Ce travail de thèse vise à comprendre et analyser les échanges thermiques qui ont lieu entre un bâtiment et son environnement en présence de parois végétalisées « intensives ». Nous présentons dans ce manuscrit, une démarche numérique et expérimentale sur l’évaluation de l’incidence thermique de ces Murs Végétalisés (MV). Une plateforme constituée de trois prototypes identiques (3 mini-laboratoires thermiques) sous conditions climatiques réelles a été conçue et instrumentée. Dans un premier temps, deux écrans permettant une variation rapide et graduelle des taux de couvertures de 10 à 100% ont été ajoutés devant les prototypes. Ainsi, plusieurs séries de mesures ont été effectuées et des réductions significatives au niveau des températures et des flux de chaleur ont été enregistrées et interprétées. Cette démarche expérimentale avait pour premier objectif de mettre en oeuvre une occultation artificielle et donc maîtrisée. Un premier modèle a été développé sur la base de l’écriture des équations de bilan des échanges thermiques entre la paroi à occultation variable et son environnement climatique. Ce modèle confronté aux résultats fournis par l’expérimentation apermis de valider les approches théoriques au niveau des transferts radiatifs et convectifs. Dans un deuxième temps, le premier modèle qui a été développé dans ce travail a été adapté au cas d’une occultation « réelle » par de la végétation (lierre ou vigne vierge) puis validé expérimentalement. Il a été finalement implémenté dans un code de simulation thermique dynamique de bâtiment (TRNSYS), et ainsi l’incidence thermique des murs végétalisés simples (intensifs) a pu être évaluée à l’échelle réelle d’un bâtiment. Les résultats de simulations pour un climat tempéré montrent que la présence des plantes à feuilles persistantes a un impact négatif sur la demande énergétique hivernale. A l’inverse, en période estivale, les résultats montrent que les murs végétalisés ont un intérêt au niveau de la limitation des surchauffes. Leur présence réduit alors notablement la consommation énergétique nécessaire pour « climatiser » le bâtiment et améliore ainsi le confort thermique intérieur. / This PhD thesis aims to understand and analyse the heat exchanges that occur between a building and its environment in the presence of intensive vegetated walls. In this manuscript, a numerical and experimental approach to evaluate the thermal impact of green walls is presented. A platform composed of three identical prototypes (3 thermal mini-laboratories) under real weather conditions has been designed and instrumented. As a first step, two screens permitting a rapid and gradual variation of coverage rate from 10 to 100% were added to the prototypes. Thus, several series of measurements were performed and significant reductions in temperature and heat flow were recorded and interpreted. The primary objective of this experimental approach was to implement an artificial shading and thus controlled. A first model was developed based on the writing of heat exchanges energy balance equations between the wall with variable coverage rate and its climatic environment. This model confronted to the experimental results allowed the validation of the theoreticalapproaches at the level of radiative and convective heat transfer. Secondly, the first model that was developed in this work has been adapted to the case of a "real" occultation by vegetation (Ivy or Virginia creeper) then validated experimentally.It was finally implemented in a dynamic thermal simulation code (TRNSYS), and thus the thermal impact of green walls were evaluated at the real scale of a building. Simulation results in a temperate climate show that the presence of evergreen plants has a negative impact on winter energy demand. Conversely, in summer, the results show that green walls have an interest in limiting overheating. Their presence significantly reduces energy consumption needed to cool the building and improves the indoor thermal comfort.

