L’Afrique de l'Ouest est sujette à une variabilité climatique importante et elle connaît une longue période de sécheresse depuis les années 1970 dont l’impact sur les ressources en eau souterraine reste peu étudié. La présente étude porte sur le bassin versant du Kou au Burkina Faso qui abrite une grande réserve d’eau souterraine à l’origine de sources exceptionnelles. Cette ressource, essentielle pour les besoins de la population, présente pourtant des signes d'épuisement qui soulèvent une question essentielle : quelle est la part du climat et celle des prélèvements dans l’épuisement de cette ressource ? Pour répondre à cette question, nous avons utilisé des méthodes d’analyse statistique et la modélisation hydrogéologique. Les méthodes statistiques ont été appliquées aux chroniques de données climatiques, hydrométriques et piézométriques. Elles ont permis de décrire la réponse des eaux souterraines aux forçages du climat et d’identifier les facteurs explicatifs du comportement de la nappe. La modélisation hydrogéologique a pallié certaines limites de ces méthodes statistiques par une meilleure prise en compte de l’hétérogénéité spatiale de l’aquifère. Elle a en particulier montré que les pompages ont un impact significatif sur la ressource en eau. En somme, les déficits de précipitation, combinés aux pompages en croissance continue, mettent en péril la ressource. La gestion de cette dernière dans une perspective durable devrait donc revêtir une attention particulière. / West Africa is prone to critical climate variability and since the 1970s has been experiencing a long period of drought whose impact on groundwater resources is little studied. This study focuses on the Kou catchment in Burkina Faso which holds a large groundwater resource that lies at the root of exceptional springs. This resource, essential to fulfill the populations’ needs, shows signs of depletion that raises a critical question: what is the share of climate and that of withdrawals in the depletion of the resource? To answer this question, we used statistical analysis methods and hydrogeological modeling. The statistical methods were applied to climatic, hydrometric and groundwater level time series to describe the groundwater’s response to climate forcing and to identify explanatory factors of the groundwater’s behaviour. The hydrogeological modeling overcame some of the statistical methods limitations by better heeding the spatial heterogeneity of the aquifer’s characteristics. Particularly, it revealed that pumping have significant impact on the resource. To sum up, rainfall deficits combined with growing pumping endanger the resource. Hence, sustainable management of the resource should be a critical issue to pay attention to.

Classiquement le transfert des contaminants dans le milieu souterrain est modélisé par un couplage des processus de transport physiques (écoulements contrôlés par les structures géologiques poreuses) et des processus de dégradation ou d'immobilisation chimiques et biologiques. Tant sur les structures géologiques que sur la chimie et la physique, les modèles sont de plus en plus détaillés mais de plus en plus difficiles à calibrer sur des données toujours très parcellaires. Dans cette thèse, nous développons une approche alternative basée sur des modèles parcimonieux sous la forme d’un simple graphe de compartiments interconnectés généralisant les modèles d’interaction de continuums (MINC) ou de transfert à taux multiples (MRMT). Nous montrons que ces modèles sont particulièrement adaptés aux milieux dans lesquels la diffusion de solutés occupe un rôle prépondérant par rapport à l’advection, tels les sols ou les aquifères très hétérogènes comme les aquifères fracturés. L'homogénéisation induite par la diffusion réduit les gradients de concentration, accélère les mélanges entre espèces et fait de la distribution des temps de résidence un excellent proxy de la réactivité. En effet, ces structures simplifiées reconstituées à partir d’informations de temps de résidence se révèlent également pertinentes pour des réactions chimiques non linéaires (e.g. sorption, précipitation/dissolution). Nous montrons finalement comment ces modèles peuvent être adaptés automatiquement à des observations d’essais de traceurs ou de réactions de biodégradation. Ces approches parcimonieuses présentent de nombreux avantages dont la simplicité de