Cette thèse ne contient pas de résumé.

Le but de ce travail est le développement d’un modèle 1D pour la simulation du fonctionnement d’un chenal d’oxydation. Le couplage du modèle hydrodynamique et des cinétiques biologiques permettront une meilleure description du procédé. L’hydrodynamique dans le chenal est modélisée par un réacteur piston à dispersion axiale. Le transfert d’oxygène et les réactions biologiques sont aussi intégrés dans le modèle. Les réactions biologiques sont représentées par le modèle biologique ASM1 développé par Henze 1987 tenant compte de la dégradation du carbone et celle de l’azote. C’est un modèle tout à fait adapté pour la modélisation des processus biologique mis en jeu dans un chenal d’oxydation partiellement aéré. La validation du modèle développé a été effectuée par la comparaison avec les mesures effectuées sur une installation pilote de volume 1 m3 (Lesage 2002). Cette validation est faite en trois étapes : validation de l’hydrodynamique par la simulation de la distribution du temps de séjour, validation du transfert d’oxygène par la simulation de remontée d’oxygène en eau claire et validation du modèle biologique par la simulation de la réponse réspiromètrique. Le modèle développé est ensuite utilisé pour la simulation du fonctionnement d’une station à taille réelle celle de Mahrès (1300 m3). Des mesures des concentrations en oxygène dissous dans le chenal de Mahrès ont permis de distinguer une hétérogénéité spatiale et temporelle. La simulation à échelle réelle consiste à reproduire ces gradients de concentrations existant au sein du chenal après la détermination des paramètres du modèle par le biais de mesures expérimentales sur la station citée et par le calage du modèle cinétique de dégradation de l’azote. Ce travail dénote l’importance du modèle développé pour la simulation d’un procédé à boue activée avec une hydrodynamique particulière et une aération par alternance de zone où la zone anoxie est nécessaire pour la réaction de dénitrification / The aim of this study is to obtain a validated model for the description of an oxidation ditch system, which could be used as a decision tool. A spatio-temporal 1D model which integrates hydrodynamic, oxygen transfer and biologic kinetics was developed. This work provides a prediction of COD and nitrogen fractions and dissolved oxygen concentrations described by widely used ASM1 model (Henze et al., 1987). This model was validated on the experimental result obtained by a campaign measurement in lab scale activated sludge study having a volume of 1m3 (Lesage, 2002). This validation is made in three steps: hydrodynamic validation by the simulation of the residence time distribution, oxygen transfer validation by simulating oxygen rise in clear water and the biological model validation by the simulation of oxygen uptake rate. The model developed was used to simulate a full scale plant of 1300 m3. Such model can well predicts the plug flow behavior of dissolved oxygen exiting in large scale oxidation ditch and has the ability to simulate dynamic behavior of wastewater components. The full scale simulation is done after model parameters identification and calibration of nitrogen kinetics model parameters. This model can be used to perform real time prediction which can help to optimize nitrification and denitrification occurring in the ditch under dynamic load

Le réservoir Eastmain-1 (est de la Baie de James, Nouveau Québec) a été inondé de novembre 2005 à mai 2006. Il s'étend sur une superficie de 603 km² et possède une profondeur d'eau moyenne de 11,5 m, ce qui lui confère des conditions holomictiques lors des périodes libres de glace. Cette recherche a pour objectif l'étude du cycle du carbone organique et inorganique dissous (COD & CID) suite à la création du réservoir. Pour ce faire, l'analyse élémentaire C/N de la matière organique dissoute et particulaire, ainsi que l'analyse isotopique de tous les composés du carbone -incluant le CO₂ atmosphérique à la surface du réservoir-ont été réalisées, suite à cinq campagnes de terrain menées de Juin 2006 à Juillet 2007. Une relation linéaire négative est observable entre les valeurs δ¹³C-CID et l'inverse de la pression partielle de CO₂ (1/pCO₂), avec une ordonnée à l'origine de -23,7 ± 01,0‰. Cette valeur correspond à la composition isotopique d'un CID en quasi-équilibre avec le CO₂ produit in situ par l'oxydation de la matière organique dissoute (MOD) du réservoir. Les valeurs élevées des ratios C/N de cette MOD indiquent une origine