L'exposition aux particules fines et ultrafines, pouvant contenir des éléments métalliques, est un sujet de préoccupation sanitaire majeure, notamment dans les zones fortement industrialisées. Cette thèse a consisté à mieux caractériser la fraction métallique des particules fines et ultrafines émises dans un contexte industrialo-urbain (Littoral dunkerquois) et à déterminer leur bioaccessibilité pulmonaire, en lien avec l'impact sanitaire. Des particules ont été collectées selon leur granulométrie dans des environnements très contrastés : (i) en milieu urbain sous l'influence du trafic automobile et d'émissions industrielles et (ii) à proximité immédiate et à la source même d'une usine de ferromanganèse (Glencore), caractéristique de l'activité industrielle du dunkerquois. La bioaccessibilité pulmonaire des éléménts métalliques a été déterminée par une extraction avec un fluide pulmonaire synthétique (solution "Gamble") et comparée avec une méthode d'extraction séquentielle. En milieu urbain, les concentrations élémentaires dans les particules ultrafines sont principalement liées aux sources locales (issues d'émissions de véhicules ou de chauffage). Les particules submicroniques (< 1µm) sont elles, principalement affectées par les sources industrielles, notamment la métallurgie, principale émettrice de métaux particulaires de la zone industrielle. Les autres sources identifiées par les traceurs métalliques sont la pétrochimie, la combustion des fiouls lourds et des charbons et les sources naturelles (terrigène et marine). Une variabilité temporelle importante des concentrations en masse des particules fines et ultrafines et de leurs teneurs en éléments métalliques a été observée, en cheminée et en champ proche de l'usine de ferromanganèse. Les fortes concentrations en particules ultrafines (PM₀,₁ : 60% de la masse des PM₂,₅), enrichies en métaux de cheminée, diminuent rapidement à proximité immédiate de l'usine, dû au changement rapide des conditions de température et d'humidité induisant des transformations précoces de la matière particulaire. Ce travail a permis par ailleurs de montrer que la bioaccessibilité des métaux associés aux particules est variable selon les propriétés physicochimiques des particules (spéciation chimique des métaux et distribution granulométrique), en lien avec leurs origines et leurs processus de formation. La bioaccessibilité des métaux peut aussi être affectée par des transformations physico-chimiques (mélange/agglomération, agrégation, oxydoréduction...) des particules fines durant leur transport atmosphérique. L'estimation in-vitro de la bioaccessibilité permet de mieux comprendre la biodosponibilité des métaux dans l'organiqme et donc de mieux appréhender l'impact sanitaire des métaux toxiques. / Exposure to metals from fine and ultrafine particles is of major health concern, especially in heavily industrialized areas. This thesis aims to better characterize the metal fraction of fine and ultrafine particles emitted in an industrial-marked urban context (Dunkirk harbour) and to determine their lung bioaccessibility, in relation with their health impact. Particles were collected according to their size in specific environments : (i) in an urban area influenced by traffic and industrial emissions and (ii) at the stacks and in the vicinity of a ferromanganese plant (Glencore), characteristic of the industrial activity in Dunkirk. Pulmonary bioaccessibility of metals was determined using a synthetic lung fluid (Gamble solution), and compared to a sequential extraction method. In the urban area, the elemental concentrations in ultrafine particles are primarily related to lacal sources (traffic and housse heating), while submicronic particles (< 1µm) are mainly affected by industrial sources, especially metallurgical plants, the main source of particulate metals in the industrial area. The other sources identified are petrochemistry, coal and heavy-fuels burning and natural sources (sea salts and crustal particles). A high temporal variability of fine and ultrafine particles mass concentrations and of their metal contents was observed at the stacks and in the close environment of the ferromanganese plant. The high concentrations of ultrafine particles (PM₀,₁ : 60% of the total PM₂,₅ mass), enriched in metals, as observed in stack flues, decrease rapidly in the vicinity of the plant, due to the changes in temperatureand humidity, inducing rapid transformations. The metal bioaccessibility varies according to the particle properties (metals chemical speciation and particle size distribution), depending on their origin and formation processes. This metal bioaccessibility may also be affected by physicochemical transformations of fine particles occuring during atmospheric transport (mixing/agglomeration, aggregation, oxidation or reduction processes). The in-vitro bioaccessibility assessment is of interest to better understand the metal bioavailability and thus for a better appreciation of the health impact of toxic metals.

