharge and to water course protection. However, the hydraulic performance of infiltration systems decreases with time due to clogging effects. A clogged layer limits the transfer of water and pollutants in infiltrations systems. The clogging has a significant impact on the long-term performance of a system. The aim of this PhD study is to better understand spatio-temporal evolution of clogging on large infiltration systems involving different scales: (i) global scale, (ii) semi - global (the whole bottom and the sides), (iii) local scale (different part of the bottom). An experimental approach has been carried out in the OTHU project (Field Observatory on Urban Hydrology, www.othu.org). An infiltration basin studied with three investigations scales under real operation conditions. In a global scale, the temporal clogging evolution of the system was evaluated in terms of hydraulic resistance. This clogging indicator was calibrated from Bouwer’s model. Water inflow, TSS, COD, climatic factors (air temperature and solar energy), stormwater events and season variations were measured. The results describe the clogging evolution over 8 years. It indicates that vegetation may have a beneficial effect on infiltration capacity. In a semi global scale study, clogging evolution at the bottom and the sides, of the infiltration basin was evaluated. It proved that the clogging mainly occurs at the bottom, that is, the bottom was clogged fast and the clogging at the sides was slow. Local scale study, spatial distribution and temporal evolution of clogging at the bottom with in situ measurements during 2 years were investigated. The study characterised the clogged layer, with bio physic-chemical parameters (i.e., were investigated hydraulic conductivity, porosity, grain size, dry bulk density, organic matter and biomass content). This analyze compared also the role of different types of spontaneous vegetation. The result showed the high spatio-temporal heterogeneity on the infiltration surface. Statistical analysis of clogging evolution in each scale showed the significant impacts of biological activity in the stormwater infiltration basins, which was often neglected

Ce travail s’intéresse au traitement des effluents issus d’un petit bassin versant résidentiel urbain drainé par un réseau d’assainissement séparatif pluvial. Le traitement est effectué à l’aide d’une mare de sédimentation suivi d’un filtre planté de roseaux. L’instrumentation et les prélèvements permettent un suivi hydrodynamique et physico-chimique. Les résultats montrent que le système contribue fortement à la réduction de la pollution avant rejet au milieu récepteur. Les charges polluantes sont réduites de 70 à 100% pour tous les polluants (sauf la DBO5 et les nutriments, entre 4 et 100%). La mare de sédimentation a un rôle primordial dans l’élimination des polluants présents en phase particulaire, et plus particulièrement des HAPs (100%). Le filtre planté de roseaux intervient au niveau des polluants en phase particulaire non retenus par la mare, mais aussi au niveau des polluants en phase dissoute (nutriments, matière organique, micropolluants métalliques et pesticides). / This work deals with the treatment of effluents from a small urban residential catchment area drained by a separate sewer network. The treatment is made with a sedimentation pond and a constructed wetland. Instrumentation and samplings enable hydrodynamic and physic-chemical monitoring. Results show that the system deeply contributes to reduction of pollution before discharge into receiving water. The pollutant loads are reduced between 70 and 100% for all pollutants (except BOD5 and nutrients, between 4 and 100%). The sedimentation pond plays an essential role in eliminating pollutants in particulate phase, more specifically PAHs (100%). The constructed wetland treat pollutants in particulate phase that are not retained by the pond, but also pollutants in dissolved phase (nutrients, organic matter, metals and pesticides).

