L'objectif de cette thèse est de décrire et de hiérarchiser les processus à l'origine du ruissellement sur les parcelles artificiellement drainées, en prenant en compte non seulement les fluctuations de la nappe superficielle, mais aussi la dégradation éventuelle de la structure du sol en surface. A cet effet, trois axes complémentaires de recherche ont été développés. <br />Le premier axe est consacré à l'étude de l'évolution de la structure de l'horizon travaillé du sol au cours d'une pluie en présence de nappe superficielle, grâce à des simulations de pluie en laboratoire. Les profils de masse volumique mesurés par radiographie aux rayons X indiquent que l'effondrement et le changement de masse volumique lié à la croûte de battance sont plus marqués en conditions initiales très humides. Le modèle proposé d'évolution de la masse volumique avec la profondeur et au cours de la pluie, reproduit correctement cet effet.<br />Le deuxième axe a pour objectif de déterminer les propriétés hydrodynamiques de la croûte de battance à partir de données issues de nouvelles simulations de pluie associées à un modèle s'appuyant sur la distribution de la masse volumique du sol avec la profondeur. Les paramètres de ce modèle, estimés par méthode inverse, sont comparables aux mesures de masse volumique effectuées par rayons X, et permettent de correctement reproduire le comportement hydraulique du système, confirmant la forte baisse de la conductivité hydraulique en surface due à la croûte de battance.<br />Enfin, le troisième axe s'appuie sur le suivi expérimental d'une parcelle agricole drainée du bassin versant de Mélarchez (Seine et Marne) associé à une modélisation (logiciel HYDRUS 2D). Les observations durant l'hiver 2003-2004 confirment que le ruissellement est globalement limité en raison de la présence du drainage. L'affleurement de la nappe reste le facteur prédominant à l'origine du ruissellement, même si la croûte de battance, créée notamment par ce premier type de ruissellement, est susceptible d'augmenter les quantités ruisselées. La modélisation permet d'étudier le comportement du système sous d'autres conditions pluviométriques. En particulier, les périodes de retour des pluies conduisant à l'affleurement de la nappe et les conditions d'écoulement lors de ces affleurements sont analysées.

La compréhension des mécanismes de transport de solutés dans un milieu poreux variablement saturé tel que les sols à nappe drainée par tuyaux enterrés, est essentielle afin de répondre aux interrogations concernant l'impact de ces systèmes sur la qualité des eaux de surface. L'approche choisie repose sur des expériences de traçage réalisées en régime permanent sur modèle physique de sol au laboratoire, permettant un contrôle des conditions initiales et aux limites. La première partie de la thèse est dédiée aux études monodimensionnelles, afin de caractériser la zone non saturée du sol. Nous avons utilisé une colonne de sol (1*0,15 m²) et un modèle physique de grande taille (1*2*0,5 m3), remplis tous deux d'un sol sablo-limoneux. Les traceurs utilisés sont le H218O et le Cl-. La deuxième partie du travail traite le cas des écoulements bidimensionnels, réalisées uniquement sur le modèle physique. Deux scénarios ont été choisis : un soluté apporté en surface et un soluté résidant dans le sol. Seul le Cl- a alors été utilisé comme traceur. Le transport de solutés a été étudié par un suivi in situ (sondes de conductivité électrique) ainsi qu'à l'exutoire du système. L'analyse des courbes d'élution obtenues pour les études monodimensionnelles a permis l'identification des mécanismes de transport et le calcul des paramètres de transport pertinents (par résolution inverse). Pour les expériences bidimensionnelles, il a été observé une hétérogénéité des champs de vitesses, avec une zone proche du drain où le lessivage est rapide et une zone proche de l'interdrain où le soluté progresse à faible vitesse. Dans le cas du soluté résidant dans le sol, les courbes d'élution (concentration et conductivité électrique) au drain montrent un palier stable puis une diminution de forme « exponentielle » jusqu'à atteindre les concentrations du niveau de base. La migration du soluté dans le cas d'un pulse apporté en surface du sol est singulier. La courbe d'élution en sortie du drain présente deux modes : (i) un premier mode sous forme d'un pic, (ii) et le deuxième sous forme d'un palier constant de concentration. Ces résultats expérimentaux ont été confrontés à la modélisation mécaniste (code HYDRUS-2D), utilisant les paramètres de transport obtenus dans les études monodimensionnelles. L'utilisation d'une deuxième méthode, le suivi de particules (approche lagrangienne), nous a permis d'obtenir le cheminement de l'eau et le temps de transfert des particules dans le sol.

