Les départements franciliens de la Seine-Saint-Denis et du Val-de-Marne sont exposés au risque d'inondation pluviale urbaine. Ce risque pourrait s'aggraver en raison du changement climatique. Cette thèse propose une lecture sociologique et politique du risque d'inondation pluviale et du changement climatique afin de définir les spécificités des systèmes territoriaux de gestion du risque et le programme politique de l'adaptation au changement climatique. À partir de l'analyse des différents instruments politiques utilisés pour organiser la gestion du risque pluvial et l'adaptation au changement climatique, complétée par des entretiens réalisés avec les professionnels de la gestion urbaine de l'eau et de l’assainissement, les élus locaux et les habitants des zones inondables, cette étude propose de décrire et d'expliquer les pratiques organisées localement pour gérer le risque ainsi que leurs évolutions. Les évolutions à l'œuvre sur les territoires ne correspondent que partiellement à celles promues par la politique d'adaptation au climatique. Elles sont encadrées et contraintes par les ressources et les stratégies politiques des acteurs locaux. Ce travail met en exergue la dimension politique du programme de l'adaptation et des évolutions à l'œuvre au sein des collectivités locales en matière de gestion des risques. Il insiste sur les concepts d'énoncés politiques et d'interactions stratégiques pour étudier les politiques des risques / In Seine-Saint-Denis and Val-de-Marne (France) several cities are exposed to pluvial flooding. This situation could worsen with climate change. This research develops a social and political perspective of pluvial flooding and climate change risks, in order to define the specificities of local systems which manage pluvial flooding and the contents of the adaptation policy. From the analysis of different policy instruments used to organize pluvial flooding management and climate change adaptation, as well as interviews with urban water management professionals, local officials elected, and citizens who are living in floodable areas, this study describes the local practices and their evolutions. The current evolutions in local practices correspond only partially to those promoted by the climate change policy. The evolutions of risks management practices also depend on resources and political strategies of local stake holders. This work highlights the political program of climate change adaptation and the evolutions in risk management at the local scale. It emphasizes the concepts of policy statements and strategic interactions as keys to analyse risks policies

Les travaux décrits dans le présent rapport concernent l’étude d’un ouvrage de traitement en ligne des eaux pluviales issues d’un bassin versant fortement urbanisé. L’ouvrage Charles Keller, d’une capacité de 7000 m3, est conçu pour traiter les eaux pluviales issues du bassin versant de Boudonville, situé dans la Communauté Urbaine du Grand Nancy. L’ouvrage est installé à l’exutoire de bassin versant en aval d’autres ouvrages de stockage temporaires. Les eaux traitées par l’ouvrage Charles Keller sont ensuite renvoyées vers la Meurthe et les boues produites sont traitées au niveau de la station d’épuration du Grand Nancy à Maxéville. La stratégie adoptée dans ce travail a permis de d’aborder l’ouvrage sous plusieurs angles : 1) d’abord l’étude de l’ouvrage seul en se focalisant sur l’ensemble de ses composantes unitaires (dessableurs, chambre d’injection des réactifs, réacteurs et décanteurs) ; 2) la partie physico-chimique (non opérationnelle jusqu’à présent) a fait l’objet de plusieurs compagnes d’analyse à travers les essais en Jar test effectués au laboratoire sur des eaux issues du bassin versant de Boudonville dont les caractéristiques couvrent toute la gamme que l’ouvrage Charles Keller peut traiter ; 3) ensuite l’ouvrage a été resitué dans l’ensemble du système de gestion des eaux pluviales (bassin versant - ouvrage Charles Keller - station d’épuration) et son fonctionnement simulé. Plusieurs configurations ont été testées pour reproduire les conditions réelles de fonctionnement de l’ouvrage. Les résultats obtenus ont montré d’abord la complexité de faire fonctionner dans la pratique un tel ouvrage, notamment avec sa partie coagulation/floculation mais a fait également ressortir des défauts de conception. / An online urban storm-water treatment system has been studied in this work. This system is able to treat the runoff from a highly impervious watershed (Boudonville) in Greater Nancy (North-East of France). It has a capacity of 7000 cubic meters. Some storage tanks are existing in the watershed. The treated water is discharged into the Meurthe River, while the sludge is treated in the Greater Nancy wastewater treatment plant in Maxéville.The strategy adopted in this work allowed for the consideration of the treat ment system from several angles:• first of all, the system is analyzed through its elementary components (sand removal unit, reagents injection and reactors for flocculation-coagulation and clarifiers): this has been done by observing the variations in water quality at the different treatment levels with online instrumentation. This has been completed with an offline characterization.• the flocculation-coagulation section, which was not yet operational during our work, was studied in the laboratory by jar tests. The water to be treated was sampled from the Boudonville watershed to be close to the conditions that should be observed in the Charles Keller treatment system.• finally the stormwater treatment was simulated as part of a full storm-water management system (watershed-Charles Keller treatment system-wastewater treatment plant).• The results that were obtained showed in the one hand the complexity of using such a treatment system in real-life conditions, especially with a coagulation / flocculation part to it, which has some conceptual issues.

