Recently, emphasis has been placed on finding a reliable estimation of soil water content. In this study, two capacitance sensors EC5 and 5TE (METER Group) were utilized. These sensors provide many benefits relative to other sensors in that they are cost-effective and very economical regarding energy use, operate at a high measurement frequency of 70 MHz, and are dedicated to measuring at a small volume because of their small size. This makes them suitable for the context of use in this research, which consists of multiple sustainable drainage systems SuDS. Several studies have evaluated these two types of sensor but not for urban soils with specific characteristics. In addition, results from the literature are divergent and the published calibration data are limited. Therefore, an in-depth investigation of their accuracy is assessed in this paper. At first, the literature’s existing procedures and methods were examined. The sensor-to-sensor variability, as well as repeatability, were tested in soil and solutions. Additionally, a field calibration method was conducted to estimate the effects of soil texture on sensors readings. Two laboratory calibration methods having different principles were also applied, compared to each other and to the field calibration as well. Results revealed weak sensor-to-sensor variability (coefficient of variation up to 15% in soil) and also good repeatability (0.1%), for both sensors. A soil-specific calibration equation has improved the estimation of the volumetric water content. In case of soil having high field bulk density, the undisturbed soil calibration method described and proposed in this paper gives promising results. The latter method yields a volumetric water content (VWC) prediction accuracy of 0.025 m³∙m⁻³ on a sandy loam soil. This paper presents a large knowledge of capacitance sensors measurement technique as well as their calibration procedures and methods. Limitations of existing procedures have been identified and key elements for selecting the appropriate one are suggested. Derived calibration equations have also been provided for three urban soils with different particle size distribution, ranging from sandy loam to silt loam. Accurate monitoring of soil moisture content in urban soils is thus achievable.

Sustainable drainage systems (SuDS) have become a promising solution for increasing imperviousness by reducing water runoff volumes and flow rates, and improving water quality. However, the efficiency of these systems is dependent on soil hydraulic and physical properties, which in turn are spatially variable; however, this variability has been sparsely documented for urban areas, especially for road-side SuDS. In this study, the spatial variability of soil hydraulic properties, along with the uncertainty of these properties due to estimation methods, were investigated for three roadside SuDS in France (Paris region). Estimation methods were based on both in-situ infiltration tests and pedotransfer functions (PTFs). Results show high spatial variability in saturated hydraulic conductivity K_s (up to 160% coefficient of variation), which is dominant relative to uncertainties in PTFs predictions and those induced by experimental errors. Many specific factors might be responsible for this variability, especially in the urban context, such as construction techniques, CaCO₃ precipitation, and vegetation development. In order to evaluate the effects of this variability on hydrological performance, a hydrological model of a bioretention cell was tested. Simulations revealed that peak flows and volumes are highly affected by the spatial variability of soil hydraulic properties; notably, vertical variability increases the overflow by 50%. The number of infiltration measurements required to evaluate a representative average K_s with an uncertainty of a factor of two or less was found to be four/eight, depending on the studied site. This study provides considerable insight into the spatial variability of soil hydraulic properties and its implications for hydrological performance of roadside SuDS, as it is based on a sound understanding of both theory and practice.

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