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Les eaux de ruissellement des chaussées et des voiries urbaines sont connues pour leur forte contamination en micropolluants organiques et métalliques. Afin de contrôler les flux d'eau et de polluants générés par les eaux de ruissellement dans l'espace urbain et ainsi protéger les milieux aquatiques récepteurs, des dispositifs alternatifs végétalisés peuvent être installés en bordure de voirie. Ils visent un traitement ou un prétraitement des eaux de ruissellement pour les pluies courantes mais également un retour vers un fonctionnement hydrologique plus proche du bilan naturel. Des dispositifs de traitement rustiques tels que bandes filtrantes et fossés sont déjà largement utilisés dans le milieu agricole. Par contre, leur application dans un contexte urbain ou en bordure d'une voirie présente plusieurs problématiques : dimensionnement de l'ouvrage, forte hétérogénéité des sols, présence d'infrastructures (fondations de la route, réseaux divers), contraintes d'intégration dans l'urbanisme. L'objectif principal de ce travail de thèse est de comprendre et de modéliser les processus hydrologiques en jeu dans ces dispositifs d'ingénierie écologique dans le milieu urbain et d'analyser les conséquences en termes de conception. Il s'agit notamment de mieux reproduire la répartition des flux entre infiltration, évapotranspiration, drainage et ruissellement superficiel à différentes échelles de temps. L'influence des différents éléments de conception de ces dispositifs est évaluée sous différents contextes locaux (structure de la chaussée, nature du sol et du sous-sol) afin d'aider au choix et à la conception de ces ouvrages. La première partie du travail consiste en une investigation des incertitudes liées à la mesure des propriétés hydrauliques du sol sur deux types d'ouvrages aux caractéristiques différentes, qui sont deux bandes enherbées et une noue filtrante situés en bordure de voirie en région parisienne. Cette phase a permis de caractériser la variabilité horizontale et verticale des propriétés hydrodynamiques du sol et d'évaluer leurs effets sur la modélisation hydrologique. De plus, l'incertitude liée à la mesure de la teneur en eau dans le sol est quantifiée au moyen d'un étalonnage des sondes en laboratoire et in situ. La deuxième partie consiste à évaluer la performance hydrologique de ces ouvrages. Pour le premier ouvrage étudié, une noue filtrante lourdement équipée, dont tous les débits entrants et sortants sont mesurés, une évaluation expérimentale est menée. Des indicateurs de performance hydrologique ainsi que des bilans de volumes sont calculés sur différentes échelles de temps. Une approche de modélisation est suivie pour le deuxième ouvrage qui est la bande enherbée. En effet, les mesures dans cet ouvrage ne permettent pas de calculer les bilans de volume, de sorte qu'une approche de modélisation à long terme est appliquée. Les processus de transfert dans la zone non saturée sont décrits sous le logiciel HYDRUS 2D / 3D couplé à un modèle de ruissellement de surface 1D. Ce modèle est validé sur la base des données mesurées et ensuite testé sous différentes configurations de bande enherbée. Les conclusions de cette thèse fournissent des connaissances considérables sur la performance hydrologique des systèmes de gestion des eaux pluviales en bordure de voirie en vue de faciliter le choix et la conception de ces ouvrages.
Cet ouvrage expose les connaissances hydrologiques les plus récentes sur la genèses des écoulements, les crues extrêmes et les étiages. Il fournit des conseils pratiques dans l’utilisation et l’interprétation des données. Il présente aussi des outils de modélisation qui peuvent être utilisés pour évaluer les risques hydrologiques et gérer des réserves hydrauliques en prenant appui sur les expériences récentes de leurs applications opérationnelles.
Cet ouvrage sans équivalent en langue française expose les principales méthodes et techniques nécessaires à la réhabilitation, la réalisation, la planification d'aménagements utiles à la gestion des ressources en eau et des risques naturels associés. Il couvre les principaux thèmes de l'ingénierie des eaux de surface, de la production des écoulements à leur propagation en rivière ou au travers d'ouvrages spécifiques. Il traite de façon détaillée les problématiques des données, de la modélisation hydrologique alpine, la régionalisation et la production de scénarios météorologiques pour les analyses hydrologiques. Les sujets sont présentés de manière rigoureuse, les méthodes décrites dans le détail et leurs applications commentées sur la base de la vaste expérience des auteurs dans ce domaine. Un CD-Rom comportant plus de 150 expériences et études de cas est intégré à l'ouvrage. Ce livre s'adresse à un public exigeant et varié, professeurs, étudiants, chercheurs, ingénieurs, géographes, écologues et spécialistes de l'environnement et de l'aménagement du territoire concernés par la gestion des ressources hydriques.
