Cet article décrit le mode de relation contractuelle existant entre une Agence de bassin et des industriels polluants, et portant sur le financement de stations d'épuration. L'Agence de bassin agit comme un régulateur vis-à-vis des industriels en fixant une taxe pigouvienne sur les niveaux de pollution et en subventionnant les équipements d'épuration. L'un des objectifs de cet article est de préciser de façon quantitative le gain apporté par une régulation utilisant comme instrument alternatif une taxe personnalisée non linéaire. La fonction de dépollution des industriels est estimée en prenant en compte l'hétérogénéité des entreprises en matière de coût variable de dépollution. Les paramètres structurels ainsi estimés fournissent le point de départ d'une simulation d'un contrat virtuel avec taxe non linéaire, l'approche principal-agent étant utilisée comme cadre théorique. Les performances du contrat virtuel sont comparées à celles effectivement obtenues par la politique de taxe uniforme de l'Agence de bassin.