La modélisation quantitative du transfert de l'eau et des solutés dans la zone non saturée des sols nécessite la mesure in situ des paramètres hydro-dispersifs. L'infiltrométrie sous pression controlée couplée à l'utilisation de traceurs de l'écoulement de l'eau est pour cela un outil efficace et simple à mettre en oeuvre sur le terrain. La modélisation des transferts et l'analyse des résultats des calculs conduit à une methode simplifiée de caracterisation hydro-dispersive par infiltrométrie. La conductivité hydraulique K et la sorptivité S sont estimées à partir de l'analyse aux temps courts ou aux temps longs de l'infiltration cumulée. La méthode mono-tracage est utilisée pour le calcul de la fraction d'eau mobile F. Une nouvelle méthode d'estimation du coefficient de dispersion D est proposée. Elle est telle que D reste l'unique paramètre à ajuster sur les données issues de l'échantillonnage du sol à la fin de l'infiltration. L'incertitude d'estimation est de plus définie pour chacun des paramètres. Le domaine de validité des méthodes est precisé à partir de données genérées numeriquement. Pour le calcul de K, S et F, il est défini à partir des temps caracteristiques de l'écoulement de l'eau, de la lame de solution infiltrée et de la dispersivité du milieu. La validité du mode de détermination de D dépend du nombre adimensionnel pext. Trois sols sont caracterisés in situ. La porosité bimodale des deux premiers induit une forte augmentation des paramètres hydrodynamiques à l'approche de la saturation, et de F avec la taille moyenne de pores hydrauliquement fonctionnels. Le troisième est soumis à l'encroutement de surface. Les résultats de la caractérisation hydro-dispersive renforcés par l'observation du réseau poral sur lames minces montre que le rôle des croutes de surface sur l'infiltrabilité est minimisé par rapport à celui du sol sous-jacent. De plus, le sol sous-jacent semble protegé de la coalescence par les croutes de surface.

Le transfert des contaminants dans la zone non-saturée des sols est gouverné par de nombreux mécanismes. Parfois, les études de terrain sont difficiles à mettre en œuvre, et il se pose la question de la transposabilité des résultats de laboratoire vers une situation de terrain.<br /> Le site de la centrale nucléaire de Brennilis (Finistère) a été choisi pour étudier le transfert du strontium, du cobalt et de traceurs inertes dans le sol. Plusieurs échelles d'observation ont été testées (tube à essai, réacteur agité à flux ouvert, colonne de sol tamisé, lysimètre de sol remanié ou non, mesures de terrain) afin de déterminer, à chaque échelle, les principaux facteurs d'influence du transfert des contaminants, puis de vérifier l'adéquation des différentes échelles d'observation entre elles et leur représentativité par rapport au terrain.<br /> Concernant les propriétés hydrodynamiques du sol, la porosité, la teneur en eau sur le terrain, la vitesse porale aux teneurs en eau du terrain, la conductivité hydraulique à saturation et le coefficient de dispersion de ce sol remblayé sont spatialement moins hétérogènes que dans les sols agricoles ou non-anthropisés. Les résultats obtenus en lysimètre et sur le terrain suggèrent que l'hydrodynamique de ce sol non-structuré peut être étudiée sur un prélèvement remanié si le volume de sol est grand par rapport aux rares cailloux de grande taille.<br /> Concernant les interactions chimiques sol-contaminants, les isothermes du cobalt et du strontium sont non-linéaires au-delà de 10-4 mol.L-1. L'adsorption et la désorption du cobalt sont rapides et indépendantes du pH. Au contraire, en deça de 3,5.10-6 mol.L-1, les isothermes du cobalt et du strontium sont linéaires, la désorption du cobalt est nettement plus lente que l'adsorption et le coefficient de partage ainsi que les cinétiques sont nettement dépendants du pH. Pour les deux éléments, les résultats obtenus en tube à essai, en réacteur agité à flux ouvert et en colonne de sol tamisé sont concordants. Par contre, l'adsorption du strontium en tube à essai à l'équilibre n'explique pas totalement les résultats du traçage sur le terrain.