La modelisation a ete conduite dans un soucis de reduire le nombre de decisions arbitraires en recherchant une parametrisation du modele qui fournit des resultats acceptables pour de bonnes raisons, et non un modele peu contraint qui donnerait de meilleurs resultats sans raison connue. Un lot final de 94 jeux a ete retenu sur 17745 jeux explores. Cette selection s'est appuyee sur 3 criteres successifs dont deux de biais (sur le volume et le debit de pic) et un sur la dynamique (l'efficience de Nash). La pertinence de l'utilisation du critere de Nash en 3eme niveau de selection pour mieux discriminer les jeux finaux a ete demontree. Au bilan hydrologique, l'evapotranspiration represente 53%, la recharge des nappes d'eau souterraine 33% et les ecoulements en surface 14%. L'incertitude de modelisation sur chacun de ces termes ne depasse pas 2%. Le modele reproduit globalement de facon globalement satisfaisante les dynamiques interannuelles. Malgre la baisse probable de 41% de la disponibilite des eaux de surface, le ratio besoins/disponibilite evoluerait de 29% en 2011 a 44% en 2025. Une penurie critique d'eau est annoncee en 2020 et 2023 et des solutions d'attenuation sont proposees.
La gestion des RUTP est un enjeu majeur des collectivités, tant d'un point de vue des quantités d'eau ruisselées toujours plus importantes, que suivant un objectif de qualité pour les eaux superficielles en accord avec les exigences de la Directive Cadre européenne sur l'Eau. Pour ce faire, les municipalités se munissent d'ouvrages de gestion des eaux pluviales alternatifs (aux réseaux) afin de réguler les flux d'eau ou de redonner de la perméabilité aux sols urbains en infiltrant les eaux pluviales soit à grande échelle (bassins de retenue ou d'infiltration) ou à plus petite échelle directement à la source du ruissellement (systèmes de gestion à la source). Une documentation fournie existe sur la qualité des RUTP concernant les polluants globaux (MES, DCO, nutriments...), les métaux et les HAPs. Ces deux dernières familles de substances sont de la pollution des eaux pluviales et nombre d'études ont caractérisé leur traitement par des techniques alternatives. Peu ou pas d'études ne s'intéressent en revanche à une gamme plus vaste de micropolluants prioritaires tels que les pesticides, les alkylphénols ou encore les retardateurs de flamme bromés. La présente recherche a pour objectif de contribuer à pallier ce manque de connaissances en apportant des résultats sur la caractérisation qualitative in situ des eaux liées à deux types de dispositifs (centralisés et décentralisés) pour 59 micropolluants. Quatre sites expérimentaux ont ainsi été choisis pour les campagnes de mesure à l'exutoire de i) un bassin de rétention centralisé, et trois sites de gestion à la source drainant des parkings résidentiels : ii) une chaussée à structure réservoir, iii) une tranchée d'infiltration en graves, et iv) une noue végétalisée. 59 micropolluants de cinq familles différentes (métaux, HAPs, pesticides, alkylphénols, PBDEs) ont ainsi été analysés pour une douzaine d'évènements pluvieux. Les flux d'eau de plus de 100 évènements ont été étudiés grâce à des dispositifs de métrologie et de prélèvement spécialement développés afin de pouvoir mesurer l'ensemble de la gamme de débits observables à l'exutoire des ouvrages décentralisés. Il a été constaté que si les métaux et les HAPs sont les polluants les plus particulaires et les plus présents dans les eaux, ce sont aussi les mieux traités par les ouvrages, notamment les systèmes à la source dont la filtration se révèle plus efficace que la décantation du bassin centralisé. Les autres familles de micropolluants ont montré une spéciation plus aléatoire et une plus grande propension à être capté par la noue et la tranchée que par les autres ouvrages. Les sites à la source montrent un meilleur potentiel de traitement des eaux pluviales du fait de leur pouvoir de filtration intrinsèque par rapport au bassin centralisé, mais la noue et la tranchée se démarquent également par une rétention d'eau très importante qui accentue leur action épuratoire en termes de quantité totale en micropolluants rejetés dans les milieux.