développement et de mise en œuvre. Elles permettent d’identifier les déterminants majeurs des échanges entre zones advectives et diffusives ou entre zones inertes et réactives, et d’extrapoler des processus de réactivité à des échelles plus larges. L’utilisation de données de fractionnement isotopique est proposée pour améliorer la dissociation entre l’effet des structures et de la réactivité. / Modelling of contaminant transfer in the subsurface classically relies on a detailed representation of transport processes (groundwater flow controlled by geological structures) coupled to chemical and biological reactivity (immobilization, degradation). Calibration of such detailed models is however often limited by the small amount of available data on the subsurface structures and characteristics. In this thesis, we develop an alternative approach of parsimonious models based on simple graphs of interconnected compartments, taken as generalized multiple interacting continua (MINC) and multiple rate mass transfer (MRMT). We show that this approach is well suited to systems where diffusion-like processes are dominant over advection, like for instance in soils or highly heterogeneous aquifers like fractured aquifers. Homogenization induced by diffusion reduces concentration gradients, speeds up mixing between chemical species and makes residence time distributions excellent proxies for reactivity. Indeed, simplified structures calibrated solely from transit time information prove to provide consistent estimations of non-linear reactivity (e.g. sorption and precipitation/dissolution). Finally, we show how these models can be applied to tracer observations and to biodegradation reactions. Two important advantages of these parsimonious approaches are their facility of development and application. They help identifying the major controls of exchanges between advective and diffusive zones or between inert and reactive zones. They are also amenable to extrapolate reactive processes at larger scale. The use of isotopic fractionation data is proposed to help discriminating between structure-induced effects and reactivity.

Entre 1998 et 2002, le gouvernement du Canada a développé, adopté et déployé une stratégie triaxiale visant à prévenir toute exportation d’eau en vrac au pays, spécialement à destination des États-Unis. Cette politique étrangère étonne 1) de par son ampleur (modification de la loi de mise en œuvre du traité sur les eaux limitrophes partagées avec les États-Unis; négociation d’un accord intergouvernemental pancanadien touchant à un champ de compétence provincial; renvoi conjoint avec les États-Unis à la Commission mixte internationale); 2) de par son intransigeance (refus de principe de l’exportation d’eau en vrac plutôt qu’une évaluation des projets au cas par cas); et 3) de par son caractère préventif (refus par avance d’une industrie au potentiel de développement presque nul à court et moyen termes). En effet, un tel effort pour contrer l’exportation d’une ressource naturelle paraît a priori contraire à l’intérêt national d’un pays dont l’histoire économique est marquée par la vente massive de ses ressources à l’étranger. Afin de déterminer comment il a été possible pour le Canada de mettre en place une politique étrangère allant de prime abord si clairement à l’encontre de son intérêt national, la présente thèse propose de délaisser la conception classique de cet intérêt, exprimée en termes utilitaires et objectivistes, pour une conception plus récente, dite discursive, et exprimée en termes identitaires et intersubjectifs. Sur la base d’un exercice de raisonnement contrefactuel; de l’analyse sémantique du débat public concernant l’exportation d’eau en vrac; et de l’étude des représentations historiques de l’eau et de la relation Canada-États-Unis dans la société canadienne, cette avenue permet de soutenir que la stratégie anti-exportation d’eau en vrac du Canada s’inscrit en fin de compte bel et bien dans son intérêt national. C’est-à-dire qu’elle donne l’occasion au Canada de mettre de l’avant la protection d’une ressource unique, considérée comme un élément vital, un patrimoine national et une composante de l’identité canadienne, identité qu’il convient d’affirmer vis-à-vis de l’Autre états-unien en refusant que le Canada ne soit réduit, presque littéralement, au statut de porteur d’eau de son puissant voisin du sud.

