L’implantation répandue de nouveaux quartiers résidentiels sur le territoire de la périphérie urbaine est en partie responsable de la baisse du couvert végétal et de l’augmentation des surfaces imperméables à grande échelle. Les villes sont maintenant aux prises avec une augmentation constante de la production de ruissellement qu'elles doivent gérer au moyen d’un vaste réseau d’égouts et de canalisations. Des données sur les impacts de ces modèles de quartier résidentiel nous révèlent que cette forme d’habitat provoque la dégradation des milieux naturels et aquatiques. La présente étude vise à mettre à l’épreuve la stratégie d’aménagement de l’Open space design en comparant l’effet de trois situations d’aménagement d’ensembles résidentiels sur le coefficient de ruissellement pondéré (Cp). Les trois situations étudiées sont 1 : le développement actuel tel que conçu par le promoteur, 2 : un scénario de quartier visant la préservation des cours d’eau existants ainsi qu’une réduction des lots et des surfaces imperméables et 3 : un quartier avec des types d’habitation plus denses. Les coefficients pondérés obtenus sont respectivement de 0,50 pour le quartier actuel, de 0,40 pour le scénario 1 et de 0,34 pour le scénario 2. Au terme de cet exercice, il apparaît, d’une part, que la densification du bâti, la nature des surfaces et l’organisation spatiale peuvent concourir à diminuer la production de ruissellement d’un quartier. Cette étude permet de situer l’importance de la gestion du ruissellement dans la planification et l’aménagement du territoire. / The widespread introduction of new residential developments in the urban periphery is partly responsible for declining vegetation cover and a large scale increase in impervious surfaces. Cities are now grappling with a constant increase in runoff, which they have to manage through a vast network of sewers and drains. Data on the impacts of current residential models reveal that this form of development causes the degradation of natural and aquatic environments. The present study aims to test Open space design strategy by comparing the effect of three development situations on the weighted runoff coefficient (Cw). The three situations are 1: the actual development as conceived by the project’s promoter; 2: development aimed at preserving existing streams, reducing lot sizes and impervious surfaces; and 3: a higher-density cluster development plan. The weighted coefficients obtained are 0.50 for scenario 1, 0.40 for scenario 2 and 0.34 for scenario 3. As a result, it appears that the density of the structures, the nature of the surfaces and the spatial organization can all contribute to reducing the runoff in a given area. This study underlines the importance of runoff management in planning and land use.

L’objectif global de ce travail est d’étudier une modélisation multi échelle et de développer une méthode adaptée pour la simulation numérique du processus d’érosion à l’échelle du bassin versant. Après avoir passé en revue les différents modèles existants, nous dérivons une solution analytique non triviale pour le système couplé modélisant le transport de sédiments par charriage. Ensuite, nous étudions l’hyperbolicité de ce système avec diverses lois de sédimentation proposées dans la littérature. Concernant le schéma numérique, nous présentons le domaine de validité de la méthode de splitting, pour les équations modélisant l’écoulement et celle décrivant l’évolution du fond. Pour la modélisation du transport en suspension à l’échelle de la parcelle, nous présentons un système d’équations couplant les mécanismes d’infiltration, de ruissellement et le transport de plusieurs classes de sédiments. L’implémentation et des tests de validation d’un schéma d’ordre élevé et de volumes finis bien équilibré sont également présentés. Ensuite, nous discutons sur l’application et la calibration du modèle avec des données expérimentales sur dix parcelles au Niger. Dans le but d’aboutir la simulation à l’échelle du bassin versant, nous développons une modélisation multi échelle dans laquelle nous intégrons le taux d’inondation dans les équations d’évolution afin de prendre en compte l’effet à petite échelle de la microtopographie. Au niveau numérique, nous étudions deux schémas bien équilibrés : le schéma de Roe basé sur un chemin conservatif, et le schéma avec reconstruction hydrostatique généralisée. Enfin, nous présentons une première application du modèle avec les données expérimentales du bassin versant de Ganspoel qui nécessite la parallélisation du code. / The overall objective of this thesis is to study a multiscale modelling and to develop a suitable method for the numerical simulation of soil erosion on catchment scale. After reviewing the various existing models, we derive an analytical solution for the non-trivial coupled system modelling the bedload transport. Next, we study the hyperbolicity of the system with different sedimentation laws found in the literature. Relating to the numerical method, we present the validity domain of the time splitting method, consisting in solving separately the Shallow-Water system (modelling the flow routing) during a first time step for a fixed bed and updating afterward the topography on a second step using the Exner equation. On the modelling of transport in suspension at the plot scale, we present a system coupling the mechanisms of infiltration, runoff and transport of several classes of sediment. Numerical implementation and validation tests of a high order wellbalanced finite volume scheme are also presented. Then, we discuss on the model application and calibration using experimental data on ten 1 m2 plots of crusted soil in Niger. In order to achieve the simulation at the catchment scale, we develop a multiscale modelling in which we integrate the inundation ratio in the evolution equations to take into account the small-scale effect of the microtopography. On the numerical method, we study two well-balanced schemes : the first one is the Roe scheme based on a path conservative, and the second one is the scheme using a generalized hydrostatic reconstruction. Finally, we present a first model application with experimental data of the Ganspoel catchment where the parallel computing is also motived.