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre du projet EPEC (Epuration en Eau Courante) soutenu par le programme ECOTECH 2010 de l’ANR. Ce projet doit permettre d’aider à répondre aux exigences de la Directive Cadre sur l’Eau pour les petits cours d’eau en zone rurale. Deux voies ont été explorées i) la première vise à étudier et à proposer des moyens d’améliorer la capacité d’épuration au sein de systèmes naturels, en s’appuyant sur des observations réalisées sur deux cours d’eau en Lorraine (Brénon et St-Oger) ii) la seconde concerne la réduction des impacts sur le milieu récepteur des rejets de stations d’épuration en milieu rural par l’étude du fonctionnement de zones de rejet végétalisées (ou ZRV) à la sortie de ces stations. A l’échelle de la rivière, la caractérisation sur tout son cours permet de distinguer les zones les plus susceptibles de présenter des phénomènes d’autoépuration marqués. Cela a permis, en combinaison avec des caractérisations hydromorphologiques, de sélectionner pour chacun tronçon de taille plus réduite. Ces tronçons sont localisés en aval de zones urbanisées et présentent une succession de parties rectifiées et de parties naturelles. La réponse du tronçon naturel face aux polluants domestiques est différente selon le cours d’eau. Le tronçon naturel du Brénon, d’une longueur d’environ 6 km était efficace en termes d’abattement des matières organiques, de l’azote ammoniacal et des nitrates. Quant au St-Oger, les polluants ont été beaucoup moins influencés dans le tronçon naturel dont la longueur n’était que de 0.5 km. La troisième échelle s’est intéressée au compartiment hyporhéique dont le comportement est déterminé par les caractéristiques hydromorphologiques du cours d’eau, la composition du substrat et notamment sa porosité, et les conditions hydrologiques qui varient en fonction des aléas climatiques. A partir de prélèvements dans la zone hyporhéique (- 30 et -50 cm pour le Brénon et -20 et -30 cm pour le St-Oger), quatre types de fonctionnement ont été distingués en fonction de la disponibilité en oxygène dissous et des échanges possibles entre la zone hyporhéique et l’eau de surface : (1) les zones aérobies à échange hyporhéique important contribuent à la dégradation des matières organiques et à l’oxydation de l’azote ammoniacal ; (2) les zones anoxiques à échange hyporhéique moindre caractérisées par une épuisement rapide de l’oxygène dissous par le biais de métabolismes microbiens aérobies et par une réduction des nitrates ; (3) les zones anoxiques à faible échange hyporhéique caractérisées par une accumulation des sels en profondeur et une réduction des nitrates et sulfates et (4) les zones fermées caractérisées soit par présence du colmatage soit par une très faible conductivité hydraulique. Ces fonctionnements ont pu partiellement être reproduits au laboratoire dans un réacteur à lit poreux permettant de simuler la zone hyporhéique. Le terme de ZRV est utilisé pour décrire des espaces aménagés entre le point de rejet de station d'épuration en amont et le milieu récepteur en aval, dans le but de réaliser un traitement de finition des eaux résiduaires traitées. Ces ZRV ont montré une forte capacité à éliminer les nitrates et les phosphates en période estivale, mais une production de carbone organique dissous a aussi été notée lié à la décomposition des macrophytes (phragmites, lentilles d’eau, algues, etc). En plus, une forte production d’oxygène par la photosynthèse des algues a été observée au printemps. Cependant, cette production s’atténuait progressivement avec la vitesse de recouvrement de l’eau libre par de lentilles d’eau. Deux tests biologiques sur le potentiel de la dénitrification et de méthanisation des sédiments des zones humides ont été effectués en laboratoire pour corroborer les observations de terrain / The present PhD work was carried out within the project EPEC (Epuration en Eau Courante) funded by an ANR program, ECOTECH, in order to meet the requirements of Water Framework Directive for small streams, in particular in rural areas where domestic wastewater could be directly discharged by reason of lack of sewerage network and contribute to water quality degradation. Two study directions have been taken: i) the first aimed to study natural purification in stream systems and find out the way to improve water quality, and 2) the second concerned the reduction of the impact of wastewater treatment plants (WWTP) discharge to receiving water bodies by installation of a free-surface constructed wetland between them. Three study scales were investigated within two rural streams of Lorraine, Brénon and St-Oger. At stream scale, characterization of water quality along its course allowed us to distinguish some segments where occurred naturel purification