Measurement and modeling of the water balance of stormwater management systems at the source of road runoff

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 ouvragesRoad runoff is known to be highly contaminated with organic and metallic micropollutants. In order to control the runoff volumes and pollutants generated by the urban area and thus protect the receiving aquatic environments, alternative vegetated systems can be implemented at roadside. They aim to treat or pre-treat stormwater runoff for small rainfall but also to return to a hydrological functioning closer to the natural cycle. Rustic treatment systems such as vegetated filter strips and swales are already widely used in the agricultural sector. However, their application in an urban context or on the roadsides presents several challenges: dimensioning of the system, strong heterogeneity of the soils, presence of infrastructures (road foundations, various networks), constraints of integration in urban planning.The main objective of this thesis is to understand and model the hydrological processes involved in these ecological engineering systems in the urban environment and to analyze the consequences in terms of design. In particular, the aim is to better reproduce the distribution of flows between infiltration, evapotranspiration, drainage, and surface runoff on different time scales. The influence of the different design elements of these devices is assessed under different local contexts (pavement structure, nature of the soil, and subsoil) in order to assist in the selection and design of these systems.The first part of the study consists of an investigation of the uncertainties related to the measurement of soil hydraulic properties on two types of structures with different characteristics, which are two vegetated filter strips and a bioretention swale located along a roadside in the Paris region. This phase allowed the characterization of the horizontal and vertical variability of soil hydrodynamic properties and the assessment of their effects on hydrological modeling. In addition, the uncertainty associated with the measurement of soil moisture content is quantified by calibrating moisture sensors in the laboratory and in situ.The second part consists of evaluating the hydrological performance of these systems. For the heavily equipped bioretention swale, where all inflows and outflows are measured, an experimental evaluation is carried out. Hydrological performance indicators and volume balances are calculated on different time scales. A modeling approach is followed for the second system, the vegetated filter strip. The measurements in this system do not allow the calculation of volume balances, so a long-term modeling approach is applied. The transfer processes in the unsaturated zone are described under the HYDRUS 2D / 3D software coupled with a 1D surface runoff model. This model is validated on the basis of the measured data and then tested under different filter strip configurations.The findings of this thesis provide considerable knowledge on the hydrological performance of roadside stormwater management systems to assist in their selection and desig