majoritairement terrestre. Le second pôle de cette relation linéaire correspond à des conditions d'équilibre avec le CO₂ atmosphérique ambiant, portant la signature de la forêt boréale avoisinante. Selon les conditions de températures, d'hydraulicité, d'agitation des vents, etc., les pCO₂ et les compositions isotopiques mesurées se dispersent autour de la courbe de mélange, ce qui suggère un système de plus faible inertie en comparaison avec les réservoirs plus âgés et de plus vastes étendues de la région de la Baie de James. Toutefois, la légère tendance temporelle en ¹³C du CID, de 2006 à 2007, pourrait suggérer une évolution vers des conditions plus stables suite aux hauts taux d'oxydation du COD lors de la mise en eau du réservoir. Le réservoir Eastmain-1 (est de la Baie de James, Nouveau Québec) a été inondé de novembre 2005 à mai 2006. Il s'étend sur une superficie de 603 km² et possède une profondeur d'eau moyenne de 11,5 m, ce qui lui confère des conditions holomictiques lors des périodes libres de glace. Cette recherche a pour objectif l'étude du cycle du carbone organique et inorganique dissous (COD & CID) suite à la création du réservoir. Pour ce faire, l'analyse élémentaire C/N de la matière organique dissoute et particulaire, ainsi que l'analyse isotopique de tous les composés du carbone -incluant le CO₂ atmosphérique à la surface du réservoir-ont été réalisées, suite à cinq campagnes de terrain menées de Juin 2006 à Juillet 2007. Une relation linéaire négative est observable entre les valeurs δ¹³C-CID et l'inverse de la pression partielle de CO₂ (1/pCO₂), avec une ordonnée à l'origine de -23,7 ± 01,0‰. Cette valeur correspond à la composition isotopique d'un CID en quasi-équilibre avec le CO₂ produit in situ par l'oxydation de la matière organique dissoute (MOD) du réservoir. Les valeurs élevées des ratios C/N de cette MOD indiquent une origine majoritairement terrestre. Le second pôle de cette relation linéaire correspond à des conditions d'équilibre avec le CO₂ atmosphérique ambiant, portant la signature de la forêt boréale avoisinante. Selon les conditions de températures, d'hydraulicité, d'agitation des vents, etc., les pCO₂ et les compositions isotopiques mesurées se dispersent autour de la courbe de mélange, ce qui suggère un système de plus faible inertie en comparaison avec les réservoirs plus âgés et de plus vastes étendues de la région de la Baie de James. Toutefois, la légère tendance temporelle en ¹³C du CID, de 2006 à 2007, pourrait suggérer une évolution vers des conditions plus stables suite aux hauts taux d'oxydation du COD lors de la mise en eau du réservoir. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : réservoirs hydroélectriques, CO₂, carbone organique dissous, ¹³C, C/N, Baie de James, Québec

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les Scléractiniaires symbiotiques (coraux) qui se développent dans des eaux oligo-trophes survivent grâce à une utilisation optimale des nutriments tels que le phosphore et l'azote. Alors que l'utilisation de l'azote par les coraux a été bien étudiée, ce n'est pas le cas du phosphore. L'enjeu principal de cette thèse a été d'évaluer l'utilisation du phos-phore inorganique et organique dissous (PID, POD) par les coraux dans diverses condi-tions environnementales, ainsi que leurs besoins métaboliques en phosphore. Les résul-tats obtenus ont montré que l'absorption de PID, mesurée par déplétion dans le milieu, et de POD, mesurée via l'activité de l'alcaline phosphatase, dépendent de l'éclairement, de la présence de Dinoflagellés symbiotiques dans les tissus coralliens, de la présence d'azote inorganique, et du statut nutritionnel de l'hôte (réplétion en phosphore organique particulaire, POP, ingéré sous forme de plancton). Lors d'un stress de température, seul ou combiné à une acidification du milieu, l'absorption de PID a été affectée. Sous l'effet d'un enrichissement du milieu en PID, la photosynthèse et la calcification corallienne ont été augmentées, suggérant qu'en conditions oligotrophes, la symbiose est limitée par le phosphore. Enfin, des analyses en résonance magnétique nucléaire ont montré que le phosphore se trouve principalement sous forme de phosphate dans la symbiose, mais aussi de phosphonates chez l'hôte, et de polyphosphates et esters de phosphate chez les symbiotes. Un premier bilan de l'importance relative du PID, POD et POP a été établi à l'issue de ce travail, et un examen critique des outils permettant d'évaluer la limitation par le phosphore a été réalisé.