Malgré la présence d’un sol et de plantes, l’impact des toitures végétalisées sur la qualité des eaux est mitigé, celles-ci n’étant pas conçues pour retenir les polluants. Afin d’améliorer cette fonction, il est important de mieux comprendre les flux de polluants dans ces structures. Dédiée aux métaux, cette thèse est basée sur deux étapes : - le suivi de six toitures végétalisées construites en 2010 (Nancy), via des prélèvements d’eaux de pluie et toitures, plantes et matériaux. - Une caractérisation en laboratoire des matériaux via des observations à l’échelle miscroscopique, des essais de sorption et lixiviation. Les caractéristiques des matériaux sont globalement favorables au stockage de métaux mais plusieurs en émettent également par lessivage de particules fines ou lixiviation d’ions. Même si elles n’ont pas de capacité de stockage particulière, les plantes peuvent avoir un impact direct et indirect sur la rétention des métaux. Des suggestions techniques sont tirées de ces résultats / Despite the presence of a soil and plants, green roof impact on water quality has proven to be mixed, mainly because there are not designed to purify rainwater. To make suggestions for green roofs suitable for water treatment, it is important to better understand pollutant fluxes in these structures. Dedicated to metals, this thesis is based on two complementary steps : - the study of six green roofs built in 2010 (Nancy, France), thanks to rain and roof waters, plants and materials samplings. - a laboratory characterization of these materials via microscopic scale observations, sorption and lixiviation tests. Material characteristics are mostly favorable to metal storing but several of them have been identified as sources of metals via leaching of fine particles or lixiviation of available ions. Even if they have no specific ability to store metals, plants can have direct and indirect impacts on metal retention. Several technical suggestions are drawn from these scientific results

Les bassins de rétention sans plan d'eau permanent (bassins "secs") sont largement répandus pour diminuer les aspects négatifs du ruissellement urbain sur le milieu récepteur. À l'heure actuelle, de tels bassins sont conçus avec un contrôle statique, ce qui signifie que leur fonctionnement est seulement basé sur une limitation de leur débit maximal de sortie. Le Contrôle en Temps Réel (CTR) du degré d'ouverture de leur vanne de sortie permettrait d'améliorer leurs performances.
 Le travail présenté ici a notamment permis le développement de scénarios de CTR d'un bassin de rétention sec situé à l'exutoire d'une petite zone urbaine (3.5 km2) sur le territoire de la Ville de Québec, au Canada. Le ruissellement et sa concentration en Matières En Suspension (MES) ont été simulés par le modèle SWMM5, dans lequel la formulation du lessivage de surface a été améliorée dans le cadre de ce travail. Les stratégies de gestion en temps réel proposées utilisent comme information les données du réseau pluviométrique, la mesure de la hauteur d'eau dans le bassin de rétention et, dans certains des scénarios, des prévisions météorologiques. 
 Les prévisions de pluie peuvent en effet s'avérer intéressantes pour une large gamme d'utilisateurs, comme ceux impliqués dans la prévention des crues, et la gestion de l'eau de manière générale, puisqu'elles permettent une certaine anticipation du comportement du système. Les prévisions de pluie d'ensemble fournissent de plus une description explicite et dynamique de l'incertitude liée à la prévision. Cependant, de telles prévisions sont à l'heure actuelle disponibles à des échelles trop grandes pour être directement compatibles avec des modèles hydrologiques mis en œuvre sur de petits bassins versants. 