L'eau douce est devenue un sujet de préoccupation majeur depuis la fin du XXe siècle, tant au niveau international qu'au niveau national. L'eau douce est une ressource rare et inégalement répartie dans la région méditerranéenne. La surexploitation des eaux de surface et des eaux souterraines ainsi que la dégradation de la qualité de l'eau sont également deux problèmes urgents pour cette région. Les pays méditerranéens ainsi que la communauté internationale se sont engagés dans la recherche d'une meilleure gestion de l'eau douce. Nombre d'études, de programmes et de coopérations internationales sont là pour en témoigner. Nous avons constaté que les engagements nationaux et internationaux existants ne répondaient que partiellement à ces problèmes urgents relatifs à l'eau douce. En tenant compte des situations particulières de la région, nous avons développé les perspectives d'une norme commune sur l'eau douce pour la région méditerranéenne. / Fresh water has become a major concern since the late twentieth century in both international and national level. Fresh water resources are scarce and spread unequally in the Mediterranean region. Overexploitation of surface water and groundwater, as well as degradation of water quality are two pressing issues for this region. Mediterranean countries and the international community have engaged in the search for a better management of fresh water. Lots of studies, programs and international cooperations are there to prove this. We found that the existing national and international undertake only partially these urgent problems related to freshwater. Taking account the particular circumstances of the region, we have developed the prospects for a common norm for fresh water to the Mediterranean region.

La protection de l'environnement est devenue un enjeu majeur. La photocatalyse hétérogène, technique photochimique d'oxydation avancée, présente l'avantage d'oxyder de très nombreux contaminants de l'eau. Le catalyseur le plus utilisé est le dioxyde de titane (TiO2) pour des raisons d'efficacité, stabilité et de faible coût de production. Notre objectif dans cette thèse est de mieux maîtriser les propriétés de surface des photocatalyseurs à partir de deux nouveaux concepts. Le premier est basé sur le contrôle du caractère hydrophile ou hydrophobe de la surface. Le second consiste à utiliser de l'argile comme support du catalyseur ou sous forme de matériau composite. Une première manière de contrôler la surface consiste à la modifier par greffage de différentes molécules organiques de type organosilanes telles que l'hexadecyltrichlorosilane (HTS, hydrophobe) et le N-(6-aminohexyl)-aminopropyl-triméthoxysilane (AHAPS, hydrophile). Une autre manière de contrôler la surface de titane consiste à l'immobiliser sur un support. Le support choisi est l'argile en raison de leur grand pouvoir d'adsorption et de rétention des polluants. La préparation du système s'effectuait en deux voies : la copréciptation et le sol gel. A la fin de chaque partie des tests photocatalytiques ont été faite pour évaluer l'efficacité du système préparé / Protecting the environment has become a major issue. The heterogeneous photocatalysis , photochemical advanced oxidation technology has the advantage of oxidizing many contaminants from water . The most commonly used catalyst is titanium dioxide (TiO2) for reasons of efficiency, stability and low cost of production. Our goal in this thesis is to better control the surface properties of the photocatalysts from two new concepts. The first is based on the control of the hydrophilic or hydrophobic character of the surface. The second is the use of clay as catalyst support or as a composite material. A first way is to control the surface to modify the graft of different organic molecules such as organosilanes such hexadecyltrichlorosilane ( HTS , hydrophobic ) and N- (6- aminohexyl ) aminopropyl - trimethoxysilane ( AHAPS , hydrophilic ) . Another way of controlling the surface of the titanium is immobilized on a support. The selected material is clay because of their large adsorption capacity and retention of pollutants. System preparation was carried out in two methods: the copreciptation and sol/gel. At the end of each part, a the photocatalytic tests were conducted to evaluate the effectiveness of the system developed

Ce travail de thèse a permis le développement d'un procédé de traitement de l'eau par couplage plasma/catalyse. Les traitements plasma ont été réalisés dans deux réacteurs différents : un réacteur pointe/plan et un réacteur dynamique. Ces deux réacteurs autorisent un contrôle de l'atmosphère gazeuse du traitement. La faisabilité de la dégradation d'acide acétique a été prouvée. Certains paramètres de traitement en réacteur pointe/plan (gaz de traitement, du débit gazeux et de la fréquence de la décharge) et dynamique (débit de recirculation de phase liquide, concentration du polluant et puissance injectée) ont été étudiés.Une modélisation du procédé en utilisant les logiciels Comsol Multiphysics et Scilab a été menée. Grâce à elle, la manière dont les espèces actives (essentiellement les radicaux hydroxyles) sont