L'utilisation de pesticides sur les surfaces agricoles conduit à une contamination généralisée des eaux de surface et de subsurface en France. En complément d'une évolution durable des pratiques agricoles allant vers une utilisation raisonnée des pesticides à large échelle, il est crucial de chercher à limiter des transferts de polluant des zones agricoles aux zones aquatiques. Pour mieux agir sur les voies de transfert dans un bassin versant, il est nécessaire d'approfondir les connaissances des processus en jeu et de leurs interactions éventuelles (surface/subsurface, eau/soluté, etc.) en tirant au mieux partie des observations du terrain et de la modélisation à base physique. L'objectif de cette thèse est le développement d'un modèle spatialisé de transfert de solutés réactifs à l'échelle du versant. Pour cela, on a intégré les processus réactifs dans le modèle hydrologique à base physique CATHY (CATchment HYdrology), qui représente en 3 dimensions les écoulements de l'eau de façon couplée surface-subsurface et le transport advectif dans des situations variablement saturées. En subsurface, les processus d'adsorption linéaire et de dégradation du premier ordre ont été implémentés. Un module de mélange des solutés entre la lame ruisselante et la première couche de sol a également été développé, afin de simuler la remobilisation des solutés de la subsurface dans le ruissellement. Le couplage surface-subsurface des écoulements est particulièrement efficace dans CATHY, et le couplage du transport de soluté adoptant la même stratégie a été amélioré pour mieux respecter la conservation de la masse dans CATHY-Pesticide. Le modèle est en premier lieu testé sur des données issues d'expérimentations de transfert de subsurface sur une maquette de laboratoire à petite échelle dans laquelle ont été injectés des lots de pesticides sous trois régimes de pluie successifs représentant approximativement un cycle annuel. Les résultats sont confrontés aux chroniques de flux massiques observées et une analyse de sensibilité de type Morris est menée sur le temps de percée et le coefficient de Nash-Sutcliffe calculé sur les chroniques observées et simulées du cumul de masse en sortie. A partir d'une évaluation combinant différents critères, on montre que le modèle reproduit de façon acceptable les observations sans calage, et satisfaisante après une légère calibration. Les conductivités à saturation horizontale et verticale, la porosité et le paramètre $n$ de la courbe de rétention influencent de façon non négligeable l'hydrodynamique et le transfert de solutés. Dans un second temps, le modèle est évalué sur les données issues d'un versant viticole du Beaujolais dans un contexte orageux subissant de fortes interactions surface-subsurface. Plusieurs analyses de sensibilité globales sont menées avec différentes stratégies d'échantillonage et de calcul des indices de Sobol. Les analyses mettent en valeur les mêmes paramètres influents que la méthode de Morris pour la subsurface. Les interactions entre les paramètres influencent fortement la variabilité des sorties hydrodynamiques et de transfert. La conservation de la masse est très correctement assurée sur de larges échantillons malgré la complexité de la simulation. CATHY-Pesticide a été évalué à plusieurs échelles, en subsurface seule puis en surface-subsurface couplées, par différentes méthodes, et peut être considéré comme un outils solide de représentation fine des processus, notamment pour valider des outils plus conceptuels. S'il a reproduit de façon satisfaisante les données expérimentales, de nombreuses perspectives sont encore envisageable : approfondissement de l'analyse de sensibilité dans d'autres contextes (climat, occupation du paysage, etc.), simulation des transferts sur une échelle de temps plus longue, représentation de davantage de processus tel que le transport sédimentaire.