L’objectif de cette thèse est de caractériser les Rejets Urbains par Temps de Pluie (RUTP) et leur flux au niveau des exutoires d’eaux pluviales de trois sous-bassins majeurs de l'agglomération orléanaise. Pour cela des prélèvements ponctuels d’eau ont été effectués et un modèle conceptuel a été utilisé. Les trois sous-bassins : La Corne (463 ha), l'Egoutier (2080 ha) et Ormes (2256 ha) ont des occupations du sol différentes.D’une manière générale, la conductivité, la demande chimique en oxygène (DCO), la demande biochimique en oxygène (DBO5 et la DBO28), le carbone organique dissout (COD), l'azote total(NT), et les concentrations en anions et cations majeurs étaient plus élevés par temps sec que par temps de pluie indiquant un effet de dilution par les précipitations. Il a été mis en évidence un mélange des eaux pluviales avec des eaux usées dans le sous bassin d’Ormes. L’occupation des sols et les activités anthropiques influencent de manière significative la qualité du ruissellement. Par exemple, dans le sous-bassin de l’Egoutier, la présence d’une zone imperméable (industries et habitations) importante (40% de la surface) est responsable d’une augmentation des paramètresDBO5, DBO28, COD et NT.Les flux aux exutoires des différents paramètres de qualité de l’eau ont été évalués et comparés à ceux issus des quatre principales stations d’épuration (STEP) et à ceux de la Loire. La charge destrois sous-bassins urbains représente environ 166,61% de la charge des quatre STEP. Les trois sous bassins ont un faible impact sur la Loire en termes de flux annuels (environ 1,62% pour les MES par temps de pluie).Deux versions d’un modèle conceptuel dit d'accumulation/lavage-transport ont été évaluées pour estimer les flux de ruissellement des polluants ; la version classique et une version modifiée dans laquelle le paramètre accumulation des polluants a une forme logarithmique. Les performances des modèles étaient acceptables pour les MES et la DCO. Les coefficients de corrélation étaient supérieurs à 90% pour le sous bassin de l’Egoutier, par exemple. Pour les éléments traces métalliques en phase particulaire, la corrélation avec l’expérience était bonne également. D’une manière générale, lorsqu'un flux mesuré était inférieur à 1 kg.ha-1, les modèles n’étaient plus applicables.Des premiers essais de simulation de la qualité et la quantité de RUTP ont été effectués à partir de MIKE URBAN, qui équipe les deux logiciels de modélisation MOUSE et SWMM. Les hydrogrammes ont indiqué que le débit maximum obtenu avec SWMM était toujours inférieur à celui obtenu avec MOUSE. La qualité de l’eau (masse de MES) était toujours plus fortement impactée par le lessivage des MES dans le modèle MOUSE que dans SWMM.Ce travail constitue la première étape du travail d'évaluation de RUTP pour l'Agglomération orléanaise. Il constitue une base solide pour un futur programme de surveillance continue. / The objective of this thesis was to characterize urban runoff water at the level of stormwater outletson three major urban sub-basins of the Orléans agglomeration, covering land areas ranging in size from463 to 2257 ha and with contrasted land use. 11 individual rain events were sampled at runoff outletsbetween April 2015 and June 2017 and 10 campaigns were also carried out in dry weather.In general, it was observed that the conductivity, chemical oxygen demand (COD), biochemicaloxygen demand (BOD5 and BOD28), dissolved organic carbon (DOC), total nitrogen (NT), anions andmajor cations were found to be higher in dry weather conditions than in rainy weather. These resultsindicate a dilution effect due to precipitation.A mixture of rainwater and wastewater was also identified in the sub-basin of Ormes. Land use andhuman activities in the sub-basin studied were found to significantly influence the quality of the resultedrunoff from rainfall events. For example, in the Egouttier sub-basin 2, the presence of a large imperviouszone (industrial and residential, 40% of the surface area) was responsible for an increase in the parametersBOD5, BOD28, COD and NT.The flows at the outlets of the different water quality parameters were evaluated and compared withthose from the four main wastewater treatment plants (WWTP) and those from the Loire. The estimatedloads of the three sub-urban basins accounts for approximately 166.61% of the load of the four WWTP.The three sub-basins have a small impact on the Loire in terms of annual flows (about 1.62% for wetweather case).Two versions of a conceptual model of accumulation / washoff were evaluated to estimate pollutantrunoff; the classical version and a modified version in which the pollutant accumulation parameter has alogarithmic form. The performances of the models were found acceptable for the MES and the COD. TheNash-Sutcliffe (NS) coefficients were found as 0.84 and 0.85 for the two versions at the Egouttier subbasin.For trace elements in particulate phase, the correlation with the experimental measured value wasfound good as well. In general, when a measured flow was less than 1 kg.ha-1, the modified model was nolonger applicable.The first simulation tests of the quality and quantity of urban runoff were carried out with MIKEURBAN, which equips both MOUSE and SWMM modeling software. For water quantity, the hydrographsindicated that the maximum flow obtained with SWMM was always lower than that obtained with MOUSE.For water quality, TSS mass was still more strongly impacted by the leaching of TSS in the MOUSE modelthan in the SWMM model.This work can be considered as the first step of the evaluation work of RUTP for the Orléansagglomeration. It provides a solid foundation for a future monitoring program.