La pollution atmosphérique en milieu urbain est un problème préoccupant car une fraction croissante de la population mondiale vit dans les villes. Les effets de la pollution se manifestent également sur la végétation urbaine et sur notre patrimoine architectural, de sorte que c'est la qualité de la vie de l'ensemble des habitants des métropoles de la planète qui est en jeu. Il est indispensable de connaître la composition des atmosphères urbaines et de comprendre les mécanismes qui régissent cette composition pour évaluer les conséquences de la pollution, définir les exigences de réduction des émissions et établir des scénarios des tendances futures.<p><p>L'objectif du présent travail est de déterminer la composition chimique, les propriétés et le comportement des particules et des dépôts humides en Région bruxelloise. On a distingué les aérosols atmosphériques, les brouillards, les rosées (ou givres) récoltés à la fois sur les végétaux et sur un collecteur inerte, les pluies et les dépôts totaux (formés des pluies et des dépôts secs accumulés dans l'entonnoir de collecte en l'absence de pluie). Ce vaste objectif a été réalisé grâce à la collecte de nombreux échantillons sur une échelle de temps suffisante en différents endroits de la capitale, et à l'analyse de ces échantillons par des techniques variées et complémentaires (techniques classiques d'analyse d'échantillons liquides telles que spectrométrie d'absorption et d'émission atomique, chromatographie liquide, colorimétrie, ainsi que microscopie électronique et fluorescence des rayons-X). Trois collecteurs (pour le brouillard, la pluie et la rosée) ont été entièrement conçus et réalisés au laboratoire dans le cadre de ce travail. Les éléments suivants sont analysés: NO3, SO4, NH4, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb.<p><p>Afin de comprendre les causes de la variabilité spatio-temporelle des concentrations, l'influence de paramètres tels que la saison, la direction du vent, et le lieu de prélèvement a été examinée. De plus, dans le cas des pluies et des brouillards, l'étude de l'évolution des concentrations au cours d'un même épisode a permis d'investiguer les processus physico-chimiques qui contrôlent le dépôt humide. Elle a permis d'acquérir une meilleure connaissance des mécanismes d'incorporation des aérosols dans la phase aqueuse et du phénomène de lessivage de l'atmosphère. Tout au long de ce travail, les interactions entre la phase particulaire (aérosols) et les phases liquides (brouillards, rosées, pluies) ont été examinées. Une relation entre les concentrations en éléments dissous et le volume d'eau de l'échantillon a été établie dans le cas des pluies, des rosées et des brouillards. Cette relation traduit un effet de dilution et démontre l'importance du mécanisme de condensation-évaporation des gouttes d'eau. L'importance du phénomène de nucléation des sulfates, nitrates et chlorures d'ammonium constitutifs de la fraction fine de l'aérosol soluble a été démontrée. Ces sels d'ammonium sont formés secondairement par des réactions de conversion gaz-particules. L'abondance des ions ammonium, et l'importance de leur action de neutralisation de l'acidité, constituent une particularité de l'atmosphère bruxelloise.<p>L'identification des sources de particules et d'éléments en relation avec leurs propriétés chimiques et granulométriques a été réalisée en utilisant divers outils statistiques (corrélations entre éléments, analyse factorielle) et géochimiques (rapports de concentration, facteurs d'enrichissement, granulométrie). Les apports d'origine marine, continentale, biologique et anthropique (trafic, incinération des déchets, processus de combustion) ont ainsi été clairement mis en évidence dans l'aérosol et le brouillard bruxellois.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse a pour objectif de construire une méthodologie pour l'utilisation en prévision des crues d'un modèle pluie-débit conceptuel. Le modèle retenu pour cette étude est le modèle GR3J. Le premier problème a été de vérifier que le modèle GR3J peut être appliqué à un pas de temps nettement plus court que 24 heures. Ensuite on a analysé les paramètres: surface de réponse, sensibilité et variabilité. Ces analyses ont suggéré une méthodologie pour la prévision des crues que l'on peut caractériser par: 1) ajustement rétroactif des paramètres avec raccordement au fonctionnement en continu du modèle, 2) fonction objectif d'ajustement comportant les deux dernières erreurs et les déviations des paramètres et 3) ajustement conjoint des paramètres et des niveaux des réservoirs pour garantir la continuité des débits. Cette méthodologie a été illustrée sur deux bassins versants expérimentaux français.