Les feux naturels déciment jusqu'à 0,4% des surfaces forestières boréales au Québec. Le feu structure le paysage en créant une mosaïque de bassins versants caractérisés par l'hétérogénéité des structures et de la composition végétale. Comment une telle diversité des bassins versants peut-elle affecter la dynamique du carbone des écosystèmes lacustres boréaux? Nous explorons ici si les patrons métaboliques des lacs suivent les différents stades de succession post-feu qui caractérisent leur bassin versant, et nous établissons le lien entre les propriétés physiques du bassin, la respiration planctonique et les flux de CO2. Durant l'été 2006, des échantillons d'eau épilimnétique ont été prélevés sur 50 lacs situés dans la région de la rivière Eastmain du Québec boréal. Les sites ont été sélectionnés afin de représenter divers types de bassins versants homogènes, distincts en terme du niveau de succession post-incendie, incluant des bassins entièrement matures et des bassins brûlés au début de l'été 2006. La respiration planctonique a été déterminée à partir de la consommation de l'oxygène dissout mesurée lors d'incubations in vitro. Pour ce faire, nous avons adapté un système d'optrode constitué d'un oxymètre à fibre optique et de mini-senseurs sensibles aux fluctuations d'oxygène. Les résultats suggèrent que pour deux lacs de même surface, un lac à l'intérieur d'un bassin versant récemment brûlé est associé à des taux de respiration moyens et à des flux de CO2 sortants plus élevés qu'un lac alimenté par un bassin versant mature. Notre étude contribue à une meilleure compréhension de l'influence des perturbations de l'écosystème terrestre sur les cycles des nutriments et du carbone des écosystèmes aquatiques, ainsi que sur la dynamique naturelle des gaz à effet de serre. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Cycle du carbone, Métabolisme du lac, Respiration planctonique, Flux de CO2, Feux naturels, Succession végétale, Boréal, Optrodes.