apportées à la solution a été mise en évidence.Une poudre de catalyseur de Co3O4 a été étudiée dans le but de coupler le traitement plasma avec un traitement catalytique. Pour cela, des manipulations d'ozonation catalytique ont été entreprises. Elles ont mis en exergue l'efficacité du catalyseur pour la décomposition de polluants.Finalement, le couplage plasma/catalyse a présenté des résultats encourageants, puisqu'une amélioration de la décomposition des polluants a été observée.Les points d'amélioration peuvent consister à optimiser la quantité et la forme des électrodes haute tension utilisées (électrodes en parallèle, de géométrie plane, etc.). Le dépôt de catalyseur en couche mince sur l'électrode de masse par la technique PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) devra être réalisé. / This work enabled the development of a method of water treatment by plasma/catalysis coupling.The plasma treatments were carried out in two different reactors: a point/plane reactor and a dynamic reactor.Both reactors allow to control the gas atmosphere of the treatment. The feasibility of the degradation of aceticacid has been proven. Some processing parameters in the point/plane reactor (treatment gas, gas flow rate andfrequency of discharge) and the dynamic reactor (liquid phase flow, concentration of the pollutant and injectedpower) were studied.A modeling of the process using Comsol Multiphysics and Scilab softwares was conducted. It was possible toobserve the importance of the way active species (mainly hydroxyl radicals) are brought to the solution.A Co3O4 powder catalyst was studied in order to couple the plasma treatment with a catalytic treatment. Thus,manipulations of catalytic ozonation were conducted. They highlighted the efficiency of the catalyst for thedecomposition of pollutants.Finally, the plasma/catalysis coupling produced promising results, since it improved the decomposition ofpollutants.Possible improvements of the process could be to maximize the amount of high voltage electrodes and toredesign their shape (electrodes in parallel, plane geometry, etc.). Depositing a thin layer of catalyst on thegrounded electrode by PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) technique has to be performed.

Les politiques de préservation de la biodiversité (Grenelle 1 et 2, trames vertes et bleues) et les politiques de gestion de l'eau et des milieux aquatiques (Directive cadre européenne sur l'eau, LEMA) enjoignent les collectivités de protéger et restaurer des corridors écologiques. Cependant, dans le cas de rivières fortement modifiées, comme c'est le cas des rivières périurbaines d'Ile-de-France, cette mesure fait l'objet de controverses quant à la faisabilité hydraulique des restaurations (risques d'assecs et d'inondations) et à leur intérêt en termes de qualité de l'eau. Les différents acteurs en charge de la gestion de ces rivières, mais également les scientifiques travaillant sur ces rivières (écologues, hydrologues, géographes,…) ne parviennent pas à construire une expertise partagée pour définir les conséquences, bénéfiques ou négatives, de cette restauration écologique.Nous avons fait l'hypothèse que les controverses autour de l'idée de restauration des cours d'eau, étaient en grande partie structurées par la mobilisation de différents types de connaissances et de représentations pour gérer ces cours d'eau. Il nous a dès lors semblé intéressant de mener, dans deux cas de figure très différents, deux démarches de concertation dans le but de favoriser une confrontation de ces expertises et représentations. Nous avons ensuite observé les effets produits par ces dispositifs sur la construction d'une expertise locale permettant une action collective en vue d'une restauration des continuités. Dans un cas, nous avons mené une démarche de « modélisation d'accompagnement » sur la rivière du Grand Morin, pour discuter de la restauration de la continuité longitudinale, en mêlant les expertises de chercheurs, d'élus, de représentants de l'Etat et de représentants d'usagers. Dans un second cas, nous avons mené une démarche de « jury citoyen » sur la vallée de l'Orge, visant à débattre de la restauration de la continuité latérale (trames vertes et bleues) avec des gestionnaires (syndicats, techniciens,…), des élus, des représentants d'associations et des citoyens. Ces arènes de concertation étaient des lieux privilégiés pour observer les échanges et les possibilités de co-construire des connaissances. Elles nous ont aussi permis d'étudier la mise en œuvre de la continuité écologique au niveau local en zone périurbaine, et d'étudier comment cette politique publique pouvait devenir l'objet d'une action collective entre tous les acteurs concernés. Nous avons choisi d'explorer les débats et les échanges entre les participants d'une manière dynamique, du point de vue des acteurs qui y participent, afin de voir comment se forge une action collective. Nous réalisons une comparaison entre les positions des participants avant et après les démarches de concertation. L'hybridation de savoirs permise par ces procédures produit des apprentissages chez les participants. Elle permet