Les poussières émises par l'industrie métallurgique concourent à la qualité de l'air des zones urbaines voisines. Ces particules, émises par des procédés à "haute température", sont susceptibles d'évoluer rapidement au sein des panaches. L'objectif de l'étude est de caractériser la phase particulaire sur un site d'émission métallurgique et de déterminer la nature et l'amplitude des transformations physico-chimiques subies par ces particules dans les premières minutes de leur émission. Des prélèvements d'aérosols ont été réalisés au sein des cheminées et dans l'environnement proche d'une usine métallurgique (production d'alliage de ferromanganèse), dont l'atelier d'agglomération est le principal émissaire. Le spectre granulométrique des particules dans l'environnement montre un enrichissement de nanoparticules (10-100nm) après survol des masses d'air au dessus du site industriel. Les rejets caractéristiques de l'usine (émission d'oxydes de fer et de manganèse, mais également d'aluminosilicates) se trouvent la plupart du temps sous forme d'agglomérats de composition chimique hétérogène et de structure morphologique complexe. Ces agglomérats semblent évoluer rapidement par adsorption de composés organiques volatils ou de suies. L'étude de la spéciation du Fe et du Mn au sein de ces particules indique qu'elles sont sujettes à des réactions d'oxydation via des mécanismes de conversion gaz/particules au sein même du procédé industriel, aboutissant notamment à une oxydation du fer inversement proportionnelle à la taille des particules. Par contre, aucune évolution significative du degré d'oxydation du Fe et du Mn n'a été observée dans l'environnement proche de l'émissaire.

Cette étude propose une unification des formulations mono- et multi-moments de la distribution granulométrique des pluies (DSD pour " drop size distribution ") proposées dans la littérature dans le cadre des techniques de mise à l'échelle (scaling). On considère dans un premier temps que la DSD normalisée par la concentration en gouttes (Nt, moment d'ordre 0 de la DSD) peut s'écrire comme une fonction de densité de probabilité (ddp) du diamètre normalisé par un diamètre caractéristique (Dc). Cette ddp, notée g(x) avec x=D/Dc, aussi appelé distribution générale, semble être bien représentée par une loi gamma à deux paramètres. Le choix d'un diamètre caractéristique particulier, le rapport des moments d'ordre 4 et 3, conduit à une relation d'auto-consistance entre les paramètres de la fonction g(x). Deux méthodes différentes, fondées sur 3 moments particuliers de la DSD (M0, M3 et M4) ou bien sur des moments multiples (de M0 à M6) sont proposées pour l'estimation des paramètres et ensuite évaluées sur 3 ans d'observations de DSD recueillies à Alès dans le cadre de l'Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais (OHMCV). Les résultats révèlent que: 1) les deux méthodes d'estimation des paramètres ont des performances équivalentes; 2) malgré la normalisation, une grande variabilité de la DSD est toujours observée dans le jeu de données mis à l'échelle. Ce dernier point semble résulter de la diversité des processus micro-physiques qui conditionnent la forme de la DSD.Cette formulation est ensuite adaptée pour une mise à l'échelle avec un ou deux moments de la DSD en introduisant des modèles en loi puissance entre des moments dits de référence (par exemple l'intensité de la pluie R et / ou le facteur de réflectivité radar Z) et les moments expliqués (concentration en gouttes Nt, diamètre caractéristique Dc). De manière analogue à la première partie du travail, deux méthodes sont proposées pour estimer des paramètres climatologiques des DSD mises à l'échelle par un ou deux DSD moment(s). Les résultats montrent que: 1) la méthode d'estimation a un impact significatif pour la formulation de mise à l'échelle par un seul moment; 2) le choix du moment de référence dépend des objectifs d'étude: par exemple, le modèle mis à l'échelle par des moments d'ordre élevé produit une bonne performance pour les grosses gouttes mais pas pour les petites; 3) l'utilisation de deux moments au lieu d'un seul améliore significativement la performance du modèle pour représenter les DSD.Notre modèle est ensuite appliqué pour analyser la variabilité inter- événementielle selon trois paramètres (Nt, Dc et μ, ce dernier paramètre µ décrivant la forme de la fonction gamma). Différentes séquences de pluie ont été identifiées de façon subjective pour l'événement pluvieux intense des 21-22 octobre 2008 par des changements brusques des moments et/ou paramètres dans les séries temporelles correspondantes. Ces phases de pluie sont liées à des processus météorologiques différents. Une relation préliminaire est établie entre les observations radar et la variation des paramètres des DSD au sol telle que mesurée par le disdromètre. Les formulations de mise à l'échelle sont également appliquées pour des estimations des densités de flux d'énergie cinétique des précipitations à partir de l'intensité de la pluie et / ou de la réflectivité radar. Les résultats confirment que l'utilisation de deux moments (R et Z) améliore significativement les performances de ces modèles, malgré les caractéristiques d'échantillonnage très différentes des radars et des pluviomètres. Cette application ouvre des perspectives intéressantes pour la spatialisation de l'énergie cinétique des pluies dans le cadre des études sur le pouvoir érosif des pluies.