Les particules d’aérosol sont une composante essentielle de l’atmosphère, et cette importance s’amplifie lors d’une éventuelle libération dans l’atmosphère de matières radioactives sous forme particulaire. En effet, pour améliorer la connaissance autour de la contamination des sols consécutive à une émission de particules, il est important d’étudier le rabattement des particules par la pluie sous le nuage. Dans ce but, des expériences sont menées à l’échelle microphysique (expérience BERGAME) pour quantifier l’efficacité des gouttes de pluie à collecter les particules. Ceci permet au final d’améliorer la modélisation du lessivage des aérosols atmosphériques par la pluie à méso-échelle. Le modèle utilisé est DESCAM qui décrit de manière détaillée les distributions granulométriques en masse et en nombre des particules pour chaque type d’aérosol et des hydrométéores et calcule leur évolution due aux processus microphysiques nuageux. L’expérience BERGAME a été dimensionnée et construite pour mesurer l’efficacité de collecte car les mesures de ce paramètre se sont avérées en désaccord avec les modèles classiques de la littérature pour les gouttes de pluie d’un diamètre supérieur au millimètre. Un montage optique a été imaginé pour tenter de comprendre quels mécanismes de collecte sont négligés dans les modèles standards. Un nouveau modèle d’efficacité de collecte pour les gouttes d’un diamètre de 2 mm est alors proposé prenant en compte pour les grosses gouttes une recirculation turbulente dans le sillage de la goutte capable d’augmenter de façon importante la capture des petites particules. Les nouvelles efficacités de collecte ainsi mesurées et paramétrées sont ajoutées au modèle de nuage DESCAM. Des modifications significatives sur la modélisation du lessivage par DESCAM sont observées, ouvrant ainsi la voie à une amélioration de la modélisation de la contamination des sols par les modèles de dispersion atmosphérique. / Aerosol particles are an important component of the atmosphere and are of great concern in the case of an accidental release of radioactive particles. To better understand ground contamination due to a particle release in the vicinity of an accident, it is important to study the particle scavenging associated with rain. To achieve this objective during this thesis, an experiment at the microphysical scale (BERGAME experiment) was developed and the modelling of the washout was improved at mesoscale. The model used was DESCAM : a microphysics model that describes the bin size distributions for aerosol particles and hydrometeors and calculates their evolution due to microphysical cloud processes. The BERGAME experiment was designed and built to measure the collection efficiencies which disagree with theoretical calculation. Using an optical method, it was shown that those discrepancies were due to rear capture. A new model of collection efficiencies for the 2 mm drops was proposed that takes into account for big raindrops the turbulent circulation occurring downstream increasing significantly the capture of small particles. The corrected collection efficiencies were implemented in the DESCAM model. By this way, significant modifications of the modelling were observed and studied. This is an important step toward an accurate modelling of the ground contamination in atmospheric dispersion models.

L’objectif de cette thèse est de proposer un modèle d’érosion diffuse qui intègre les principaux processus de ce phénomène (détachement, transport, sédimentation) et qui prend en compte l’interaction des gouttes de pluie avec ces processus. Dans un premier temps, nous avons établi une loi de détachement par la pluie qui inclut l’effet des gouttes et celui de l’épaisseur de la lame d’eau qui couvre la surface du sol. Pour obtenir cette loi, une étude numérique avec le logiciel Gerris a permis de modéliser les cisaillements créés par l’impact des gouttes sur des épaisseurs de lame d’eau variables. Ces cisaillements estiment la quantité de sol détaché par chaque goutte. Nous avons montré, à travers une étude probabiliste, que les gouttes sont quasiment indépendantes lors du détachement. Les détachements de l’ensemble des gouttes sont donc sommés pour établir la loi de détachement pour la pluie. Par ailleurs, l’étude probabiliste a montré la possibilité d’une forte interaction entre les gouttes de pluie et les particules en sédimentation. Par conséquent, pour le processus de transport-sédimentation, nous avons privilégié une approche expérimentale. Cette étude a révélé que l’effet des gouttes de pluie est d’augmenter la vitesse de sédimentation des particules. Enfin, nous avons proposé un nouveau modèle d’érosion qui généralise plusieurs modèles d’érosion de la littérature et décrit l’évolution des concentrations en sédiments avec des effets linéaires et non-linéaires. Selon le choix des paramètres du modèle, celui-ci peut représenter l’érosion diffuse et concentrée à l’échelle du bassin versant, le transport par charriage dans les rivières ou encore le transport chimique. L’intégration du modèle dans le logiciel de ruissellement FullSWOF est aussi réalisée. / The aim of this work is to formulate an interrill erosion model. This model should take into account the main erosion processes (detachment, transport and sedimentation) and the interaction of raindrops during these processes. First we develop a law for rainfall detachment that includes the effects of the raindrops and the water layer thickness at the soil surface. We use the Gerris software to simulate the shear stresses created by the impacts of raindrops at the soil surface. These shear stresses allow to evaluate the quantity of soil detached by each raindrop. We have shown with a probabilistic approach that raindrops are almost independent during soil detachment. Then by summing all the raindrops detachments we obtain the rainfall detachment law. Futhermore the probabilistic study has revealed the possibility of a strong interaction between raindrops and settling particles. So, we used specific laboratory experiments to investigate the particles transport and sedimentation processes. These experiments show that the effect of raindrops is to increase the particles settling velocity. Finally, we propose a new erosion model which encompasses previous literature erosion models and that can describe the behavior of sediments concentrations with linear and non-linear behaviors. The model is able to simulate interrill and rill erosions at the watershed scale, bedload transport in rivers and chemical transfer. The integration of the model in the FullSWOF runoff software is also carried out.