d'expliciter les valeurs et représentations qui sont derrière les connaissances de chacun. Ces démarches facilitent la construction d'une représentation commune du système. Elles permettent de débattre des incertitudes, de montrer ce qu'on ne sait pas, et donc de (re)poser des choix politiques face aux lacunes de connaissances techniques. Elles permettent d'approfondir la définition de la continuité écologique, et d'alterner des moments de politisation et dépolitisation de cet objet technique. Bien que ces procédures ne changent pas fondamentalement le cours de la décision publique, elles permettent un recadrage de la question, une forme de légitimation et d'appropriation de la continuité écologique. Elles permettent de construire une certaine confiance entre les participants, en changeant le collectif et la dynamique des débats. En ce sens on peut dire qu'elles facilitent l'action collective, en transformant un objet technique en objet socio-technique / Biodiversity preservation and water management policies (WFD, Grenelle 1 and 2) require local stakeholders to restore ecological corridors and natural functions of rivers and aquatic environments. Implementing this measure on semi-artificial rivers in the Ile-de-France region can be an issue. In this context, river managers use dams to regulate the water level and to prevent floods. Therefore, they are reluctant to remove them. We made the assumption that those controversies about ecological continuity were mostly due to the diversity of expertise and representation of nature management. Therefore, we conducted two participative procedures to discuss those types of expertise and representations, on two different rivers in the Ile-de-France region: the Morin River and the Orge River. We studied the effects of those procedures and their ability to create collective action in order to restore continuities. On the Morin River, a companion modeling process was conducted to debate about longitudinal ecological continuity, associating scientists, elected representatives and user representatives (kayakers, fishermen). Using a model, participants shared their knowledge and representations of the river, to build a compromise between different management options. On the Orge River, a citizen jury was conducted to debate about green and blue corridors, involving elected representatives, river managers and citizens. We observed and analyzed debates and knowledge sharing during those procedures. We studied how ecological continuity could be implemented in suburban areas and how it could become a collective action involving all stakeholders. We compared participants' positions before and after the debates. Sharing expertise through those procedures led the participants to learn about the river, its functioning and about others. It helped elucidating values and representation of each participant, facilitating the common understanding of their position. A common representation of the system was built and uncertainties were debated. Therefore, the technical subject of ecological continuity became more explicit and more political. Those procedures didn't have a direct impact on political and management decisions. However, they facilitated the appropriation and legitimation of the concept of ecological continuity. We observed more trust between participants and the collective dynamics of discussions was improved. Therefore, to a certain extent, these procedures changed a technical concept for a socio-technical object, and turned this public policy into a collective action

Avec le changement climatique, l'agriculture va devoir s'adapter à des sécheresses de plus en plus fréquentes et sévères. C'est le secteur le plus consommateur d'eau et celui à qui le plus d'efforts dans la réduction des prélèvements va être demandé. Les mécanismes d'allocation de l'eau existants (prix, marché, dispositifs de rationnement...) négligent souvent la forte variabilité de la disponibilité de la ressource. Or, la façon dont est partagée l'eau en cas de rareté influence le risque subi par les agriculteurs. Afin de réduire le coûts pour les agriculteurs et la société du risque sécheresse, il convient d'améliorer les outils de partage de l'eau et d'y intégrer des mécanismes de gestion du risque. C'est la question qui est étudiée dans cette thèse. Cette réflexion a été menée dans deux contextes très différents: la France, où le partage de l'eau est administré par les représentants de l'État en cas de sécheresse; l'Australie où des systèmes de marchés de l'eau ont été mis en place pour permettre les échanges d'eau entre agriculteurs. La thèse est composée de 3 articles (chapitres 2,3 et 5 en anglais) et d'éléments de cadrage (chapitres 1 et 4 en français). Le chapitre 1 présente la gestion de l'eau agricole en France. Les chapitres 2 et 3 étudient les interactions entre les règles utilisées pour le rationnement de l'eau d'irrigation en cas de sécheresse en France et les stratégies d'auto-assurance des agriculteurs. Nous étudions notamment le cas du stockage d'eau au niveau de l'exploitation, outil de gestion du risque de plus en plus mobilisé par les agriculteurs français. Le