La protection de la grotte ornée de Cussac, inventée en 2000, se base en partie sur la compréhensionde ses relations avec le massif karstique et des conditions d’écoulement dans la zone non saturée deseaux liées à la cavité.Nous bénéficions à Cussac d’un accès à plusieurs écoulements provenant de différentes parties de laZone Non Saturée (ZNS) et d’une petite zone saturée ainsi que de la présence d’une grotte interceptantdes écoulements à l’intérieur du massif. Les paramètres aérologiques de la cavité dont la pressionpartielle de CO2 (pCO2) et la température ont fait l’objet d’un suivi depuis 2003 pour élaborer unmodèle simple de ses relations avec l’atmosphère extérieure et l’atmosphère de la ZNS.Une première partie de l’étude est consacrée à la caractérisation des écoulements par le suivihydrochimique et hydrodynamique depuis 2008. Elle aboutit à un schéma général du fonctionnementdu système karstique perché de Cussac.Au-delà de l’utilisation des outils classiques pour l’étude des aquifères karstiques nous avons souhaitéétudier les écoulements hydrologique et aérologique à travers l’une des spécificités du systèmekarstique : l’interdépendance des phases gazeuse, liquide et solide.Les échanges entre la roche, l’eau et la pCO2 de l’air de la ZNS ont été estimés à partir de l’utilisationdes équations d’équilibre calco-carboniques. Le schéma de fonctionnement est enrichi par une visionconceptuelle des conditions d’écoulement et une localisation dans les différentes parties du massif desprocessus de dissolution et évasion de CO2 et de dissolution et précipitation de carbonate.L’étude du delta13C apporte des précisions sur l’évolution de la pCO2 dans la ZNS et dansl’environnement particulier qu’est la cavité. La signature isotopique du CO2 de la ZNS est estimée àpartir des mesures de delta13C dans les eaux. Cela nécessite de prendre en compte les processusd’évolution du carbone minéral total dissout au cours des écoulements. / The protection of Cussac engraved cave, discovered in 2000, is based upon the comprehension of itsrelationship with the karstic system and flow conditions in the unsaturated zone (UZ) understanding.Cussac site gives access to several springs from different parts of the UZ and a small saturated area.The cave itself is accessible and allows interception of flow inside the karst environment. Aerologicparameters including CO2 partial pressure (pCO2) and temperature of the cave have been monitoredsince 2003 to build a simple model of its relations with external atmosphere air and UZ air.A first part of the work is dedicated to the characterisation of the flows by a monitoring since 2008 ofwater chemistry and dynamics. This part lead to a Cussac perched aquifer functioning general scheme.To complete these classical investigations we wished to define hydrologic and aerologic flows in karstaquifers using one of its specificity: interdependency of gaseous, liquid and solid phases.Exchanges between rock, water and pCO2 of the UZ are estimated using calco-carbonic equilibriumequations. Functioning scheme is enriched by a conceptual view of flow conditions and a localisationin the karst of the CO2 dissolution or evasion and carbonate dissolution or precipitation process.Precisions on pCO2 evolution in UZ and in the particular environment of the cave are given by d13C.Unsaturated Zone CO2 isotopic composition is estimated from d13C measurement in water. This needto take in account total dissolved inorganic carbon variations process.