 Cette thèse de doctorat s'est donc de plus penchée sur la désagrégation spatiale du système de prévision d'ensemble Canadien, afin de rendre les prévisions d'ensemble de pluie plus appropriées à l'échelle du petit bassin urbain pour lequel des règles de CTR du bassin de rétention ont été élaborées. Pour cela, diverses variantes de la méthode statistique de désagrégation spatiale proposée par Perica et Foufoula-Georgiou (1996b) ont été comparées, pour faire passer les prévisions d'ensemble globales de pluie (émises par Environnement Canada) d'une résolution de 100 km par 70 km à celle de 6 km par 4 km. Cette technique permet d'augmenter la variance des hauteurs de pluie prévues à l'intérieur d'un pixel original lors de la désagrégation, tout en préservant la valeur moyenne initialement prévue pour la pluie sur ce pixel. Ces prévisions d'ensemble de pluie ont été émises par le système de prévision d'ensemble global Canadien, dans sa forme opérationnelle en 2009. La méthode statistique de Skaugen (2002) a également été appliquée à ces prévisions, et a mené à la production de prévisions d'ensemble ayant une résolution de 10 km par 7 km. Pour comparaison, des méthodes plus simples comme celle de l'interpolation bilinéaire, ont aussi été appliquées. Cette dernière permet le raffinement des prévisions globales de pluie sans augmenter la variance des hauteurs de pluie lors du processus de raffinement spatial.
 Les produits météorologiques désagrégés ont été évalués d'un point de vue météorologique et hydrologique, en utilisant différents scores et diagrammes. Pour l'évaluation météorologique, neuf jours présentant d'importants évènements de précipitation ont été utilisés pour comparer les hauteurs de pluie prévues à celles observées par le réseau de pluviomètres de la ville de Québec.
 Des prévisions hydrologiques d'ensemble avec un pas de temps compris entre 3 et 24 heures ont été mises en œuvre sur une période de 3 mois, avec les prévisions d'ensemble originales et celles issues de la désagrégation. Cette chaîne de prévision hydro-météorologique opérationnelle a été élaborée en utilisant les modèles GR4J et SWMM5. Ces modèles ont été mis en œuvre sur 4 bassins situés dans la région de Québec, avec une taille comprise entre 5 et 350 km2. L'évaluation hydrologique s'est basée sur la comparaison des débits prévus avec ceux observés.
 Les résultats obtenus avec la méthode de Skaugen (2002) ne se sont pas révélés aussi intéressants que ceux basés sur la technique de Perica et Foufoula-Georgiou (1996b). Avec cette dernière, les conclusions principales de ce travail de thèse sont: 1) la qualité globale des prévisions est préservée lors du processus de raffinement, et 2) les produits désagrégés par cette méthode qui permet d'augmenter la variance des hauteurs de pluie présentent une qualité similaire à celle des produits désagrégés par la méthode de l'interpolation bilinéaire. En revanche, la variance et la dispersion des différents membres des prévisions d'ensemble se sont avérées largement améliorées pour les produits désagrégés par la méthode de Perica et Foufoula-Georgiou (1996b), ce qui représente un avantage considérable comparativement à la méthode de l'interpolation bilinéaire.
 Ces résultats ont été confirmés du point de vue hydrologique. Par conséquent, il est avancé à l'issue de ces travaux de doctorat que la méthode de désagrégation statistique de Perica and Foufoula-Georgiou (1996b) représente une manière intéressante pour réduire le problème d'incompatibilité existant entre les résolutions des modèles météorologiques globaux et le haut degré de précision parfois requis dans la représentation spatiale des champs de précipitation par les modèles hydrologiques semi-distribués et par ceux montés sur de petits bassins versants. 
 Les stratégies de CTR mises en place pour le bassin de rétention sec étudié ici ont permis une amélioration significative de ses performances - l'efficacité d'enlèvement des MES est passée de 46 à 90% - tout en restant sécuritaire (du point de vue du risque de débordement) et en prenant en compte une contrainte liée au risque de prolifération de moustiques. Cependant, les prévisions de pluie désagrégées ne se sont pas révélées supérieures aux prévisions originales du modèle d'ensemble global Canadien, dans ce contexte spécifique de gestion en temps réel. Les différentes prévisions considérées ont en effet mené à des résultats similaires pour les performances de ce bassin de rétention soumis à des règles de CTR.