chapitre 2 modélise une situation où des agents ont la possibilité de substituer l'usage d'une ressource coûteuse mais sécurisée à l'usage de la ressource commune risquée. Nous déterminons la règle de partage optimale sous deux hypothèses distinctes: i) le planificateur définit simultanément la règle de partage et les choix de diversifications de façon à maximiser le bien être social; ii) le décideur utilise la règle de partage comme un instrument incitant les usagers à faire des choix de diversification optimaux d'un point de vue social. Le chapitre 3 est une expérience de laboratoire visant à comparer différentes règles de partage d'une ressource commune de taille incertaine quand les sujets peuvent choisir entre l'utilisation de cette ressource commune ou l'investissement dans une ressource sécurisée. Les règles sont évaluées sur leur aptitude à faciliter la coordination des agents autour du niveau optimal d'investissement dans la ressource sécurisée. La discussion des résultats de ces deux articles permet de proposer des recommandations aux administrations en charge de la mise en place des règles de partage de la ressource en cas de sécheresse, notamment dans le cadre de la réforme en cours en France (création des Organismes Uniques). Le chapitre 4 présente le fonctionnement des marchés de l'eau et le système de gestion des sécheresses en Australie. Le chapitre 5 étudie les gains de la mise en place de droits d'eau avec différents niveaux de sécurité, à l'aide d'une expérience de laboratoire capturant l'essence des marchés de l'eau australiens. Nous trouvons qu'un système avec deux niveaux de sécurité améliore l'efficacité allocative et le partage du risque mais seulement quand les coûts de transaction sont plus élevés sur le marché des allocations que sur le marché des droits d'eau. La mise en place de droits différenciés peut conduire à une diminution de la coût-efficacité du mécanisme en raison de l'augmentation des échanges sur le marché des droits d'eau et donc des coûts de transaction payés par les agriculteurs quand ceux-ci sont élevés sur le marché des droits. / With climate change, agriculture will have to adapt to face increasingly frequent and more severe droughts. Agriculture is the largest consumer of water and will face most of the water restrictions in the coming years. Existing water allocation mechanisms (pricing, water markets, rationing scheme) often fail to take into account the high variability of the resource, whereas those mechanisms have strong impacts on the risk born by agricultural water users. Water allocation schemes can contribute to reduce the cost of drought risk for farmers and society by integrating risk management mechanisms. We address this question in two different contexts: France, where water is managed by public authorities that are responsible for the rationing scheme and define the allocation of water between farmers in case of scarcity; Australia, where water markets have been implemented in order to allow water transfers between farmers. This Ph.D. dissertation is composed of 3 articles (chapter 2, 3 and 5 in English) and background information (chapter 1 and 4 in French). Chapter 1 describes the organization of irrigation water allocation in France. Chapters 2 and 3 analyze the interactions between the restrictions rules used in France to share the resource in crisis times and the self-insurance strategies of farmers. We investigate the particular example of on-farm storage, an increasingly widespread risk management tool used by French farmers. Chapter 2 models the decisions of agents heterogeneous in their risk tolerance that can substitute the use of a a secure private alternative to the use of a common pool resource of uncertain size. We find the optimal sharing rule under two assumptions concerning the regulator: i) the social planner defines simultaneously the sharing rule and the diversification choices in order to maximize social welfare; ii) the policy maker uses the sharing rule as an instrument to induce each agent to make the optimal diversification decision. Chapter 3 uses laboratory experiment to analyze how the sharing rule impacts the individual trade-off between relying on a free but uncertain resource and investing in a secure alternative resource. Rules are compared on the basis of their ability to facilitate coordination on the optimal investment in the secure resource. Chapter 4 presents how irrigation water is allocated between users in Australia in case of drought. Chapter 5 studies with a laboratory experiment, designed such as capturing the main characteristics of Australian water markets, whether offering different levels of security for water rights could potentially allow water users to manage the risks of supply uncertainty better. We find that a two security levels system improves both allocative efficiency and risk management, but only when transactions costs are higher in the market for water allocation than in the market for water rights. A system with different levels of security for water rights can be detrimental to cost-effectiveness by increasing the number of costly trades on the water rights market.