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

Les modèles hydrauliques sont couramment utilisés pour l'aménagement des rivières et la prévention des dommages liés aux inondations. Ces modèles calculent les hauteurs d'eau et débits sur un tronçon de rivière à partir de sa géométrie et des conditions aux limites du système: débit à l'amont du tronçon, débits d'apports latéraux provenant du bassin intermédiaire et hauteurs d'eau à l'aval. Lorsque le tronçon est long, les apports latéraux deviennent conséquents tout en demeurant rarement mesurés car provenant d'affluents secondaires. L'évaluation de ces apports constitue alors une étape essentielle dans la simulation des crues sous peine de fortes sous ou surestimations des variables hydrauliques. Cette thèse a pour objectif principal d'identifier une méthode de complexité minimale permettant de reconstituer ces apports. Nos travaux s'appuient sur un échantillon de 50 tronçons de rivière situés en France et aux Etats-Unis sur lesquels les apports latéraux ont été estimés à l'aide d'un modèle hydrologique semi-distribué connecté avec un modèle hydraulique simplifié. <br /><br />Une méthode automatisée de découpage du bassin intermédiaire en sous-bassins a d'abord été élaborée afin de faciliter la construction du modèle hydrologique sur les 50 tronçons de rivière. Des tests de sensibilité ont été menés sur le nombre de sous-bassins, la nature uniforme ou distribuée des entrées de pluie et des paramètres du modèle hydrologique. Une configuration à 4 sous-bassins présentant des pluies et des paramètres uniformes s'est avérée la plus performante sur l'ensemble de l'échantillon.<br /><br />Enfin, une méthode alternative de calcul des apports latéraux a été proposée utilisant une transposition du débit mesuré à l'amont et une combinaison avec le modèle hydrologique.

L'intensité pluvieuse est une information essentielle en hydrologie, notamment pour les bassins versants situés en zone urbaine ou montagneuse. Il est donc nécessaire de disposer, sur ces bassins, d'estimations fiables des précipitations ainsi que de prévisions de la pluie à très courte échéance. Le radar météorologique constitue une solution à ces besoins. Toutefois les radars existants aujourd'hui ne sont pas totalement adaptés à toutes les applications hydrologiques en terme de souplesse d'utilisation et de résolution spatiale et temporelle. L'utilisation de radars de configuration légère en bande X, est envisagée pour les besoins de l'hydrologie urbaine. Les conditions d'utilisation de tels radars sont à définir. Ces études proposent d'évaluer l'intérêt de l'information radar volumique et Doppler pour la prévision des précipitations à très courte échéance. La première partie de la thèse s'intéresse à la mesure du VIL par radar. Elle présente également une méthode de restitution du champ de vitesse horizontale tirant parti de la mesure Doppler. La deuxième partie de la thèse concerne la formulation et l'évaluation d'une méthode de prévision de la pluie à très courte échéance reposant sur le VIL. Cette méthode est d'abord testée à l'aide de données radar simulées afin de mettre en évidence l'intérêt des données volumiques indépendamment des erreurs de mesure. Une étude de cas réel a été ensuite menée sur des événements pluvieux de la période spéciale d'observation de MAP (Mesoscale Alpine Programme).