De récentes études ont démontré que plus de 1300 km² du fond du chenal laurentien sont baignés par des eaux dont les concentrations d'oxygène dissous sont en deçà de 62.5 µM ou 2 mg/l, correspondant au seuil qui définit l'hypoxie. Une des causes possibles du développement de l'hypoxie serait l'eutrophisation des eaux de surface liée à l'augmentation de l'activité agricole et industrielle dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. Les apports accrus en nitrates rendraient compte d'une productivité primaire et d'un flux de carbone organique croissant. La dégradation de cette matière organique exportée dans les eaux profondes pourrait contribuer à l'appauvrissement progressif de celles-ci en O₂ dissous. Dans ce contexte, nous avons analysé les sédiments de deux carottes récoltées le long du chenal laurentien entre Tadoussac et Les Méchins afin de retracer les variations de productivité depuis le dernier siècle et ainsi, de vérifier si ceux-ci révèlent des indices d'une eutrophisation. Les résultats obtenus (carotte boîte AH00-2220; 48°38,33'N, 68°37,82'W; 324m et CR02-23; 48°42.008'N/68°38.894'W; 345m) révèlent une augmentation récente (après 1960 AD) du δ¹³ Corg que nous interprétons comme une augmentation des apports de matière organique marine. De la même façon et sur le même intervalle de temps, la concentration des kystes de dinoflagellés augmente, tout comme leurs flux, ce qui pourrait refléter un accroissement de la productivité primaire. Nous notons aussi une tendance semblable dans la concentration et du flux de réseaux organiques de foraminifères qui reflète probablement un accroissement de la productivité benthique liée à l'augmentation du flux de matière organique aux sédiments. Les concentrations et les flux de tests de foraminifères benthiques sont caractérisés par la même tendance d'augmentation récente. Nous notons aussi l'apparition et l'augmentation progressive de la présence des taxons Brizalina subaneriensis et Bulimina exilis entre les années 1960 et 1970. Ces taxons se singularisent par leur forte tolérance aux faibles concentrations d'oxygène et aux flux de carbone élevés. Les résultats obtenus dans cette étude appuient l'hypothèse d'une augmentation des flux sédimentaires de matière organique marine associés à une augmentation de la productivité primaire dans cette partie de l'estuaire du St-Laurent. Cette augmentation de productivité pourrait bien être un facteur important dans la diminution récente des teneurs en oxygène dissous, il est donc important d'explorer plus en détail cette hypothèse afin de mieux connaître les mécanismes en cours dans l'estuaire du St-Laurent et leur relation avec l'hypoxie récente des eaux de fond. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Hypoxie, Eutrophication, Foraminifères, Géochimie, Saint-Laurent.

Cette étude a été réalisée avec comme objectif principal d'identifier les processus mis en cause dans l'hypoxie récente de l'estuaire maritime du Saint-Laurent. Cette zone d'hypoxie existe depuis une vingtaine d'années et engendre des conséquences néfastes pour cet écosystème. Il devient donc critique de comprendre les mécanismes qui sont responsables du taux d'oxygénation dans l'optique de proposer des solutions d'adaptation réalistes. Pour ce faire, nous avons ciblé deux des processus qui ont probablement le plus d'impact sur les concentrations en oxygène dissous de cet écosystème, c'est-à-dire le réchauffement des eaux profondes et l'eutrophisation possible des eaux de surface de l'estuaire. Pour bien comprendre le rôle du réchauffement sur l'hypoxie, il est important d'avoir accès à des séries temporelles plus étendues que celles que nous offrent les données instrumentales. L'étude de carottes de sédiment nous permet d'obtenir des renseignements précieux sur les conditions environnementales du passé. Nous avons étudié deux carottes sédimentaires provenant de l'estuaire du Saint-Laurent dans le but d'estimer les variations de température survenues depuis le dernier siècle voire même depuis le dernier millénaire. Dans ces carottes, nous avons mesuré la composition isotopique en oxygène (δ18O) des tests de foraminifères benthiques. Cette mesure enregistre, entre autres, la température de calcification de l'organisme, et donc de l'eau dans lequel il se trouve. En comparant le δ18O avec les données de température instrumentales, nous avons validé l'utilisation du δ18O comme paléothermomètre dans l'estuaire du Saint-Laurent. De ce fait, nous avons utilisé le δ18O pour reconstruire les variations de température du dernier millénaire. Les résultats nous permettent de conclure que les eaux de fond de l'estuaire du Saint-Laurent se sont réchauffées d'environ 1.7°C depuis le dernier siècle. Cela constitue