CE TRAVAIL DE THESE A POUR OBJET DE DEFINIR DES MODELES ET DES OUTILS PERMETTANT DE MIEUX APPREHENDER LE FONCTIONNEMENT HYDROLOGIQUE DES CHAUSSEES A STRUCTURE RESERVOIR SERVANT AU STOCKAGE TEMPORAIRE ET AU DRAINAGE DES EAUX PLUVIALES. IL A POUR BUT DE FOURNIR DES OUTILS POUR LEUR CONCEPTION ET LEUR COMPORTEMENT A DIFFERENTES ECHELLES SPATIALES. CE MEMOIRE EST PRESENTE EN 4 PARTIES : - LA PREMIERE PARTIE DEFINIT LE CONTEXTE DE LA RECHERCHE EN FAISANT UN POINT SUR L'ETAT DE L'ASSAINISSEMENT PLUVIAL ACTUEL, SUR L'EMERGENCE DES TECHNIQUES ALTERNATIVES DONT FONT PARTIE LES CHAUSSEES A STRUCTURE RESERVOIR, ET ENFIN EN PRESENTANT LES DIFFERENTES FORMES QUE PEUVENT PRENDRE CES OUVRAGES. A PARTIR D'UNE TYPOLOGIE DES PROBLEMES RENCONTRES POUR LA COMPREHENSION DE LEUR FONCTIONNEMENT GLOBAL, DES AXES DE RECHERCHE SONT PROPOSES ; CE QUI PERMET DE MIEUX CIRCONSCRIRE LE TRAVAIL DE THESE QUE NOUS PROPOSONS. - LA DEUXIEME PARTIE EST CONSACREE A LA PRESENTATION ET A LA CRITIQUE DES DIFFERENTS MODELES PERMETTANT DE REPRESENTER LE FONCTIONNEMENT HYDROLOGIQUE D'UNE CHAUSSEE A STRUCTURE RESERVOIR. A L'ISSUE DE CETTE PARTIE UNE CLASSIFICATION DES DIFFERENTS MODELES EST PROPOSEE. - LA TROISIEME PARTIE POSE LES BASES D'UN MODELE CONCEPTUEL DE CHAUSSEES RESERVOIRS REGULEES OU NON A L'AVAL ET PROPOSE SON CALAGE A PARTIR DE MESURES REALISEES SUR DES SITES EXPERIMENTAUX DONT DEUX ONT ETE INSTRUMENTES ET SUIVIS PAR NOS SOINS. CETTE PARTIE SE TERMINE PAR L'EXAMEN DE LA VALIDATION DU MODELE. ENFIN, UNE QUATRIEME PARTIE PRESENTE LES RESULTATS D'UNE ETUDE DE COMPARAISON DES OUTILS DE CONCEPTION ET DE SIMULATION DES STRUCTURES RESERVOIRS POUR DES SITUATIONS TYPES.
Cet ouvrage constitue un instrument unique car il est le premier à rassembler et à formaliser dans un seul volume l'ensemble des méthodes de mesures nécessaires à une conception et à une gestion efficaces des systèmes d'assainissement, notamment par temps de pluie. Il aborde les questions relatives à la métrologie en hydrologie urbaine (méthodologie ; mesures des précipitations, des débits et des polluants ; évaluation des incertitudes ; validation des données...). Il précise systématiquement les bases théoriques, les principes de mesure, les données technologiques minimales, les avantages et limites des différentes méthodes, techniques et outils. Tons ces éléments sont illustrés d'exemples détaillés issus de la pratique quotidienne des auteurs. Particulièrement complète, cette référence répond aux besoins de nombreux intervenants : services de métrologie dédiés à l'hydrologie urbaine, techniciens de mesure, chargés d'étude ou d'autosurveillance, gestionnaires de système d'assainissement, chercheurs ou étudiants procédant à des recherches expérimentales...