La densification actuelle de l'urbanisation conduit à un changement d'occupation du sol et du réseau de drainage en zone péri-urbaine. L'écoulement est concentré dans des fossés ou des réseaux d'assainissement et ainsi accéléré. Ces phénomènes peuvent avoir des conséquences importantes pour les nappes et les cours d'eau, comme par exemple l'aggravation des crues et des sécheresses et l'altération de la qualité chimique et/ou biologique du milieu. Sous la pression réglementaire (Directive Cadre Européenne sur l'Eau) et la demande sociale, les gestionnaires sont donc confrontés à des choix complexes en terme d'aménagement. Ainsi, il est nécessaire de mettre au point des méthodes et des modèles capables de quantifier l'impact de l'augmentation de l'urbanisation sur la vulnérabilité des hydro-systèmes péri-urbains. Dans ce travail, nous formulons l'hypothèse qu'une modélisation hydrologique spatialisée continue, prenant explicitement en compte les objets des paysages périurbains (parcelles urbaines, agricoles, forestières, haies,..) et les éléments déterminant les chemins de l'eau (topographie, mais aussi réseaux d'assainissement ou de routes) peut aider à comprendre et hiérarchiser le rôle des différents objets du paysage sur la réponse hydrologique. Pour ce faire, le modèle distribué PUMMA (Peri-Urban Model for landscape Management) adapté aux bassins versants péri-urbains, a été développé dans le cadre de cette thèse. Il consiste en une intégration du modèle existant URBS, décrivant des processus hydrologiques urbains à l'échelle d'une parcelle cadastrale, dans la plate-forme de modélisation LIQUID, qui contient déjà des modules représentants des processus hydrologiques en zone rurale. PUMMA a également été complété par de nouveaux modules simulant les déversoirs d'orage, les bassins de rétention et le transfert du ruissellement de surface. Le modèle suit une approche orientée objet dans laquelle le paysage est divisé en mailles irrégualières, correspondant aux parcelles cadastrales en zone urbaine et aux unités de réponse hydrologiques (HRUs) en zone rurale. Afin de pouvoir appliquer le modèle à l'échelle d'un bassin versant, des méthodes automatiques pour la préparation des données géographiques ont été mises au point. De plus, une méthode a été développée pour déterminer les contours de bassins versants péri-urbains, en distinguant les surfaces contributives de temps sec et humide. Le modèle a été appliqué au bassin versant de la Chaudanne, un sous-bassin de l'Yzeron, situé en zone péri-urbaine lyonnaise pour deux années en conditions contrastées (sèche et humide). Les paramètres du modèle ont été spécifiés à partir des observations disponibles et des données de la littérature. Les résultats montrent un comportement du modèle réaliste et une aptitude à représenter les comportements différents en période sèche et humide, en lien avec des degrés de saturation des sols différents, même si les pics de débits d'été sont en général surestimés. Différents tests de sensibilité sur certains processus/paramètres montrent l'importance des processus urbains sur la réponse hydrologique du bassin, comme en particulier la génération de ruissellement de surface par les surfaces imperméables et naturelles urbaines, le drainage de l'eau du sol par les réseaux d'assainissement et les connexions entre les îlots urbains et le réseau hydrographique naturel et artificiel. L'épaisseur des sols et la conductivité hydraulique à saturation latérale jouent aussi un rôle important sur la dynamique du débit de base. Nous montrons aussi le potentiel du modèle pour tester différents scenarii d'aménagement ou de gestion des eaux pluviales. / Urban expansion mainly affects peri-urban areas. These areas are subject to rapid modifications such as an increase of impervious areas or concentration of runoff in sewer systems. These changes have an impact on local hydrology and can induce floods, pollution or decrease of groundwater resource. Modelling tools allowing a quantification of the sensitivity of peri-urban catchments to urbanization are therefore useful in this context. The hypothesis underlying this PhD is that a continuous distributed hydrological model, taking explicitly into account the spatial organization of the landscape (urban, agricultural, forest areas, hedges,..) and the water pathways, as determined by topography but also roads and sewer networks, can help to understand and hierarchize the role of various landscape elements on the hydrological response of small hydrosystems. We therefore designed the Peri-Urban Model for landscape MAnagement (PUMMA) simulating the rainfall-runoff processes both in urban and in rural areas. For this, the urban model URBS was integrated into the LIQUID modelling framework already containing modules describing hydrological processes in rural areas. Additionally, three process modules were developed describing sewer overflow devices, overland flow as well as retention basins and lakes. PUMMA follows an object-oriented approach. The landscape is discretized into cadastral parcels in urban areas and irregular hydrological response units in rural areas. In order to apply PUMMA to the catchment scale, automatic methods were developed for the pre-processing of the geographical data. Furthermore, a method for the delineation of suburban catchments including the separation into dry and wet weather contributing areas was developed. The model was then applied to the Chaudanne catchment, a sub-basin of the Yzeron, located in the peri-urban area of Lyon, France. The model was run continuously for two contrasting years (dry and humid) using parameters values taken from observations and the literature. Although summer peak discharge is often overestimated, the results show that, the model is able to simulate realistically the observed discharges and in particular different responses under dry and wet conditions, controlled by the soil saturation. Sensitivity tests to various processes/parameters showed the importance of the urban influenced processes on the hydrological response, in particular surface runoff generation on impervious and natural urban surfaces, infiltration into the sewer system and the connexion of urban areas to the natural hydrographic network. Soil depth and lateral saturated hydraulic conductivity were also found influential on the base flow dynamics. We finally showed the model potential for the evaluation of various rain water management scenarios.