L'objectif de ce travail est une conlribution à l'analyse des processus de formation des crues sur un bassin méditerranéen à l'occasion des épisodes pluvieux. Nous avons essayé de comprendre les caractéristiques hydrologiques d'un bassin par une démarche mécaniste. Pour cela, nous avons étudié la part, dans le débit de la rivière pendant les crues, du débit provenant d'un écou!ement soit par ruissellement généralisé, soit souterrain ou de subsurface, soit sur zones saturées contributives. Le bassin versant a été schématisé comme la succession de deux unités hydrologiques: le versant et le réseau hydrographique. Ainsi, la première partie de ce mémoire est consacrée à l'analyse mécaniste des apports à la riuvière à l'échelle du versant. Pour chaque processus, une étude expérimentale a été menée afin d'étudier les lois qui régissent ces écoulement. Nous avons montré. que les écoulements en surface ne suivent pas une loi d'écoulement plan turbulent Les écoulements en litière, immédiatement sous la surface du sol, suivent une loi de Manning. Enfin, les écoulements de subsurface suivent une lol de Darcy. A l'échelle du versant, la modélisation des écoulements avec les lois mesurées ne les entretient jamais assez longtemps pour expliquer les hydrogrammes de bassin. La seconde partie de ce mémoire consiste en une modélisation à l'échelle du bassin des écoulements dans le cas des trois processus de formation des crues. Cette modélisation a cherché à reproduire les hydrogrammes du bassin. On montre que lorsque le bassin est sec, les écoulements proviennent principalement du ruissellement généralisé. Lorsque le bassin est plus humide, les pluies mettent d'abord en activité des écoulements souterrains et de subsurface, puis si les pluies sont importantes, le mécanisme d'écoulement sur surfaces saturées contributives devient prépondérant

Les conditions atmosphériques dégradées telles que la pluie et le brouillard altèrent temporairement les conditions de conduite. Sur le réseau secondaire, la sur-accidentologie observée dans ces conditions témoigne d'une mauvaise adaptation de la conduite et en particulier de la vitesse. Nous proposons une méthodologie permettant d'estimer une vitesse de référence le long d'un trajet ainsi qu'une méthode fondée sur l'étude du risque routier pour moduler la vitesse en conditions d'adhérence et de visibilité dégradées. Notre estimation du risque routier s'appuie sur la réalisation de scénarios, extraits de l'accidentologie, à l'aide d'un modèle d'interactions véhicule-infrastructure-conducteur. Nous prenons en compte des caractéristiques statiques propres à l'infrastructure et à son environnement et les conditions météorologiques estimées en temps réel dans l'environnement direct du véhicule. Nous montrons qu'il existe des outils permettant d'alimenter les modèles en caractéristiques statiques. Enfin, nous présentons les méthodes fondées sur l'utilisation d'une caméra embarquée permettant de détecter et de caractériser en ligne les conditions atmosphériques dégradées. Nous détaillons en particulier notre contribution au travers d'une méthode de détection et de caractérisation du brouillard de nuit. Celle-ci est constituée d'un système dual s'appuyant sur la détection des halos autour des sources de lumière et sur la détection du voile de rétrodiffusion des phares du véhicule. Nous proposons finalement une méthode statique par caméra permettant de calibrer le système en conditions écologiques.

L'importance de i'état initial des bassins versants, et surtout de l'état hydrique du sol, dans la formation des débits est reconnue depuis longtemps. La connaissance précise de cet état hydrique et de sa prise en compte dans la modélisation Pluie-Débit reste cependant un des problèmes actuels de l'hydrologie. Aux mesures in situ, trop ponctuelles et difficilement généralisables. viennent s'ajouter de nouvelles techniques de télédétection pouvant fournir une information "tout temps" et spatialisée de l'état de surface des bassins versants. L'objectif de cette thèse est de mettre au point un modèle hydrologique conceptuel Pluie-Débit, capable de prendre en compte l'état hydrique des sols. Deux outils de base ont été utilisés : - Le modèle conceptuel GR3J (puis GR4J) pour la simulation des débits. - Le modèle physique bi-couches inspiré du "Schéma de De ardorjf pour le suivi de l'humidité des deux couches de sol, superficielle et racinaire. De nombreux schémas de couplage ont été testés en s'appuyant sur les données du BVRE de l'Orgeval, où existent des séries de données de pluie, de débit et d'humidité du sol. Le modèle retenu, "GRHUM", a une fonction de production dérivée du schéma de Deardorff et a conservé la fonction de transfert de GR4J. C'est un modèle à six paramètres, simulant les débits journaliers et l'humidité de deux couches de sol. Le modèle a été validé sur le BVRE de Naizin et sur 35 autres bassins versants situés en Bretagne. Les résultats obtenus montrent les bonnes aptitudes du modèle à simuler ¡es débits et l'humidité de la couche de sol racmaire. La prise en compte de l'occupation réelle du sol. à partir de cartes de cultures et accessible par télédétection, améliore la simulation des humidités de surface. Le fonctionnement de ce modèle peut être réalisé en deux modes : "simulation " lorsque les données d'humidité du sol ne sont pas disponibles et "assimilation" lorsque ces données sont présentes. Le modèle "GRHUM" ouvre des perspectives nouvelles pour l'utilisation de l'état hydrique du sol détermine à partir de données satellitaires (radar. IRT") dans la prévision des débits.