 / Dry detention ponds are commonly implemented to mitigate the impacts of urban runoff on receiving water bodies. They currently rely on static control through a fixed limitation of their maximum outflow rate. Real-Time Control (RTC) allows optimizing their performance by manipulation of an outlet valve.
 This thesis developed several enhanced RTC scenarios of a dry detention pond located at the outlet of a small (3.5 km2) urban catchment near Québec City, Canada. The catchment's runoff quantity and Total Suspended Solids' (TSS) concentration were simulated by the SWMM5 model with an improved wash-off formulation. The control procedures rely on rain gauge data, on measures of the pond's water height, and, in some of the RTC scenarios, on rainfall forecasts.
 Rainfall forecasts are indeed valuable to a wide variety of end users in the field of flood risk assessment and water management, as they allow some anticipation of the behaviour of the system under consideration. Ensemble rainfall forecasts thus provide an explicit and dynamic assessment of the uncertainty in the forecast. However, for hydrological forecasting, their low resolution currently limits their use to large watersheds. 
 Therefore, this thesis explores rendering the Canadian Ensemble Prediction System's (EPS's) rainfall forecasts more appropriate for hydrological modeling of such a small urban catchment as the one studied here. To bridge this spatial gap, various implementations of the spatial statistical downscaling method proposed by Perica and Foufoula-Georgiou (1996b) were compared, bringing Environment Canada's (EC's) global Ensemble Rainfall Forecasts (ERFs) from a 100-km by 70-km resolution down to 6-km by 4-km, while increasing each pixel's rainfall variance and preserving its original mean. These ERFs were issued by the Canadian Global Ensemble Prediction System (GEPS) in its 2009 operational version. The statistical downscaling method of Skaugen (2002) was also applied to these ERFs, producing rainfall fields with a resolution of 10 km by 7 km. For comparison purposes, simpler methods were also implemented such as the bi-linear interpolation, which disaggregates global forecasts without modifying their variance.
 The downscaled meteorological products were evaluated, using different scores and diagrams, from both a meteorological and a hydrological view points. The rainfall forecasts were compared against nine days (presenting strong precipitation events) of observed values taken from Québec City's rain gauge database. 
 Ensemble Hydrologic Forecasts (EHFs) with a time step of 3 and 24 hours were performed over a 3-month period for the original and disaggregated rainfall forecasts. This hydro-meteorological operational forecasting chain was conducted using hydrological models GR4J, a modified version of GR4J, and SWMM5. These models were implemented on four catchments ranging between 5 and 350 km2, and located in the Québec City region. The hydrological evaluation was based on the comparison of forecasted flows to the observed ones.
 Results obtained with the method of Skaugen (2002) were not as interesting as those based on the technique of Perica and Foufoula-Georgiou (1996b). This is due to the fact that with the method of Skaugen (2002), the final rainfall field corresponds to the average of ten downscaled fields, what tends to dampen the variance added through the disaggregation process. For the technique of Perica and Foufoula-Georgiou (1996b), the most important conclusions are: 1) the overall quality of the forecasts is preserved during the disaggregation procedure and 2) the disaggregated products using the variance-enhancing method are of similar quality than bi-linear interpolation products. However, variance and dispersion of the different members are, of course, much improved for the variance-enhanced products, compared to the bi-linear interpolation, which is a decisive advantage. 
 These results were confirmed by the hydrological evaluation. The disaggregation technique of Perica and Foufoula-Georgiou (1996b) hence represents an interesting way of bridging the gap between the resolution of meteorological models and the high degree of spatial precision sometimes required (in the precipitation representation) by semi-distributed hydrological models and by models built on small watersheds.
 RTC strategies of the studied dry pond allowed for a substantial improvement of the performance compared to those with its current static control– the TSS removal efficiency increased from 46 to about 90% - while remaining safe and taking a mosquito-breeding risk constraint into account. However, the downscaled rainfall forecasts were not superior to the original ones (issued by the Canadian GEPS) in this context, as they led to the same performance for the RTC scenarios relying on rainfall forecasts.