La modélisation à l’aide de l’approche RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) a été menée en trois dimensions, en considérant les régimes permanent et non permanent, dans le but de simuler les écoulements au niveau des jonctions, bifurcations et déversoirs d’orage. A travers ces trois exemples d’étude, plusieurs stratégies de modélisation (différentes combinaison lois de paroi/modèles de turbulence, différents algorithmes de couplage pression/vitesse, différents schémas de discrétisation spatiale, différentes conditions aux limites, différents types et tailles de maille, etc.) ont été testées et évaluées à l’aide de plusieurs indicateurs de performance (de type RMS –Root Mean Square) en s’appuyant sur les données de vitesses (vitesses moyennes in situ et champs de vitesses obtenus par PIV en laboratoire), hauteurs d’eau, débits (répartition de débits en bifurcation en laboratoire ou débits déversés in situ). Les résultats obtenus sont transposables aux autres cas de singularités et ouvrages spéciaux rencontrés en réseau d’assainissement et montrent que : i) les résultats des simulations 3D sont sensibles à la rugosité, aux conditions limites de hauteur et de vitesse ; ii) dans les trois cas d’étude, les schémas de discrétisation du second ordre et l’algorithme de couplage pression/vitesse PISO sont appropriés ; ii) la loi de paroi scalable couplée aux modèles de turbulence de type k-ε pour le cas des jonctions (avec un débit latéral inférieur ou égal au débit principal) ou des déversoirs semblent convenir, tandis que le modèle de turbulence RSM associé à la loi de paroi enhanced ou scalable permet de mieux représenter les écoulements à travers les bifurcations ou au niveau des jonctions lorsque le débit latéral est dominant. Sur la base de ces résultats, une méthodologie de modélisation plus générale définie en six étapes et fondée sur le guide proposée par Jakeman et al. (2006) a été mise au point. La méthodologie ainsi définie a été utilisée pour i) améliorer l’instrumentation du déversoir OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) situé à Ecully, à partir de la simulation de sa courbe de fonctionnement et en fournissant les incertitudes sur les débits déversés obtenus ; ii) simuler l’implémentation des capteurs débitmétriques à l’aval d’une jonction. Elle a permis de concevoir et de dimensionner un nouveau dispositif de maîtrise des flux d’eau et de polluants déversés (technologie DSM – dispositif de surveillance et de maîtrise des flux déversés au milieu naturel). Ce dispositif a fait l’objet d’un dépôt de brevet international. Enfin, la mise en œuvre de cette méthodologie a été à l’origine de la découverte d’une nouvelle structure d’écoulement dans la branche latérale d’une bifurcation à 90°. L’analyse des résultats des simulations des écoulements mettant en évidence cette nouvelle structure a montré qu’il était possible de prédire l’apparition de cette dernière à partir du rapport d’aspect et du nombre de Froude. / The understanding of sewer flows behaviour is a key component for better urban drainage monitoring and management. However, these flows are conveyed across singularities (such as bends, drops, deviations, etc.) and special structures (combined sewer overflows –CSOs–, channels junction, dividing flow structures, etc.). These singularities and specific structures exhibit complex geometries, leading to open channel turbulent, three-dimensional and multiphase (pollutants and storm and sewer waters) flows. Using three-dimensional CFD (Computational Fluid Dynamics) platform allows a better understanding of mechanisms of contaminants transport through these structures and singularities, leading to a better sewer monitoring. In this thesis, 3D-RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) modelling approach under steady-state conditions is used in order to study flows within CSOs, junctions and bifurcations. Through these three structures, several modelling strategies (wall law/turbulence model combination, velocity/pressure coupling algorithm, spatial discretisation schemes, boundary conditions, computational mesh –shape and size of cells–, etc.) are tested and evaluated thanks to performance indicators (such as RMS –Root Mean Square– indicators) based on velocities (in situ mean velocities and PIV velocity fields obtained in laboratory), water depths and discharge (discharge repartition for bifurcation in laboratory or in situ overflow discharge, for CSOs). Results deriving from these tests are transposable to other singularities or special structures encountered in sewer network and suggest that: i) simulated CFD