Les processus de gestion et d'aménagements au Sahel, et en particulier à Tougou, constituent à l'heure du dérèglement climatique et de la dégradation très avancée des ressources naturelles, une priorité on ne peut plus majeure. Ceci explique d'ailleurs tout l'intérêt de plus en plus grandissant du nombre des études qui portent sur des thématiques relatives aux techniques de conservation des eaux et des sols (CES) vues que celles-ci, ont pour objectifs la protection des terres, la lutte contre l'érosion, la mobilisation et la maitrise des eaux de ruissellements ainsi que l'amélioration de la production agricole et semblent être les seules solutions du moment. Ces objectifs, font largement appel aux connaissances et aux méthodes de l'hydrologie. L'un des défis de l'hydrologie face aux enjeux climatiques de ces dernières années réside non seulement dans la mise au point de modèles de simulation du comportement des bassins versants afin d'établir des prévisions sur les effets probables d'événement climatiques exceptionnels ou non, mais également dans la meilleure planification de l'aménagement et de la gestion des territoires. La problématique de ce travail de recherche repose sur le développement d'un outil qui soit capable d'une part de modéliser en continue les paramètres du bilan hydrologique, tout en les estimant et d'autre part qui soit en mesure de montrer les différents chemins suivis par l'eau ruisselée sur le versant au travers d'une analyse spatiale sous SAGA-GIS. La tentative de réponse à ces questionnements a nécessité, l'adaptation de la méthode SCS-CN empirique au contexte sahélien où les processus hortoniens prédominent, puis sa transcription dans un algorithme python en vue de son automatisation et de son interaction avec les SIG. Dans la perspective de la connaissance en temps réel de la situation hydrologique d'un bassin versant dans son intégralité, l'analyse spatiale et comportementale du bassin versant (BV) a conduit à le diviser en trois classes d'occupation de sols supposées homogènes. La stratégie globale employée, consistait à évaluer ou à simuler grâce au modèle SCS-CN modifié, les caractéristiques CN, lamax, Smax, lnf et Lr du fonctionnement hydrologique d'abord au niveau de chacune des unités texturales (Parcelles homogènes), puis ensuite au niveau de chacune des trois classes d'occupation de sols (Etats de surface cultivés, dégradés, et avec croûte de dessiccation), pour enfin parvenir à les étendre à l'ensemble du BV. Au nombre des différents résultats obtenus et discutés, il faut retenir sur le plan de la modélisation proprement dite, le fait que le modèle ait apporté la preuve d'un fonctionnement satisfaisant en ce sens, qu'il simule en moyenne par rapport au volume moyen ruisselé observé, le volume d'eau ruisselé à plus de 82% sur les états de surface cultivés et à environ 99% sur les états de surfaces dégradés et nus, et sur le plan de l'analyse par classification hiérarchique ascendante, elle nous apprend que l'on pourrait s'affranchir de la limite que nous imposait les textures pour des classes d'occupation beaucoup plus grande. Enfin, le dernier volet des résultats concernant la construction du modèle hydrologique n'a été qu'à peine abordé, et se résume dans le présent travail à l'élaboration d'un protocole de routage dynamique fonction des cartes d'isochrones.
Les environnements montagneux sont un lieu privilégié d'échange d'eau et d'énergie. Les rivières de montagne alimentent en eau 40% de la population mondiale et sont sujettes à une pression démographique et climatique important. Dans ce contexte, la compréhension des processus météorologiques, hydrologiques et hydrogéologiques est fondamentale pour la gestion globale de la ressource en eau. L'étude, présentée dans ce manuscrit de thèse, se positionne au sein des environnements montagneux où l'hydrologie est influencée par le couvert neigeux saisonnier et par les glaciers, et propose une approche de modélisation interdisciplinaire afin d'améliorer la compréhension des processus en jeu.Aujourd'hui, si les modèles sont capables de simuler le débit sur les rivières de montagnes jaugées sous influence nivale et glaciaire, un certain nombre d'incertitudes persistent quant à l'utilisation de tels modèles hors de leur conditions de validation (en réponse à un climat différent ou sur un domaine non-jaugé). La principale source d'incertitude est liée au manque de connaissance des précipitations en montagne, dont la mesure est rare et incertaine. C'est pourtant la principale composante du bilan hydrologique. A cet égard, nous proposons d'exploiter l'information fournie par la géométrie du couvert neigeux et des glaciers, en tant que “pluviomètres géants” à l'échelle de ces réservoirs, dans un modèle hydrologique à réservoirs conceptuels reposant sur la notion de bassin versant.L'information, hydrologique, nivale et glaciaire est évaluée dans un cadre de calibration multi-objectifs. Les résultats montrent que, dans cette configuration, la validation conjointe du modèle hydrologique par le débit journalier, le bilan de masse glaciaire annuel et la hauteur de neige locale journalier permet de réduire fortement l'incertitude sur le forçage météorologique journalier et d'améliorer la robustesse du modèle. Ce résultat préliminaire nous a permis de reconstruire, en conséquence, le bilan de masse local annuel à l'échelle des glaciers.Par ailleurs, la représentation des glaciers au sein d'un modèle hydrologique pose un certain nombre de défis, surtout dans la perspective de simuler les processus hydrologiques à l'échelle pluri-annuelle. En particulier, la prise en compte de l'évolution de la géométrie des glaciers au sein d'un modèle hydrologique est balbutiante. A cet égard, nous proposons, dans cette étude, des axes d'amélioration de la représentation des glaciers au sein d'un modèle hydrologique par un angle d'investigation géomorphologique. Cette approche a permis d'élaborer un modèle probabiliste permettant de décrire les surfaces englacées au sein d'un bassin versant selon une courbe de niveau.