L’agriculture intensive qui caractérise le bassin de la Seine depuis une cinquantaine d’années est basée sur la généralisation de l’usage des engrais de synthèse et des pesticides et la rupture de la complémentarité culture-élevage. Ce mode d’agriculture compromet aujourd’hui gravement la qualité des eaux souterraines et de surface, notamment par la contamination nitrique. La mise en œuvre d’alternatives qui permettraient de concilier production agricole et respect de la qualité de l’eau se heurte à beaucoup d’entraves, de nature techniques et sociales. Sur le plan technique, le manque de données de références et d’indicateurs rigoureux permettant d’évaluer les performances agronomiques et environnementales de systèmes agricoles alternatifs, est un frein majeur. Le premier objectif de cette thèse est donc de développer un cadre conceptuel solide pour évaluer ces performances en termes de capacité productive et de risque de lixiviation nitrique, à travers le bilan d’azote des sols. Nous avons tout d’abord établi, sur base d’une méta-analyse des données de la littérature, des relations robustes pour l’estimation de la quantité d’azote fixée par les légumineuses qui jouent un rôle essentiel dans la fertilisation des systèmes d’agriculture biologique. Nous avons alors pu étudier la relation fertilisation/rendement/surplus des systèmes agricoles, d’une part pour établir leurs trajectoires d’évolution dans 124 pays au cours des 50 dernières années à travers les données de la FAO, d’autre part pour comparer les performances agro-environnementales des principales rotations biologiques rencontrées dans le bassin de la Seine avec celles des rotations pratiquées en agriculture conventionnelle raisonnée. Nous avons enfin établi sur une base empirique la relation qui existe entre surplus, lixiviation et concentration des eaux de drainage sous terres arables et prairies permanentes. Nous montrons dans une seconde partie comment le cadre conceptuel d’analyse technique ainsi développé peut être utilement appliqué dans des territoires particuliers pour éclairer et orienter des logiques d’acteurs et crédibiliser certaines alternatives qui puissent nourrir une nécessaire transition vers des agrosystèmes plus durables. Une analyse détaillée de la situation des captages de la Plaine du Saulce, qui alimentent la ville d’Auxerre, et celle du champ captant de Flins-Aubergenville, qui fournit en eau potable l’Ouest parisien, est ainsi présentée. Des scénarios alternatifs, allant au-delà des simples aménagements de pratiques, sont proposés, en tenant compte du contexte géographique et hydrogéologique propre à chaque cas d’étude. / The intensive agriculture characterizing the Seine watershed since half a century is based on the generalization of the use of synthetic fertilizers and pesticides and by the rupture of the connection between crop and livestock systems. This system is nowadays compromising ground- and surface water quality, namely through nitrate contamination which mostly originates from agricultural losses. The implementation of technically proven and socially acceptable alternatives, allowing reconciling agricultural production and water quality preservation, encounters lots of obstructions of technical and social nature. From a technical point of view, sound reference data and rigorous indicators are lacking to assess the agronomical and environmental performance of alternative agro-systems. The first objective of this thesis is therefore to develop a sound conceptual framework to evaluate the productive capacity and the risk of nitrate lixiviation of agro-systems, through an improved version of the nitrogen soil surface balance. We first developed, based on a meta-analysis of the literature, robust relations to determine symbiotic nitrogen fixation by grain and forage legumes crops, which plays a central role in