results are sensitive to the roughness coefficient; ii) for the three studied structures, second-order discretisation schemes and SIMPLE or PISO velocity/pressure coupling algorithm are appropriate; iii) scalable wall function associated to the group of k-ε turbulence model for junction flows (with a lateral inflow lower or equal to the main inflow) or for CSOs is appropriate, whereas RSM turbulence model associated to enhanced wall function allows a better representation of bifurcation flows or junctions flows when the lateral inflow is greater than the main inflow. Based on these results and on Jakeman et al. (2006) guideline, a six steps-methodology focused on the using of RANS approach modelling has been proposed. This six steps-methodology is used in order to i) enhance the monitoring of an OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) CSO located at Ecully accounting for uncertainties on overflow discharge values ;ii) simulate the performance of flowmeters downstream of a junction, defining the best location for these sensors. This methodology is used to design the new overflow discharge measurement device. This device is an international patent. Finally, the application of the methodology led to point out a new flow structure, occurring in the downstream lateral branch of a 90° bifurcation.

The rapid urbanization and industrialization has led to an increase of disposal petroleum hydrocarbons (PHC) and trace elements (TE) into the environment. These pollutants are considered as the most toxic contaminants in the world due to their persistence in the environment, and the long range of toxicological effects for living beings when their concentrations exceed critical thresholds. Recent concerns regarding the environmental contamination have initiated the development of several remediation technologies, including physico-chemical, biological and Dig and Dump approaches. In my thesis, gentle soil remediation options (GRO) were investigated at different scales for the reclamation of PHC and TE co-contaminated soil. In the first part of my thesis, laboratory experiments were performed to characterize PHC and TE contaminated soil as well as the indigenous microorganisms (bacteria and fungi) present in these contaminated soils. It was found that the studied aged contaminated soil had a negative effect on earthworm’s development and Lepidium sativum biomass. Moreover, a high respiration of microorganisms attributed to the transformation/ mineralization of organic matter or/and organic pollutants was observed. This presence of viable microorganisms suggested an adaptation of microorganisms to the contaminant. Further results showed that the long-term exposure of soil microorganisms to high PHC concentration and the type of isolation culture media did not influence the ability of isolates to effectively degrade PHC. However, phylogenic affiliation had a strong effect on PHC biodegradation. In the second part of my thesis, preliminary studies in greenhouse trials were performed to investigate the ability of Medicago sativa assisted by compost in the greenhouse aided-phytoremediation of PHC and TE. The results clearly showed that compost amendment into the soil promoted PHC degradation, M. sativa growth and survival, and phytoextraction of TE. Residual risk assessment after the phytoremediation trial also showed a positive effect of compost amendment on plant growth and earthworm development. Pilot-scale ecopile experiment carried out in the third part of this thesis allow a reduction of up to 80% of PHC and 20% of metals after 17 months. My thesis showed that alfalfa (M. sativa) and sunflower (Helianthus annus) plants were suitable for phytodegradation of PHC and phytoextraction of TE. The outcomes of my thesis can be extend to other plants and they bring a new level of understanding that can be helpful for further full-scale phytoremediation studies. / L'urbanisation rapide et les activités industrielles ont abouti à la contamination de l’environnement par les hydrocarbures pétroliers (HP) et les éléments traces (ET). Ces composés sont particulièrement toxiques en raison de leur persistance dans l'environnement, et de leurs effets toxicologiques sur les êtres vivants quand les concentrations de ceux-ci dépassent des seuils critiques. Les préoccupations de plus en plus croissantes sur la contamination de l'environnement ont favorisé le développement de plusieurs technologies de remédiation des sites contaminés par les approches biologiques, physico-chimiques et par l’excavation et l’entreposage. Dans cette thèse, des options douces d'assainissement des sols (ODA) ont été utilisées à différentes échelles pour la remédiation des sols contaminés par des mélanges des HP et des ET. Dans la première partie de ma thèse, des expériences en laboratoire ont été effectuées dans le but de caractériser les sols contaminés et les micro-organismes autochtones (bactéries et champignons) qu’ils contiennent. Malgré la contamination ancienne du sol, les résultats obtenus montrent des effets négatifs des contaminants sur le développement des lombrics et la biomasse de Lepidium sativum. En outre, une respiration élevée de microorganismes, attribuée à la transformation / minéralisation de la matière organique et / ou des polluants organiques a été observée. Cette présence de micro-organismes viables dans les sols contaminés suggère leur adaptation aux contaminants. Toutefois, d'autres résultats ont montré que l'exposition à long terme des microorganismes du sol à de fortes concentrations en HP et le type de milieu de culture utilisé pour l'isolation n'influencent pas la capacité des isolats microbiens à dégrader efficacement les HP. Cette capacité de biodégradation des HP est liée à la phylogénie des microorganismes. Dans la deuxième partie de cette thèse, les études préliminaires en serre ont été réalisées dans le but d’évaluer l’efficacité de phytoremédiation en utilisant Medicago sativa assistée par l’ajout du compost. Les résultats ont montré dans cette expérience que l’ajout du compost dans le sol favorise la dégradation des HP, la croissance et la survie de M. sativa, ainsi que la phytoextraction des ET. L’évaluation des risques résiduels après la phytoremédiation a également montré un effet positif de l'amendement du sol en compost sur la croissance des plantes et le développement des lombrics. L’expérience pilote réalisée sur le terrain dans la troisième partie de ma thèse a permis une réduction de 80% des HP et de 20% des ET après 17 mois. Ma thèse a démontré que la luzerne (M. sativa) et le tournesol (Helianthus annus) sont des choix judicieux de plantes pour la phytodégradation des HP et pour la phytoextraction des ET. Les résultats qui en résultent sont utiles pour d’autres études de phytoremédiation à grande échelle. / Den snabba urbaniseringen och industrialiseringen har lett till en ökning av petroleumkolväten (PHC) och olika spårämnen (TE) i miljön. Dessa föroreningar anses vara de mest giftiga föroreningarna i världen på grund av att de stannar kvar i miljön samt att de har toxikologisk påverkan på levande varelser. På senare tid har oron för dessa miljöföroreningar lett till utvecklingen av flera saneringstekniker, såsom fysiska, kemiska och biologiska metoder. I denna avhandling undersöktes enkla marksaneringsalternativ (GRO) på olika nivåer, för återvinning av PHC och TE från förorenad jord. I den första delen av denna avhandling, utfördes laboratorieförsök för att karakterisera PHC- och TE-förorenad jord samt av de inhemska mikroorganismerna (bakterier och svampar) som förekommer i dessa förorenade jordar. Det konstaterades att den studerade förorenade jorden hade en negativ inverkan på daggmaskars utveckling och biomassan av L. sativum. Dessutom kunde den höga respirationen bland mikroorganismerna tillskrivas omvandlingen och mineraliseringen av organiskt material och/eller de organiska föroreningar som observerades. Denna närvaro av livsdugliga mikroorganismer antydde att mikroorganismerna anpassat sig till föroreningssituationen på platsen. Ytterligare resultat visade dock att den långvariga exponeringen av höga PHC-koncentrationer i isolerade odlingsmedier, för mikroorganismer i jorden, inte påverkade förmågan för dessa att effektivt bryta ned PHC. Dock hade den fylogenetiska tillhörigheten en stark påverkan på bionedbrytning av PHC. I den andra delen av denna avhandling genomfördes preliminära studier i växthus där förmågan hos M. sativa undersöktes, med hjälp av kompost, gällande den växthusstödda fytosaneringen av PHC och TE. Resultaten visade att inblanding av kompost i jorden främjade nedbrytningen av PHC, tillväxten och överlevnadsgraden av M. sativa och fytoextraktion av Pb. Återstående riskbedömning efter fytosaneringen visade också en positiv effekt, när komposten användes, på växternas tillväxt och daggmaskarnas utveckling. Ett experiment med eco-bädd utfördes för den tredje delen av avhandlingen. Denna studie visade på en minskning på upp till 80% av PHC och 20% av metallerna. Denna avhandling visar att M. sativa och H. annus var lämpliga för nedbrytning av PHC och fytoextraktion av Pb och Cu. Resultaten från denna avhandling förväntas vara användbara för ytterligare studier av fytoremediering i fullskala.