le plus important réchauffement des 1 000 dernières années. L'eutrophisation des eaux de surface en milieu estuarien est généralement due à un apport accru en nitrate, nutriment limitant dans ce type de milieu. Les sources d'azote ayant déjà été étudiées, nous avons donc mesuré les puits de façon à pouvoir établir un bilan régional. Deux approches ont été privilégiées: 1) une série de mesures de dénitrification sédimentaire ponctuelles et 2) une approche intégratrice se basant sur les concentrations d'azote et de phosphore dans la colonne d'eau. Les mesures nous permettent de conclure que la majorité de la dénitrification benthique est produite par le couplage nitrification-dénitrification. De plus, les résultats sont cohérents avec l'hypothèse que le processus de bioirrigation joue un rôle très important dans l'élimination sédimentaire de l'azote. L'approche intégratrice semble indiquer que le bilan régional de l'azote est proche de l'équilibre, ce qui suggère que cette région ne peut être considérée comme globalement soumise au phénomène d'eutrophisation. Ceci impliquerait donc que si l'augmentation de la productivité primaire observée dans l'estuaire du Saint-Laurent est due à une augmentation de l'apport en azote, celui-ci est par la suite éliminé naturellement par le système sans avoir d'impact en aval. Dans l'optique de proposer des solutions au problème de l'hypoxie, nous devons mieux connaître les sources d'azote qui fertilisent le Saint-Laurent ainsi que le taux de recyclage in situ. Par conséquent, nous avons mesuré la composition isotopique des nitrates dissous dans la ville de Québec pour identifier les différentes sources d'azote qui se retrouvent dans le Saint-Laurent. De plus, cette méthode nous permet d'identifier les mécanismes du cycle de l'azote qui sont actifs dans cette région. Les résultats sont typiques d'un environnement ou la composition isotopique des nitrates est principalement contrôlée par la saisonnalité et où les processus internes ne semblent pas avoir un impact significatif. Par contre, le peu de données sur la signature isotopique des différentes sources potentielles nous empêche de quantifier leur importance dans le flux de nitrate du Saint-Laurent. ______________________________________________________________________________

De juin 2005 à septembre 2007, six campagnes océanographiques ont été effectuées dans l'Est de l'Atlantique Tropical afin d'étudier principalement la distribution spatio-temporelle des paramètres du carbone océanique, les processus induisant leur variabilité et d'estimer les flux air -mer de CO2. 195 échantillons d'eau de mer de surface prélevés ont servi à l'analyse de l'alcalinité totale (TA) et le carbone inorganique dissous (DIC). Les distributions de la température de surface de la mer (SST), de la salinité de surface de la mer (SSS), de DIC et de TA ont permis de mettre en évidence un gradient nord -sud entre les eaux du nord et celles du sud du bassin. En effet, aux faibles (ou fortes) Salinités sont associées les faibles (ou fortes) TA et DIC. Dans la partie nord de la zone (0°-6°N) précisément dans le courant de Guinée apparaissent les faibles salinités, alcalinités et carbone inorganique, tandis que les fortes concentrations de ces paramètres sont observées au sud de l'équateur (0°-10°S) dans les eaux du courant sud équatorial. Toutefois, la SST présente une distribution contrastée à celles des autres paramètres. Aucune variabilité temporelle significative n'apparaissant dans les distributions de TA et DIC, l'ensemble des données des campagnes a été alors utilisé pour déterminer des relations empiriques uniques entre TA et SSS, et entre DIC, SSS et SST. Ces relations validées ont conduit au calcul de la fugacité de CO2. Des cartes mensuelles de fCO2 moyennes ont été établies, sur une grille de 1° latitude x 1° longitude, en utilisant des champs de données de SST et de SSS pour la zone de 10°E-10°W, 6°N-10°S pour la période de 2005 à 2007 des mois de juin à novembre. Le flux air-mer moyen mensuel de CO2 varie de 1,69 ±1,94 mmol m-2 d-1 (Novembre) à 2,78 ±1,65 mmol m-2 d-1 (Août) pour toute la région. Ces résultats ont permis la comparaison de nos flux air -mer et ceux de climatologie par l'utilisation du même coefficient d'échange. Nos flux air -mer estimés montrent un gradient plus important entre les eaux du nord et celles du sud de l'équateur que les estimations climatologiques. Cette différence est probablement due au nombre peu élevé de données en climatologie et aussi à la mauvaise résolution de sa grille (4° de latitude x 5° de longitude). Toutefois, les deux méthodes d'estimation de flux air -mer s'accordent que la zone de l'Est de l'Atlantique tropical est une source de CO2 pour l'atmosphère.