Ce projet de maîtrise a comme objectif de caractériser le ruissellement urbain pour un quartier résidentiel de la région de Québec. Un bassin d'orage a été sélectionné dans un quartier résidentiel nouvellement construit et une campagne d'échantillonnage de l'eau de ruissellement a été conduite à l'entrée et la sortie du bassin d'orage existant. L'ouvrage de sortie de ce bassin d'orage a ensuite été modifié pour y augmenter le temps de rétention et en évaluer l'effet sur l'enlèvement de polluants. Il a été trouvé que l'eau de ruissellement présentait des concentrations en polluants, tels les matières en suspension (MeS), métaux lourds et azote ammoniacal, semblables à celles trouvées dans la littérature. Les concentrations plus importantes sont relevées au printemps lors des premiers lessivages de rue après l'hiver. Le bassin d'orage original, ou bassin de rétention, a démontré une efficacité d'enlèvement moyenne de 56% pour les MeS, 20 % pour le zinc et 10 % pour l'azote ammoniacal. Son adaptation a permis de grandement augmenter ces efficacités d'enlèvement. Celles-ci ont atteint 82% pour les MeS, 42% pour le zinc et 84% pour l'azote ammoniacal. L'augmentation du temps de rétention du bassin d'orage permet donc d'améliorer considérablement l'enlèvement des polluants présents dans le ruissellement urbain avant qu'ils n'atteignent le milieu récepteur et permettrait donc d'améliorer la qualité de l'eau des cours d'eau en milieu urbain.

L’objectif de ce projet est d’évaluer la performance du contrôle en temps réel (CTR) des bassins d’orage comme mesure d’adaptation aux changements climatiques. Le contrôle en temps réel permet de faire la gestion des eaux de ruissellement à l’aide de règles de contrôle réactif, qui considèrent l’état en différents points du réseau, et de règles de contrôle prédictif, qui considèrent les prévisions météorologiques dans la prise de décision. Le contrôle de l’orifice de sortie de l’ouvrage de stockage permet donc de limiter le choc hydraulique au cours d’eau récepteur, par la réduction et le décalage des débits de pointe, en plus de faire le traitement qualitatif par la rétention prolongée, qui permet la sédimentation des particules dans l’eau. Le CTR peut également permettre, selon la localisation adéquate de l’ouvrage contrôlé, de réduire la charge hydraulique dans les collecteurs en aval en retenant les volumes de ruissellement en temps de pluie, ce qui limite l’impact de l’augmentation des précipitations et du développement des municipalités en périphérie des centres-villes sur le réseau de conduites pluviales. Une stratégie de contrôle a été établie en fonction de la configuration des trois cas d’étude et des simulations en climat futur ont permis de démontrer que le CTR permet d’adapter un réseau de différentes façons. Le CTR d’un bassin d’orage en fin de réseau permet de décaler et limiter les débits de pointe en plus d’augmenter le temps de rétention de façon à réduire la charge en polluants dans les eaux pluviales. Pour un ouvrage de très grande dimension, le CTR réactif est suffisant pour faire la gestion de tous les événements fréquents sans causer de débordement de l’ouvrage de stockage. Pour une municipalité qui a peu d’espace en surface en fin de réseau, le CTR prédictif de conduites surdimensionnées réduit et décale les débits de pointe rejetés, ce qui permet l’ajout d’un ouvrage de traitement qualitatif. Toutefois, puisque l’espace est souvent limité dans les secteurs au centre-ville, en bordure des cours d’eau récepteur, la localisation stratégique des ouvrages contrôlés à l’amont est une solution alternative intéressante. Cette stratégie de contrôle permet non seulement de limiter le choc hydraulique au cours d’eau récepteur de la même manière qu’un CTR en fin de réseau, mais décale le ruissellement des développements en amont vers le collecteur principal, ce qui permet à une municipalité de pouvoir continuer à se développer en périphérie du centre-ville sans avoir à augmenter la capacité du réseau en aval. En résumé, le CTR permet à une municipalité d’adapter son réseau, peu importe sa configuration, de façon à faire face aux changements climatiques.