Le sulfure d’hydrogène (H2S) est un gaz malodorant, dangereux, et responsable de la corrosion du béton dans les canalisations d’eaux usées. Ce dernier phénomène est très coûteux pour les collectivités. Le composé H2S est généré sous forme soluble dans les zones anaérobies des réseaux d’assainissement (biofilms, sédiments, zones stagnantes ou conduites forcées) et est ensuite émis dans l’atmosphère des canalisations sous forme gazeuse dans les conduites gravitaires. Des modèles sont nécessaires pour améliorer la conception et la gestion des systèmes de collecte des eaux usées. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de transfert d’H2S lors de l’écoulement gravitaire d’un liquide saturé en gaz dissous. Nous avons développé des techniques de mesure du coefficient de transfert à l’interface liquide-gaz pour le sulfure d’hydrogène et pour l’oxygène. L’influence des conditions hydrodynamiques (vitesse d’eau), aérauliques (vitesse d’air) et de la surface d’échange a été étudiée dans différentes géométries : une cuve agitée de 5 L et une canalisation de 10 mètres de longueur. Nous avons ainsi pu établir la forte influence de la vitesse d’eau sur le coefficient de transfert global. Cette approche expérimentale a été complétée par une approche de modélisation. En utilisant la mécanique des fluides numérique, nous avons essayé de comprendre l’évolution du coefficient de transfert à partir des fluctuations hydrodynamiques locales observées à proximité de l’interface liquide gaz. Les paramètres les plus pertinents pour expliquer les observations effectuées semblent être les grandeurs liées à la turbulence. L’application future de ce type de corrélation serait l’estimation et la prévision des zones d’émissions d’H2S. Ainsi serait-il possible d’identifier les points nécessitant une surveillance et une maintenance particulière. / Hydrogen sulfide (H2S) is a harmful and odorous compound which is also responsible for concrete corrosion in sewers. This phenomenon is costly for the communities. H2S is generated in anaerobic zones in sewer networks (biofilms, sediments, forced mains or stagnant zones), and released into the atmosphere under the form of H2S(g) in gravity pipes. Knowledge-based models are needed to improve the design and the management of wastewater collection systems. The objective of this PhD work is to better understand the mass transfer mechanisms of a water flow saturated in H2S when the flow becomes free. We plan to develop a technique to access the global mass transfer coefficient at the liquid- gas interface for H2S and O2. The effect of hydrodynamic, aeraulic conditions and the liquid-gas surface area on the transfer coefficient were studied in different geometries: small batch reactor of 5L and 10 meter sewer pipe device. A strong influence of the flow velocity on the global transfer coefficient was observed. This experimental approach was completed with a numerical approach. The use of computational fluid dynamics permitted to understand the behavior of transfer coefficient from local hydrodynamics fluctuations observed near the liquid/gas interface. The direct application of this kind of correlation would be the estimation of the transfer fluxes and the localization of hazardous areas for H2S concentration. Consequently it could be possible to identify the sensitive zones requiring a follow-up of the system or a strengthening of the structures.