processes. The second study scale was on relevant stream sections presenting interesting hydromorphologic features. These sections were located at the downstream of urban areas and present a succession of rectified and naturel segments. The response of naturel sections to domestic pollutants was different for the two streams. The Brénon section length of about 6 km was efficient for organic matter, ammonium nitrogen and nitrates removal. Concerning the St-Oger stream, the pollutants were less influenced in the natural section long of only 0.5 km. The last study scale focused on the hyporheic zone where system function depends on hydromorphologic features of the stream, composition of streambed, especially its porosity, and hydrologic conditions which depends on climate. According to analysis on hyporheic waters sampled at -30 and -50 cm for Brénon and -20 and -30 cm for St-Oger, four functional zones were distinguished in relation with dissolved oxygen availability and possible water exchange between hyporheic zone and surface water: (1) aerobic zones at high hyporheic exchange showing contribution to organic matter degradation and oxidation of ammonium nitrogen; (2) Anoxic zones with less hyporheic exchange characterized by fast dissolved oxygen depletion by aerobic microbial metabolism and reduction of nitrates; (3) Anoxic zones with low hyporheic exchange characterized by accumulation of salts in deep layers and reduction of nitrates and sulfates and (4) “closed” zones characterized by clogged spaces or very low hydraulic conductivity. These functions could be partially reproduced in laboratory within a porous bed reactor simulating an hyporheic zone. Free-surface wetlands are spaces constructed between the discharge point of the WWTP and the receiving watercourse, here small streams in rural areas, with the aim to finish the waste water treatment. The wetlands had shown high capacity to remove nitrates and phosphates in summer periods. However a production of dissolved organic carbon was noticed and results from plant decomposition (reed, duckweed, algae, etc.). Algae contributed to high oxygen production through photosynthesis in spring. This production progressively decreased with the proliferation of duckweed on the water surface. Two biological tests on sediment's potentiality for denitrification and methane production were carried out at laboratory scale in order to corroborate the field observations

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.

Les Stations de Traitement des Eaux Usées (STEU) sont l'une des principales sources de rejet de résidus médicamenteux dans l'environnement. Depuis 2009, les Zones de Rejet Végétalisées (ZRV) sont mises en oeuvre entre le rejet de la STEU et le milieu récepteur, mais leurs capacités d'abattement sont encore peu étudiées. Pour combler ce manque, les performances d'épuration de 2 STEU et de leur ZRV, ont été évaluées pendant 2 années. Les résidus médicamenteux (86) ont eu une majorité de rendements d'épuration compris entre 30 et 70 % dans les ZRV et avec des maximums en été et des minimums en hiver. Relativement aux abattements observés sur les STEU en amont, la contribution des ZRV à l'épuration globale du site était inférieure à 30 % du flux entrant. Aussi, la réduction des volumes d'eau rejetés au milieu naturel a été corrélée avec une augmentation des concentrations en résidus médicamenteux. Par ailleurs, les plantes ont montré une capacité d'absorption des médicaments spécifique à l'espèce étudiée, alors que l'observation des concentrations dans les boues, a mis en évidence une tendance à une adsorption en été et un relargage en hiver des micro-polluants. / Wastewater Treatment Plants (WWTP) are considered as one of the most important pharmaceutical compound discharges into the environment. Since 2009, French Water Agencies, promote Surface Flow Treatment Wetlands (SFTWs) at the outlet of WWTPs, between the WWTP and the receiving aquatic environment but their removal efficiencies are not well investigated. To overcome these lacks of knowledge, pollutant removal efficiencies of 2 WWTP and their SFTW were monitoring during 2 years. ln regard to pharmaceutical compounds (86), SFTW removal efficiency rates ranged from 30 to 70% with maximum values in summer and minimum values in winter. The SFTW removal efficiency contributions to WWTP were inferior to 30%. ln addition, SFTW inflow reductions were correlated with an increase of drug compound concentrations in the outflow. Furthermore, there was a specific absorption of these micro pollutants by plants whereas there were dynamic interactions between sampled mud and drugs residues with an adsorption during summer and a release during winter.

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.