organic farming systems. We then could establish the relationship between total N fertilization, harvested yield and surplus of agro-systems, in order (i) to draw the trajectories of 124 countries over 50 years based on FAO data, and (ii) to compare the performance of the main organic crop rotations of the Seine basin and those of the conventional ‘reasoned’ agriculture. Finally, we established an empirical relationship linking N surplus, lixiviation and nitrate concentration in drainage water for arable land and permanent grassland. We show in a second part of this thesis how this conceptual framework of analysis can be useful in particular territories to highlight and guide stakeholder action, as well as to make more credible some alternatives which can feed the necessary transition toward more sustainable agro-systems. We analyze the situation of the drinking water abstraction areas of La Plaine du Saulce, supplying the city of Auxerre (Burgundy) as well as that of Flins-Aubergenville, supplying the western part of Paris agglomeration. We elaborate alternative scenarios for these regions, going much farther than the mere improvement of agricultural practices, and taking into account the peculiar geographical and hydro-geological context of each study case.

L'interaction de particules énergétiques avec les résultats de l'eau dans l'excitation et l'ionisation des molécules d'eau. Le processus d'ionisation se rapporte à la génération de l'excès d'électrons détachés de leurs molécules parentes et laissant derrière le trou positive (notée H₂O•⁺). Cela se produit sur le calendrier d'une transition électronique ~ 10⁻¹⁵s. Les processus chimiques plus anciens de H₂O•⁺ et l'excès d'électrons vers autre question suivie de l'eau en vrac ionisants restent encore peu par rapport connu et constitue un sujet difficile dans la chimie de rayonnement. Dans ma thèse, les techniques de radiolyse d'impulsions picoseconde ont été utilisés pour observer la cinétique de la SO₄•⁻, H₂PO₄• dans de l'acide sulfurique très concentré et solutions d'acide phosphorique sur une large gamme de concentrations (de 1 mol L⁻¹ à l'acide pur). Les résultats expérimentaux montrent clairement que le radical secondaire de sulfurique (SO₄•⁻) et de l'acide phosphorique (H₂PO₄•) peuvent être formés par l'intermédiaire de deux mécanismes : détachement d'électrons direct par l'impulsion d'électrons (7 ps) et le transfert d'électrons ultra-rapide des solutés au radical cation de l'eau H₂O•⁺. La réactivité des espèces oxydantes fortes, H₂O•⁺ vers les solutés dans des solutions aqueuses très concentrées est quantitativement démontré. / The interaction of energetic particles with water results in the excitation and ionization of water molecules. The ionization process refers to the generation of the excess electrons detached from their parent molecules and leaving behind the positive hole (denoted as H₂O•⁺). This occurs on the timescale of an electronic transition ~10⁻¹⁵ s. The earliest chemical processes of H₂O•⁺ and excess electron towards other matter followed water ionizing in bulk still remain relative little known and constitute a challenging subject in radiation chemistry. In my thesis, picosecond pulse radiolysis techniques were used to observe the kinetics of the SO₄•⁻, H₂PO₄• in highly concentrated sulfuric acid and phosphoric acid solutions over a large range of concentrations (from 1 mol L⁻¹ to neat acid). The experimental results showed clearly that the secondary radical of sulfuric (SO₄•⁻) and phosphoric acid (H₂PO₄•) can be formed via two mechanisms: direct electron detachment by the electron pulse (7 ps) and ultrafast electron transfer from the solutes to the radical cation of water H₂O•⁺. The reactivity of the strongest oxidizing species, H₂O•⁺ towards the solutes in highly concentrated aqueous solutions is quantitatively demonstrated.