Classiquement le transfert des contaminants dans le milieu souterrain est modélisé par un couplage des processus de transport physiques (écoulements contrôlés par les structures géologiques poreuses) et des processus de dégradation ou d'immobilisation chimiques et biologiques. Tant sur les structures géologiques que sur la chimie et la physique, les modèles sont de plus en plus détaillés mais de plus en plus difficiles à calibrer sur des données toujours très parcellaires. Dans cette thèse, nous développons une approche alternative basée sur des modèles parcimonieux sous la forme d’un simple graphe de compartiments interconnectés généralisant les modèles d’interaction de continuums (MINC) ou de transfert à taux multiples (MRMT). Nous montrons que ces modèles sont particulièrement adaptés aux milieux dans lesquels la diffusion de solutés occupe un rôle prépondérant par rapport à l’advection, tels les sols ou les aquifères très hétérogènes comme les aquifères fracturés. L'homogénéisation induite par la diffusion réduit les gradients de concentration, accélère les mélanges entre espèces et fait de la distribution des temps de résidence un excellent proxy de la réactivité. En effet, ces structures simplifiées reconstituées à partir d’informations de temps de résidence se révèlent également pertinentes pour des réactions chimiques non linéaires (e.g. sorption, précipitation/dissolution). Nous montrons finalement comment ces modèles peuvent être adaptés automatiquement à des observations d’essais de traceurs ou de réactions de biodégradation. Ces approches parcimonieuses présentent de nombreux avantages dont la simplicité de développement et de mise en œuvre. Elles permettent d’identifier les déterminants majeurs des échanges entre zones advectives et diffusives ou entre zones inertes et réactives, et d’extrapoler des processus de réactivité à des échelles plus larges. L’utilisation de données de fractionnement isotopique est proposée pour améliorer la dissociation entre l’effet des structures et de la réactivité.