Ce travail vise à améliorer la compréhension des transferts des éléments traces métalliques du sol vers les végétaux par une approche modélisatrice mécaniste. Le modèle est basé sur des équations définissant les processus de mobilisation-transport de l’élément dans le sol, eux-mêmes pilotés par la diminution de la concentration en solution sous l’influence de l’absorption d’eau et de soluté par la plante. Le modèle a été éprouvé grâce à des cultures de maïs (12 et 24 jours) et de tabouret calaminaire (3 mois) en conditions contrôlées dans un sol agricole contaminé artificiellement par du CdSO4. L’offre du sol a été évaluée par le biais d’extractions chimiques, par des isothermes d’adsorption ou de désorption, ou encore par les cinétiques d’échange isotopique. Cette dernière méthode, conceptuellement la mieux adaptée a été validée expérimentalement. La demande du maïs et du tabouret a été étudiée en hydroponie grâce au traçage isotopique du Cd. Chez le maïs, l’influx racinaire de Cd augmente linéairement avec le métal en solution. D’autre part, l’influx est (i) 3 fois plus important dans des solutions où la compétition ionique est moindre (faible proportion d’oligo-éléments), (ii) 2,7 fois supérieur chez des plants âgés de 12 j par rapport à des plants de 24 j, (iii) 1,4 fois supérieur lorsque mesuré en 2 h au milieu de la journée comparé à une période de 24 h, (iv) non affectée par l’exposition préalable des plantes au Cd. Chez le tabouret calaminaire, entre 70 et 87 % du Cd racinaire semble localisé à l’extérieur du compartiment symplasmique. Le modèle, très sensible aux différentes fonctions d’absorption racinaire, a sous-estimé de 12 et 18 % les prélèvements des maïs âgés respectivement de 12 et 24 j et sous-estimé le prélèvement du tabouret d’un facteur trois. Les paramètres de l’absorption racinaire restent difficiles à acquérir et expliquent en partie la divergence entre les prélèvements simulés et mesurés / This mechanistic modelling approach aimed to understand the soil-to-plant trace element transfers. The model solves diffusion-convection equation of cadmium (Cd) within the soil under the influence of the depletion of the solution concentration during plant absorption. A growth chamber experiment was conducted with a loamy cultivated soil enriched with CdSO4. Roots and shoots were collected after 12 and 24 days for maize and after 3 months for penny-cress. The soil offer (or phytoavailability) was assessed thanks to chemical extractions, adsorption or desorption isotherms, and isotopic exchange kinetics. The latter method has been validated by the simulations. The plant demand was studied by radiolabelling in hydroponic cultivations for both plants. Maize root influx increased linearly with Cd concentration in the solution. Moreover, root influx was (i) 3 fold higher in low ionic competition solutions, (ii) 2,7 fold higher in 12-days-old plants than in 24-days-old, (iii) 1,4 fold higher in the middle of the day in comparison with the full-day period, (iv) not influenced by Cd exposure during cultivation. Between 70 and 87% of Cd seemed located in the apoplasm of the penny-cress roots. Although the model tested different root absorption functions, the simulations underestimated by 12 and 18% the 12-days-old and the 24-days-old maize uptakes respectively, and by a factor 3 the penny-cress uptake. This divergence is partly due to the difficulties in estimating root absorption parameters, witch need more research

Les fossés agricoles sont des lieux préférentiels d’écoulement des pesticides à l’échelle du bassin versant depuis les parcelles agricoles vers les masses d’eau avales de surface et souterraines. Du fait de leur capacité de rétention ils sont réputés pouvoir exercer un pouvoir tampon pour limiter la dispersion des pesticides dans l’environnement. Les opérations d’entretien des fossés sont identifiées comme un moyen d’améliorer ce pouvoir tampon. Cependant, la connaissance du pouvoir tampon des fossés en fonction de leurs caractéristiques et de leur entretien est très limitée. L’objectif de ce travail est ainsi de quantifier l’impact des principales pratiques d’entretien sur l’évolution du pouvoir tampon d’une gamme de fossés infiltrants.La démarche suivie repose sur i) une