La zone non saturée joue un rôle clé sur le transfert des pesticides et la qualité des eaux souterraines. Les connaissances sur les processus d’écoulement et de rétention dans les matériaux géologiques de la zone non saturée au-delà des sols sont toutefois parcellaires. Le transfert du glyphosate et du S-métolachlore (SMOC), et de leurs métabolites AMPA, ESA-métolachlore (MESA) et OXA-métolachlore (MOXA) est étudié en colonne pour deux matériaux fluvio-glaciaires issus d’un aquifère de l’Est lyonnais : un sable, S-x, et un mélange bimodal de graviers et de sables, Gcm,b. Pour des conditions de non-saturation en eau, l’écoulement dans les colonnes est fractionné en deux zones, eau mobile et eau immobile, d’importance variable suivant le solide. La sortie du SMOC est retardée par rapport au traceur de l’eau ; son bilan de masse déficitaire traduit une rétention de la molécule lors de son transfert. A l’inverse, le MESA et le MOXA se comportent comme le traceur de l’eau. Le glyphosate et l’AMPA sont très peu mobiles dans la colonne de Gcm,b (seul matériau étudié) avec des quantités éluées inférieures à 1% de la quantité appliquée. La modélisation montre que le transfert des molécules est affecté de manière variable suivant le matériau par la cinétique physique d’échange entre les zones d’eau mobile et immobile et par la cinétique chimique des molécules. Cette cinétique chimique est décrite par des expérimentations complémentaires de sorption en batch. La caractérisation des matériaux révèle la présence d’oxydes et de minéraux argileux qui pourrait expliquer leur forte réactivité, qui s’avère parfois supérieure à celle des sols de la zone d’étude. / Vadose zone play a key role in pesticides transfer and groundwater quality. Knowledge’s about leaching and retention processes in the vadose zone below the shallow soil zone are still poorly understood. Transfer of glyphosate, S-metolachlor (SMOC), and their metabolites AMPA, ESA-metolachlor (MESA) and OXA-metolachlor (MOXA) is studied in unsaturated columns filled with two glaciofluvial materials collected in the East of Lyon: a sand, S-x, and a bimodal gravel, Gcm,b. Experiments show water fractionation into mobile and immobile compartments with variable importance according to material column. SMOC outflow is delayed compared to the conservative tracer. SMOC mass balance is in deficit revealing retention in columns. At the opposite, complete mass elution associated with retardation factors close to unity shows that there is no adsorption of MESA and MOXA in either lithofacies. Glyphosate and AMPA mobility is very low in the one Gcm,b column studied with amounts in leachates inferior to 1% of applied. Modelling show pesticides and metabolites transfer is affected by both flow regionalisation and non-equilibrium sorption. Chemical kinetic of sorption mechanisms is studied with complementary batch experiments. The high glaciofluvial materials reactivity, in some cases upper than soil reactivity from the study site, could be attributed to oxides and clay minerals.