Les réservoirs de rétention sont un moyen actuel pour diminuer les rejets de polluants dans le cours d'eau récepteur lors de débordements de réseaux unitaires en temps de pluie. Cependant, des études démontrent que la vidange des réservoirs peut avoir un effet négatif sur les procédés de traitement des stations d'épuration (STEP). Ainsi, cette étude a pour but de (1) caractériser les eaux de vidange d'un réservoir de rétention et (2) évaluer l'impact des vidanges sur l'affluent de la station d'épuration. L'étude est basée sur le cas de la ville de Québec. Celle-ci a fait construire au cours des dernières années une dizaine de réservoirs de rétention sur le bassin versant de 15 km2 de sa station Est, et qui comporte 50% de conduites unitaires. Pour la caractérisation, un bassin de rétention a été échantillonné en 2009 et en 2010. Des échantillons ont été récoltés sur les eaux vidangées du réservoir de rétention hors-ligne ainsi qu'à l'affluent de la STEP Est de la ville de Québec. Par la suite, des analyses de la teneur en matières en suspension (MES) et dé la demande chimique en oxygène (DCO) ont été réalisées. Le logiciel SWMM5 a été utilisé pour simuler le parcours des eaux au sein du réseau d'interception et l'impact que peuvent avoir les vidanges des 10 bassins sur la qualité de l'eau envoyée à la station. Les résultats de la caractérisation montrent une grande variabilité de la qualité des eaux lors de la vidange. Trois différentes phases peuvent généralement être identifiées : début (concentration en MES élevée ~ 1500 mg/1), milieu (70 mg/1) et fin (500 mg/1). En fonction de la masse totale en MES retenue et retournée vers la station, ces phases correspondent environ à 10%, 70% et 20% respectivement pour le début, le milieu et la fin. L'utilisation de SWMM a montré que, dépendamment du temps de parcours du réseau et de la qualité d'eau vidangée, les impacts sur la qualité de l'affluent de la station d'épuration sont très variables, allant de phases de dilution à des phases d'augmentation de la concentration en polluants.

La gestion des eaux pluviales urbaines connait une évolution majeure depuis les années 1960 : d'une stratégie basée sur l'évacuation rapide et totale des eaux pluviales de la ville, on passe progressivement à une stratégie de contrôle à la source (CS). Ces 10 dernières années ont vu une généralisation du CS, ainsi qu'en témoigne l'augmentation du nombre de réglementations de rejet. Ces dernières imposent, dans les nouvelles parcelles urbanisées, la réalisation d'ouvrages ayant pour fonction de réguler et/ou de retenir les eaux pluviales : les techniques alternatives (TA). Une systématisation de ces réglementations ne va pas manquer de générer dans l'avenir de nombreux bassins versants urbains fortement équipés en TA, et dont le comportement hydrologique sera déterminé par les réglementations appliquées. Il apparaît que le choix d'une réglementation par une collectivité est un choix complexe et, d'une collectivité à l'autre, des logiques différentes sont appliquées, dont la cohérence globale peut être discutée. Cette thèse questionne et analyse les politiques de CS, et en particulier les réglementations de rejet, dans une perspective de compréhension de leurs effets hydrologiques dans le long terme. Elle comprend deux analyses complémentaires : nous étudions d'abord l'évolution des politiques de CS dans six collectivités en France, afin de déterminer les logiques appliquées dans le choix des réglementations. Nous présentons ensuite une analyse hydrologique des conséquences de ces réglementations sur le comportement de bassins versant urbains "modèles". Cette analyse, centrée sur la modélisation hydrologique des bassins, permet de questionner les politiques de CS actuelles, mais aussi de discuter des outils que l'hydrologie urbaine peut fournir pour permettre la mise en place de politiques de CS cohérentes, en phase avec le fonctionnement hydrologique des bassins versants / Urban stormwater management is facing a major evolution since 1960: from a strategy based on the complete and fast conveyance of stormwater outside of the urban area, to a strategy based on source control (SC). Recently, SC is becoming a common practice, in connection with the increasing diffusion of flow regulations. These regulations prescribe, for all new urban development, to build facilities (Best Management Practices, BMP) to reduce the flow-rate or the volume of stormwater entering the sewer system. A wide application of flow regulations will determine the future hydrological behaviour of many urban catchments. The choice of a regulation is a complex task for local authorities, involving several logics, whose global coherence can be discussed. This thesis analyses SC policies and regulations and discusses them in terms of their long-term hydrological effects. Two complementary approaches are developed. The first is based on the analysis of the evolution of SC policies in six French authorities, and it aims to define and discuss the logics applied. The second consists in the hydrological modelling of the consequences of SC regulations on the behaviour of two experimental catchments. This hydrological analysis allows (i) to evaluate the pertinence of actual SC policies and (ii) to discuss which tools urban hydrology can provide to support the development of coherent SC policies, according to the hydrological functioning of urban catchments