caractérisation expérimentale de l’effet des principales pratiques d’entretien sur l’évolution des propriétés des fossés, ii) une analyse de l’influence de ces propriétés sur deux processus clé modulant la rétention des herbicides : la sorption et l’infiltration, iii) une exploration numérique, conçue sur la base des expérimentations, de l’effet de chaque pratique sur l’évolution annuelle du pouvoir tampon des fossés. Le dispositif expérimental a combiné des observations in situ à l’échelle du fossé élémentaire sur 3 bassins versants et des expérimentations au laboratoire et a concerné l’étude du comportement de 3 herbicides, glyphosate, diuron et isoproturon.Les résultats de ce travail ont mis en évidence que les opérations de brûlis, fauche et désherbage chimique améliorent le pouvoir tampon des fossés par rapport à un fossé non-entretenu alors que le curage le détériore. Ils ont aussi permis d’améliorer notre connaissance des propriétés et de la variabilité des matériaux formant les fossés, de proposer un nouvel indicateur de la capacité de rétention des fossés et d’évaluer des approches de modélisation de la rétention des pesticides par un bief de fossé infiltrant. / By linking cropped fields to downstream groundwater and surface water bodies, farm ditches constitute preferential pathways for pesticide dispersal at the catchment scale. But thanks to their pesticide retention capacity ditches are known for buffering pesticide non-point source pollutions. Ditch management operations were identified as mean to improve ditch buffering capacities. However, little is known about how pesticide retention capacities of ditches vary as a function of ditch properties and management. Accordingly, the objective of this work is to quantify how pesticide retention capacity in a range of infiltrating ditches evolves subsequently to the main management operations.The methodology relies on i) an experimental characterization of the main management operation effects on the evolution of ditch properties, ii) an analysis of how these properties influence two key processes regulating herbicides retention: sorption and infiltration, iii) a numerical exploration, based on the previously mentioned experimentations, of each operation effects on the yearly evolution of pesticide retention capacity of ditches. The experimental design combined in situ observations at the reach scale on 3 catchments as well as laboratory experimentations and concerned the behavior of 3 herbicides, glyphosate, diuron and isoproturon.The results of this works highlighted the fact that burning, mowing and chemical weeding operations increase pesticide retention capacities of the ditches as compared to an unmanaged ditch while dredging deteriorates it. They also allowed us to improve our knowledge on ditch materials properties and variability, to propose a new indicator of ditch retention capacity and to evaluate different modelling approaches of pesticide retention by infiltrating ditches.

Le stockage géologique du carbone est l’une des techniques les plus prometteuses pour réduire le taux de CO₂ dans l’atmosphère. La séquestration géologique possède la capacité et la longévité potentielles pour diminuer les émissions de CO₂ vers l’atmosphère. Dans le cadre d’injections à l’échelle industrielle, les réservoirs carbonatés peuvent faire partie des sites aptes à stocker du CO₂. Toutefois, ces injections à grandes profondeurs sont sujettes à des risques de fuites du piège géologique lui-même ou des infrastructures liés à l’exploitation du site de stockage. Ainsi, il existe principalement deux types de fuite : brutale et diffuse. Dans les deux cas, elles sont susceptibles d’entrainer des risques pour l’environnement et de mettre en danger les populations. Il est ainsi nécessaire de développer des outils capables de prévenir une fuite de CO₂ quel que soit son type. Par ailleurs, il est particulièrement indispensable de comprendre les mécanismes de transport réactif qui rentrent en jeu lors de l’arrivée de cette fuite en contexte de proche surface (zone vadose) et ainsi d’essayer d’étudier comment cette fuite peut s’amortir. Ces travaux de thèse traitent donc de la caractérisation, de la quantification et de la modélisation des processus de transferts et