Des écoulements matriciels et des flux préférentiels peuvent se produire concurremment dans le même sol. Ces deux régimes d'écoulements se manifestent par des empreintes de flux caractéristiques qu'on peut visualiser par des essais de traçage. Afin d'extraire l'information quantitative des essais de traçage un grand nombre de méthodes existe. On peut, entre autre, décrire les empreintes de traceur par ce qu'on appelle la fonction de couverture, c'est à dire le pourcentage de région teintée par un traceur coloré en fonction de la profondeur du sol. En utilisant la statistique des valeurs extrêmes cette fonction peut être réinterprétée comme une fonction exprimant la probabilité de trouver le traceur à une profondeur donnée. Ainsi, la fonction de probabilité à deux paramètres 1 - H, H étant la distribution de Pareto généralisée, peut être ajustée. Le paramètre de forme de cette fonction est utilisé comme indice de risque de propagation verticale des solutés. Nous avons effectué des essais de traçage au Bleu Brillant FCF sur trois sites différents : dans une forêt d'épicéa dans le sud-est de l'Allemagne, dans une forêt tropicale humide montagnarde en Équateur et sur un champ agricole au sud de la France. Nous avons examiné la capacité de l'indice de risque à rassembler l'information principale des essais de traçage et à caractériser les empreintes de flux dans des sols différents, sous conditions aux limites diverses. Nos résultats indiquent que l'indice de risque est, dans une certaine mesure insensible aux changements des conditions aux limites (comme l'intensité d'irrigation). Par contre, l'humidité initiale du sol semble influencer cet indice de façon importante. L'ajustement des paramètres de la fonction Pareto généralisée s'avère difficile si la fonction de couverture fluctue ou ne décroît pas de manière monotone. Ceci peut être dû à la tortuosité des chemins d'écoulement, à la variation des mécanismes de flux ou aux changements de propriétés physiques du sol (stratification). Ainsi, dans des sols stratifiés nous avons restreint l'analyse à la partie inférieure du profil de sol. En effet, étant donné que la théorie de l'indice de risque est basée sur les valeurs extrêmes de propagation verticale de solutés c'est la partie inférieure qui est la plus intéressante. Nous proposons de combiner les deux paramètres de la fonction Pareto généralisée et d'utiliser la distribution 1 - H complète afin d'estimer le risque de propagation verticale des solutés dans le sol. Bien que l'indice de risque montre une certaine invariance vis-à-vis du changement des conditions aux limites il n'est pas un paramètre intrinsèque de sol. Comme le régime d'écoulement dans un même sol peut être dominé soit par le flux matriciel soit par le flux préférentiel le risque de propagation verticale des solutés change. Ceci est une réalité physique et non un défaut dans la théorie de l'indice de risque. Les paramètres de la fonction de Pareto généralisée capturent le régime d'écoulement dominant représenté par les empreintes du traceur. En prenant en compte les conditions aux limites de l'essai de traçage comme l'intensité d'irrigation, le traceur utilisé, l'humidité initiale du sol ou la nature de la végétation (pérenne ou saisonnière, type d'enracinement) il est ainsi possible de comparer des sites différents ou des résultats obtenus sur le même site sous conditions aux limites différentes et d'estimer le risque de propagation verticale de solutés. L'analyse d'image d'empreintes de flux basée sur le risque de propagation verticale de solutés a révélé l'existence d'écoulements préférentiels sur le site allemand. Afin de comprendre les mécanismes de flux ainsi que les impacts éventuels des flux préférentiels sur la chimie du sol nous avons analysé la texture du sol, la densité racinaire, la densité du sol, la concentration des cations échangeables, le pH, et les teneurs en C et N total dans les chemins préférentiels et la matrice du sol. Les résultats de la modélisation indiquent que sur ce site les racines constituent les chemins préférentiels et créent les écoulements le long des macropores, surtout dans la partie supérieure du sol. Dans la partie inférieure la densité racinaire diminue et l'infiltration hétérogène à partir des chemins préférentiels dans la matrice provoque un écoulement non-uniforme. Nous n'avons constaté aucune différence significative de texture, mais des différences de densité du sol dans les chemins préférentiels par rapport à celle de la matrice. Ceci est probablement dû à la quantité de matière organique plus élevée dans les chemins préférentiels. Nous avons également trouvé des pH plus acides, plus de Ca, plus de Mg, et plus de C et de N dans les chemins préférentiels. Comparé à la matrice, des quantités plus importantes d'Al et de Fe (mais de petites quantités absolues) ont été trouvés dans la partie inférieure du sol où l'écoulement préférentiel le long des macropores créés par les racines diminue et le flux matriciel hétérogène domine. Ces propriétés chimiques distinctes peuvent s'expliquer par l'activité racinaire et la translocation de solutés et du carbone organique dissous (COD) le long des chemins préférentiels. Le temps de contact entre le COD et le sol étant réduit il est transporté plus bas dans le profil où il peut potentiellement créer des complexes organo-minéraux. Ainsi, l'écoulement préférentiel est un mécanisme qui peut promouvoir la séquestration de C en sous-sol et n'influence pas uniquement son environnent immédiat, mais aussi les horizons sous-jacents. Un des acquis majeurs de cette thèse est le nombre important d'images d'empreintes de flux issues des sols différents. Dans les études qui suivront les méthodes récentes de réduction de dimensionnalité peuvent être employées afin de trouver d'éventuelles structures de basse dimensionnalité dans ces images

La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d'écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l'organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l'état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d'écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d'infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d'infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d'hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d'un modèle de fonctionnement de l'aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens.