L'essor que connaît aujourd'hui la gestion intégrée des eaux pluviales s'accompagne d'un recours croissant à des techniques favorisant l'infiltration de l'eau “à la source”, disséminées sur des bassins versants urbains. Néanmoins, de telles pratiques suscitent des interrogations sur la capacité du sol à jouer le rôle de “filtre” vis-à-vis des polluants présents dans le ruissellement. Ces travaux de thèse s'intéressent à la contamination du sol par les métaux et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans ces dispositifs, avec trois objectifs : (i) évaluer les niveaux et l'étendue spatiale de la contamination, (ii) mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent le devenir de ces contaminants dans le sol des ouvrages, et (iii) proposer des recommandations sur la conception et la maintenance de ces installations, afin de leur assurer un fonctionnement épuratoire durable.La première partie du travail consiste en une série d'investigations expérimentales sur dix sites d'étude aux caractéristiques contrastées, en service depuis plus de dix ans. Cette phase donne lieu à des cartographies de la contamination superficielle en éléments traces métalliques, puis à des profils verticaux de métaux et HAP, accompagnés de différentes variables explicatives. La distribution spatiale des métaux en surface, qui est toujours structurée autour de la zone d'arrivée de l'eau, porte la signature du fonctionnement hydraulique réel des dispositifs, et révèle le caractère non-uniforme de l'infiltration lors des événements pluvieux courants, qui représentent la plus grande partie du flux polluant à l'échelle annuelle. Dans la zone la plus contaminée des ouvrages, métaux et HAP présentent un enrichissement significatif sur 10 à 40 centimètres de profondeur. La rétention des contaminants résulte de la combinaison de processus physico-chimiques (adsorption) et mécaniques (sédimentation et filtration) ; leur importance relative peut être quantifiée grâce au déficit de zirconium dans le sédiment urbain par rapport au bruit de fond géochimique local. La variabilité inter-sites des niveaux de contamination s'explique à la fois par les capacités de rétention du sol et par les flux de polluants issus du bassin versant d'apport. Bien que les teneurs de surface excèdent, sur certains sites, les seuils internationaux de remédiation du sol pour des espaces “multifonctionnels”, la zone concernée représente — latéralement et verticalement — une région assez limitée dans les ouvrages.La seconde partie de la thèse consiste en une approche de modélisation, dont la finalité est de décrire l'évolution à long terme de la contamination du sol, et d'évaluer l'incidence de différentes pratiques de conception ou de gestion. Une analyse de sensibilité est d'abord mise en œuvre afin d'identifier les “éléments-clés” dans la description du système, et d'orienter le choix du modèle. Les résultats montrent qu'une mauvaise estimation de la dispersivité ou de l'isotherme d'adsorption du sol est susceptible de biaiser significativement la prévision des profils de contamination. Dans la suite du travail, on propose une méthode visant à décrire l'infiltration non-uniforme et la filtration des polluants particulaires. Le modèle ainsi construit est validé via une comparaison entre mesures et simulations sur l'un des sites d'étude faisant l'objet d'une nouvelle caractérisation approfondie. Enfin, une analyse de scénarios illustre les bénéfices d'un amendement de l'horizon superficiel par un matériau adsorbant, ainsi que d'une répartition homogène des flux d'eau en surface, en matière de durée de vie des installations et de fréquence d'intervention. / Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS) are increasingly used for stormwater management. However, the generalization of runoff infiltration in urban watersheds raises some concerns regarding the soil's ability to retain ubiquitous micropollutants. The present work addresses soil contamination by trace metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in such infiltration devices, with the aims of: (i) appraising the levels and spatial extent of soil contamination, (ii) better understanding the mechanisms which govern the fate of contaminants in these systems, and (iii) identifying design and maintenance guidelines which may enhance long-term pollutant control through SUDS.The first part of the study consists in a series of experimental investigations in ten contrasting study sites, which have been in operation for more than ten years. The two-stage methodology successively leads to cartographies of metal contamination in the surface soil, and vertical profiles of metal and PAH concentrations, along with different explanatory variables. The spatial