des interactions CO₂-H₂O-CaCO₃ dans la zone vadose en contexte de fuite à partir d’un puits de forage. Cette problématique a été d’abord abordée par une approche expérimentale sur un site pilote à Saint-Emilion. Puis, les interactions CO₂-H₂O-CaCO₃ ont été étudiées au travers d’une approche expérimentale à l’échelle de la carotte en laboratoire. L’approche expérimentale a conduit à la réalisation de deux fuites dans la zone vadose du site pilote : une fuite diffuse et une fuite ultra diffuse. Elles furent réalisées dans la continuité des expériences qui avaient déjà eu lieu auparavant. Une comparaison de l’ensemble des fuites a montré la nécessité d’utiliser des gaz nobles comme précurseurs de l’arrivée en surface du CO₂. Selon le type de fuite, l’hélium peut servir de précurseur temporel du CO₂, tandis que le krypton prévient de l’étendue du panache de gaz durant la fuite. Plus la pression d’injection du CO₂ est importante et plus le gaz migre par advection. Par ailleurs, une pression d’injection importante favorise l’existence de passage préférentiel dans la zone vadose. L’utilisation d’isotopes tels que ceux de l’hélium et du carbone permet de mettre en évidence la présence locale de phases aqueuses dans le massif et de déterminer l’origine biologique ou anthropique du CO₂. Les expériences à l’échelle de la carotte permettent d’estimer le pouvoir tampon des calcaires oligocènes en fonction du faciès de la roche. La perméabilité et la porosité de celle-ci conditionnent la dissolution des calcaires. De même, la réactivité des carbonates en contexte de fuite dépend du pH de la phase aqueuse, du débit qui traverse le réseau poreux, de la saturation en eau et des caractéristiques pétro-physiques des carbonates. / Carbon storage is one of the most encouraging methods to decrease CO₂ concentration into the atmosphere. Carbon storage provides the longevity and the capacity needed to decrease CO₂ emissions toward the atmosphere. When dealing with storage on an industrial scale, carbonated reservoirs can be among the most suitable storage sites. However, these high depth injections are subject to leakage risks from the geologic trap itself or from the framework created by the establishment of the site. Two main types of leakage exist: brutal and diffusive leakage. In both cases, they are likely to endanger the environment and the population. Therefore, it is essential to develop tools that are able to anticipate any types of CO₂ leakage. Furthermore, it is also necessary to understand the reactive transport mechanism that take place when the leakage arrives in the shallow subsurface (vadose zone)and to see how the leakage can be buffered. This work deals with the characterization, the quantification and the modelling of transfer processes and CO₂-H₂O-CaCO₃ interactions into the vadose zone in a context of a leakage from a drilling well. This issue was first dealt through field experiment on the site of Saint Emilion. Then, the CO₂-H₂O-CaCO₃ interactions were studied through an experimental approach in laboratory. Two leakage experiments were performed on the site: a diffusive leakage and an ultra-diffusive leakage. They were performed as a sequel of former experiments carried on the pilot site. A comparison of all the leakage experiments revealed the necessity to use noble gases as precursor of the CO₂ arrival at the surface. Depending of the type of the leakage, helium can be a temporal precursor while krypton can anticipate the spread of the CO₂ gas plume. The higher the injection pressure, the more the gas migrates through advective flux. Moreover, a high injection pressure favors the existence of preferential paths in the vadose zone. The use of helium and carbon isotopes makes it possible to reveal the presence of a local aqueous phase within the porous media and to identify the origin of CO₂. The core scale experiments lead to the estimation of the buffering power of Oligocene limestone according to the rock facies. The permeability and the porosity influence the dissolution of the limestone. The reactivity of carbonates during a leakage depends on the pH of the aqueous phase, the flow rate that goes through the porous media, the water saturation and petrophysical characteristics of the carbonates.