Les multifractals universels (UM) sont un outil puissant et abondement utilisé d'analyse et de simulation de champs géophysiques, comme la pluie, extrêmement variables sur une large gamme d'échelle. Ils sont basés sur le concept de cascade multiplicative qui repose sur la notion physique d'invariance d'échelle pour explorer le phénomène fondamental qu'est l'intermittence. Dans ce cadre, toute la variabilité du champ est caractérisée à l'aide de simplement trois paramètres qui ont en plus une interprétation physique. Dans cette thèse on utilise ce cadre théorique pour quantifier l'impact de la variabilité à petite échelle de la pluie en hydrologie urbaine. La première étape consiste à analyser la variabilité spatio-temporelle de données radar de précipitation à l'aide d'un modèle multifractal anisotrope simple. Divers évènements pluvieux sont analysés. Un comportement scalant a été observé sur deux gammes d'échelles séparées par une rupture à 16 km qui est discutée. Ces données sont globalement en accord avec un modèle spatio-temporel simple reposant un exposant d'anisotropie entre l'espace et de temps. Les résultats suggèrent une possible universalité des paramètres UM pour les précipitations. Cette thèse aborde également un autre aspect de l'intermittence, particulièrement important pour les longues séries temporelles pluviométriques, que sont les nombreuses mesures nulles de la pluie (c'est-à-dire un pixel où aucune pluie n'est relevée), i.e. les longues périodes sèches. L'ancienne question de la source de cette intermittence, et notamment la nécessité d'un modèle dédié, est revisitée. D'abord les effets d'un seuil sur un champ multifractal sont analysés et ensuite un « toy model » qui introduit des zéros au sein du processus de cascade et conditionnellement aux valeurs du champ est développé. Cela permet d'expliquer la plupart des comportements observés, e.g. les différences entre les statistiques évènementielles et globales. L'impact de la variabilité de la pluie est analysé à travers l'étude de la sensibilité de modèles d'hydrologie/hydraulique urbaine à la donnée de pluie. Deux bassins versants essentiellement urbains (un de 3 400 ha en Seine-Saint-Denis à proximité de Paris, et un de 900 ha à Londres) modélisés avec des modèles opérationnels semi-distribués sont pris comme cas d'études. Par ailleurs le modèle distribué Multi-Hydro (en développement au LEESU) est testé sur une portion de 145 ha du cas d'étude parisien. L'impact de la variabilité à petites échelles non mesurée des précipitations (i.e. se produisant à des échelles plus petites que 1 km en espace et 5 min en temps qui sont disponibles avec les données radar à bande C) est d'abord évalué. Ceci est réalisé par la génération d'un ensemble de pluie réaliste désagrégée en continuant stochastiquement le processus sous-jacent de cascade au-delà de l'échelle d'observation, puis la simulation de l'ensemble correspondant d'hydrographes. Il apparaît que la variabilité à petites échelles de la pluie engendre une variabilité hydrologique qui ne doit pas être négligée. De plus le modèle Multi-Hydro génère une variabilité plus importante et pas seulement au niveau du pic de débit, i.e. même pour les pluies modérées. Ces résultats mettent en lumière la nécessité d'installer des radars en bande X (dont la résolution est hectométrique) en milieu urbain. Dans un deuxième temps les outils multifractals sont employés sur les pluies et les débits simulés qui présentent aussi un comportement scalant. Il apparaît que le réseau d'assainissement transmet simplement la variabilité des précipitations sans l'atténuer, au moins en termes de statistiques multifractals.