L’évaporation d’une solution saline en milieu poreux intervient dans diverses situations comme lors de l’injection de dioxyde de carbone dans des aquifères salins ou dans des processus de dégradation des monuments ou de la végétation. Un aspect clé est la cristallisation des sels dissous à la surface ou au sein du milieu poreux résultant de l’évaporation de la solution. Dans la première partie de ce manuscrit, nous étudions le séchage d’un milieu poreux modèle initialement saturé par une solution aqueuse de chlorure de sodium pour différentes tailles moyennes de pores et différents flux d’évaporation. Ceci nous permet d’obtenir une caractérisation des cristaux formés en surface (efflorescence) en fonction de ces paramètres. Nous nous intéressons ensuite tout particulièrement au cas où l’efflorescence forme une croûte d’apparence compacte. Un aspect intrigant est que cette croûte ne bloque pas complètement l’évaporation. Le taux d’évaporation est réduit d’un ordre de grandeur environ. Une modélisation de la croissance de la croûte est développée pour expliquer ce phénomène. Dans une deuxième partie du manuscrit, nous nous intéressons au phénomène relié à la croissance d’un efflorescence “rampante” à la surface d’un substrat solide, dans notre cas la surface externe d’un tube capillaire droit dont une extrémité est plongée dans une solution de chlorure de sodium. Les lois de croissance de ce phénomène sont caractérisées à partir du suivi temporel par double pesée de la masse d’eau évaporée et de la masse de sel qui précipite ainsi que de la géométrie de l’enveloppe externe de la couche de sel recouvrant progressivement le capillaire. Ici encore, l’analyse du phénomène de croissance est confortée par une modélisation numérique simple. Un aspect important de ce travail est le recours à des techniques de visualisations modernes (microtomographie à rayons X, microscopie électronique à balayage, scanner de surface à lumière structurée) pour obtenir autant d’informations que possible sur la structure des efflorescences et les mécanismes de croissance mis en jeu dans ces expériences. / Evaporation of saline solution in porous media occurs in various situations such as injection of carbon dioxide in saline aquifers or in degradation processes on monuments or on vegetation. A key aspect is the crystallization of dissolved salts on the surface or in the porous medium resulting from the evaporation of the solution. In the first part of this manuscript, we study the drying of model porous media model initially saturated with an aqueous solution of sodium chloride, for different average pore sizes and different evaporation fluxes. This allows us to obtain a characterization of the salt crystals formed on the surface (efflorescence) depending on these parameters. We are particularly interested in the case when the efflorescence forms an apparently compact crust. An intriguing aspect is that the crust does not completely block the evaporation. The evaporation rate is in fact reduced by an order of ten. To explain this phenomenon, a model of the growth of the crust is developed. In a second part of the manuscript, we are interested in the growth of a salt efflorescence by “creeping” on a solid substrate, here the outer surface of a straight capillary tube, with one end immersed in a sodium chloride solution. The growth laws of this phenomenon are characterized by weighing both the mass of water evaporated and the mass of salt that precipitates, as well as recording the geometry of the outer casing of the salt layer gradually covering the capillary. Again, the analysis of this growth phenomenon is supported by a simple numerical model. An important aspect of this work is the use of up-todate visuablisation techniques (such as X-ray micro-tomography, scanning electron microscopy and structuredlight surface scanning) to get as much as possible additional information on the efflorescence structure and growth mechanism at play in these experiments.