La production croissante des nanoparticules issues du développement des nanotechnologies et leur incorporation dans des produits de consommation vont inévitablement conduire à leur introduction dans l’environnement. Ces particules peuvent constituer un vecteur de substances polluantes en raison du transport facilité des contaminants organiques ou inorganiques potentiellement adsorbés sur leurs surfaces ou représentent elles-mêmes un risque pour l’environnement et la santé humaine. La zone non saturée joue une fonction importante de filtration naturelle des eaux de recharge des nappes. Les mécanismes de transport et de rétention des nanoparticules à travers cette zone sont complexes du fait des hétérogénéités de type structural et textural de celle-ci. Ces hétérogénéités sont à l'origine des écoulements préférentiels et d’un grand nombre de facteurs d'interaction physico-chimiques liés aux propriétés des nanoparticules et de la zone non saturée elle-même. L'objectif de la thèse est de mieux comprendre les effets de ces hétérogénéités sur le transport des nanoparticules dans un milieu non saturé hétérogène afin de mieux prévenir le devenir des nanoparticules dans le sol. Dans ce contexte, trois matériaux granulaires (un sable et des mélanges sable-gravier) ont été mis en place en colonne (10 cm de diamètre x 30 cm de hauteur) et dans le lysimètre LUGH du LEHNA (100 x 160 x 100 cm3) pour simuler le transport des nanoparticules dans le sol. Le but est de déterminer le rôle des hétérogénéités texturale (différentes granulométries) et structurale (barrière capillaire) du sol, en prenant en compte les effets de la force ionique de la solution et de la vitesse d’écoulement sur le transfert des nanoparticules en conditions non saturées. Des nanoparticules de silice marquées par des molécules organiques fluorescentes ont été développées en tant que nanotraceur particulaire dans le cadre de cette étude, l’ion bromure a été utilisé pour caractériser l’écoulement de l’eau. Le modèle de transfert de non équilibre hydrodynamique à fractionnement de l'eau en deux phases mobile et immobile, MIM, incluant un terme de rétention et de relargage des nanoparticules, décrit correctement les courbes d'élution de nanoparticules, pour les expériences en colonne. Cette étude a permis de caractériser les effets liés aux différentes tailles des grains du sol et à la barrière capillaire sur la rétention des nanoparticules. Les expériences réalisées avec différentes forces ioniques montrent que pour les forces ioniques comprises entre 1 et 50 mM, la rétention est croissante comme prédit la théorie DLVO ; cependant à partir d’une force ionique supérieure à 100 mM il se produit une inversion de la rétention. Lorsque la vitesse d’écoulement diminue, la rétention augmente, probablement en partie à l’interface air-eau. Le lysimètre LUGH a permis d’identifier le rôle de la barrière capillaire sur la rétention des nanoparticules. Un modèlenumérique 3D basé sur l’équation de Richards pour l’écoulement et les équations convection dispersion couplées avec un module de rétention pour les nanoparticules a été dévelopé. Les résultats montrent que la rétention a augmenté à l’interface sable-milieu bimodal. Le profil de rétention de nanoparticules indique qu’elles sont majoritairement retenues en surface du sol, puis la rétention diminue avec la profondeur, pour les expériences réalisées en colonne. Le nanotraceur constitue un outil puissant pour l’étude du rôle des hétérogénéités dans le transfert des particules dans un sol non saturé. / Increasing production of nanoparticles from nanotechnology development and incorporation into consumer products will inevitably lead to their introduction into the environment. These particles can be a vector of pollutants due to the facilitated transport of organic and inorganic contaminants potentially adsorbed on their surfaces or represent a risk to the environment and human health themselves. The unsaturated zone plays an important function of natural water filtration recharge. The transport and retention mechanisms of nanoparticles through this zone are complex due to the structural and textural soil heterogeneities. These heterogeneities are causing preferential flows and are responsible a large number of physical and chemical interaction related to the nanoparticles properties. The aim of the thesis is to