distribution of trace metals in the upper horizon displays a systematic structure with respect to the inflow area, and bears the time-integrated signature of the infiltration fluxes and flow pathways at the surface. In the most contaminated zone of the facilities, a significant enrichment of metals and PAHs is detectable until 10 to 40 cm depth. Contaminant retention results from the combination of different physicochemical and mechanical processes (resp. sorption and sedimentation/filtration), the contribution of which can be assessed via the zirconium deficit in urban sediment in comparison to the soil's geochemical background. The inter-site variability of contamination levels is attributable to (i) differences in the soil's retention capacities, and (ii) differences in pollutant loads from the watershed. Although surface contents may exceed intervention thresholds for “multi-functional” spaces in several study sites, the area which would require soil remediation is laterally and vertically limited.These experimental assessments are complemented by a modelling approach, to describe the long-term evolution of soil contamination, and to evaluate the effect of various SUDS designs and maintenance operations. A sensitivity analysis is first carried out so as to identify the “key elements” in the system description: the results show that a wrong estimation of the soil's dispersivity or sorption isotherm is likely to induce significant biases in the predicted contamination profiles. A method is then proposed to describe non-uniform water infiltration fluxes, and the filtration of particle-bound contaminants. The model is validated via a comparison between measured and predicted metal profiles in one of the study sites, where a comprehensive soil characterization is undertaken. Finally, a “scenario analysis” illustrates the benefits of (i) using soil enrichment products with enhanced sorption capacities, and (ii) facilitating water spreading at the surface, in terms of “lifespan” of the devices and maintenance requirements.

Afin de limiter les impacts négatifs des rejets pluviaux urbains stricts (RPUS) sur l’hydraulique et la qualité des milieux naturels, des techniques alternatives sont mises en place. A Strasbourg (France,67), une mare de sédimentation suivie d’un filtre planté de roseaux à écoulement vertical collecte, stocke et traite les eaux de ruissellement d’un bassin versant résidentiel (2,7ha) depuis 5 ans. L’objectif de cette thèse est de (i) déterminer l’efficacité hydraulique et de traitement de la filière, (ii) évaluer les dynamiques de stockage des métaux et des hydrocarbures aromatiques polycycliques en temps de pluie et en temps sec, (iii) anticiper l’impact des variations climatiques sur l’efficacité de la filière, (iv) évaluer le comportement de sorption du cuivre, plomb et zinc dans le filtre et (v) modéliser les flux en entrée et en sortie de la filière. Trois années de suivi hydraulique, hydrologique et physico-chimique sur le site et 13 campagnes de prélèvement en temps pluie ont permis de montrer que les efficacités de la filière sont constantes au cours de l’année. Les RPUS sont caractérisés par de fortes concentrations en zinc, et les concentrations en micropolluants sont dépendantes de l’importance de la pluie. De plus, des expériences réalisées sur le sable du filtre (analyses chimiques, extractions séquentielles, expériences batch) ont montré que la rétention des métaux dans le filtre dépend du pH et de la concentration en métaux. Un modèle basé sur l’équation de Richards a été développé et permet de reproduire avec succès les écoulements verticaux 1D dans le filtre. / Stormwaters are identified as a major source of pollution for waterbodies. Particularly, metals and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in stormwater are known as the most toxic compounds for the fauna and flora. To limit the impact of these micropollutants on hydrosystems quality, stormwater constructed wetlands (SCW) have been built worldwide. This study aims i) to assess the efficiency of a 5-years-old SCW that combined a sedimentation pond followed by a vertical flow sand filter in urban area (Strasbourg 67, France), ii) to determine micropollutants storage in water and soils during dry period, (iii) to investigate the seasonality impacts on SCW performances, (iv) to evaluate copper, lead and zinc sorption behavior on the filter sand and (v) to model micropollutants and rain water fluxes from the catchment to the filter output. 3 years of on-site monitoring and 13 rain event sampling campaigns have shown that SCW hydraulic and treatment performances are constant over the year. Rain water is characterized by high loads of zinc and its micropollutants loads depend on the rain event depth. Then, chemical analyses, sequential extractions and batch experiments performed on the SCW substrate highlight that metals mobility in the filter is affected by pH and metal concentration. A model based on the Richard’s equation has been developed and predicts with success the 1-D vertical flow in the filter.