better understand effects of soil heterogeneities on the transport of nanoparticles in a heterogeneous unsaturated media to better prevent the fate of nanoparticles in the vadose zone. In this context, three granular materials (sand and sand - gravel mixtures) were introduced in column (10 cm diameter x 30 cm high) and the lysimeter LUGH of Lehna (100 x 160 x 100 cm3) to simulate the transport of nanoparticles in the soil. The goal is to determine the role of heterogeneous textural (different sizes) and structural (barrier capillary) heterogeneities of the soil, taking into account the effects of the ionic strength of the solution and the flow rate on the transfer of the nanoparticles in unsaturated conditions. Silica nanoparticles labeled with fluorescent organic molecules have been developed as particulate v in this study, the bromide ion has been used to characterize the flow of water. The transfer model of non-equilibrium hydrodynamic fractionation of water and two mobile and immobile phases, MIM, including a retention and release term of the nanoparticles, properly described breakthrough curves of nanoparticles on column experiments. This study allowed to characterize the effects related of different grain sizes of soil and capillary barrier on the nanoparticle retention. Experiments with different ionic strengths show for the ionic strength between 1 and 50 mM, the retention increased as predicted by the DLVO theory. However, from an ionic strengh greater than 100 mM an inversion retention occurs. When the flow rate decreases, retention increases, air - water interface increases and trapps probably the nanoparticles. Lysimeter LUGH allowed to identify the role of the capillary barrier on the retention of nanoparticles. A 3D numerical model based on Richards equation for flow and the convection dispersion equations coupled with a mechanical module for nanoparticle trapping was developed. Results show retention increased in the sand-bimodal interface. The retention profile indicates that nanoparticles are predominantly retained at the soil surface, then the retention decreases with depth, for the column experiments. The nanotracer is a powerful tool for studying the role of heterogeneous in the transfer of particles in an unsaturated soil.

La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d’écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l’organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l’état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d’écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d’hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d’un modèle de fonctionnement de l’aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens. / The first study of karst aquifers unsaturated zone (UZ) functioning, by direct access, was conducted on the experimental area of the Fontaine de Vaucluse, including the underground gallery of the LSBB. This gallery intersects arbitrarily, within the UZ, the karst network and flow paths. Observed flows are distributed throughout the gallery corresponding to different limestone thicknesses (30 to 514m). 45 flow points were observed and followed at least once. The hydrodynamic and hydrochemical monitoring over 8 years show that: (i) the flows spatial and temporal organisation is a function of depth and the fracturing density, (ii) the hydrodynamic and hydrochemical flows signatures are based on rainfall amount also as the initial state of the system (iii) in order to precise the conceptual model of karst aquifers is necessary to consider the nonlinearity of the hydrodynamic system’s responses.Three flow components are deduced: (i) a slow component, permanent, which is active regardless of hydrological conditions, and is characterized by significant residence time, (ii) a fast component, active only during strong recharge periods as marked by infiltration tracers. This component is characterized by low residence time and (iii) an intermediate component, highlighted by hysteretic behavior, as marked also by the infiltration tracers and is characterized by intermediate residence times. Considering the hysteresis phenomenon in UZ modeling by these direct observations confirms earlier conceptual models. The ultimate goal is to contribute to the development of a karst aquifer model, which could be transposed to other Mediterranean karst systems.