Cette étude propose une unification des formulations mono- et multi-moments de la distribution granulométrique des pluies (DSD pour « drop size distribution ») proposées dans la littérature dans le cadre des techniques de mise à l’échelle (scaling). On considère dans un premier temps que la DSD normalisée par la concentration en gouttes (Nt, moment d'ordre 0 de la DSD) peut s’écrire comme une fonction de densité de probabilité (ddp) du diamètre normalisé par un diamètre caractéristique (Dc). Cette ddp, notée g(x) avec x=D/Dc, aussi appelé distribution générale, semble être bien représentée par une loi gamma à deux paramètres. Le choix d’un diamètre caractéristique particulier, le rapport des moments d’ordre 4 et 3, conduit à une relation d’auto-consistance entre les paramètres de la fonction g(x). Deux méthodes différentes, fondées sur 3 moments particuliers de la DSD (M0, M3 et M4) ou bien sur des moments multiples (de M0 à M6) sont proposées pour l’estimation des paramètres et ensuite évaluées sur 3 ans d’observations de DSD recueillies à Alès dans le cadre de l'Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais (OHMCV). Les résultats révèlent que: 1) les deux méthodes d’estimation des paramètres ont des performances équivalentes; 2) malgré la normalisation, une grande variabilité de la DSD est toujours observée dans le jeu de données mis à l’échelle. Ce dernier point semble résulter de la diversité des processus micro-physiques qui conditionnent la forme de la DSD.Cette formulation est ensuite adaptée pour une mise à l’échelle avec un ou deux moments de la DSD en introduisant des modèles en loi puissance entre des moments dits de référence (par exemple l’intensité de la pluie R et / ou le facteur de réflectivité radar Z) et les moments expliqués (concentration en gouttes Nt, diamètre caractéristique Dc). De manière analogue à la première partie du travail, deux méthodes sont proposées pour estimer des paramètres climatologiques des DSD mises à l’échelle par un ou deux DSD moment(s). Les résultats montrent que: 1) la méthode d'estimation a un impact significatif pour la formulation de mise à l'échelle par un seul moment; 2) le choix du moment de référence dépend des objectifs d’étude: par exemple, le modèle mis à l'échelle par des moments d'ordre élevé produit une bonne performance pour les grosses gouttes mais pas pour les petites; 3) l’utilisation de deux moments au lieu d’un seul améliore significativement la performance du modèle pour représenter les DSD.Notre modèle est ensuite appliqué pour analyser la variabilité inter- événementielle selon trois paramètres (Nt, Dc et μ, ce dernier paramètre µ décrivant la forme de la fonction gamma). Différentes séquences de pluie ont été identifiées de façon subjective pour l’événement pluvieux intense des 21-22 octobre 2008 par des changements brusques des moments et/ou paramètres dans les séries temporelles correspondantes. Ces phases de pluie sont liées à des processus météorologiques différents. Une relation préliminaire est établie entre les observations radar et la variation des paramètres des DSD au sol telle que mesurée par le disdromètre. Les formulations de mise à l’échelle sont également appliquées pour des estimations des densités de flux d’énergie cinétique des précipitations à partir de l'intensité de la pluie et / ou de la réflectivité radar. Les résultats confirment que l’utilisation de deux moments (R et Z) améliore significativement les performances de ces modèles, malgré les caractéristiques d'échantillonnage très différentes des radars et des pluviomètres. Cette application ouvre des perspectives intéressantes pour la spatialisation de l’énergie cinétique des pluies dans le cadre des études sur le pouvoir érosif des pluies. / This study offers a unified formulation for the single- and multi-moment raindrop size distributions (DSD), which were proposed in the framework of scaling analysis in the literature. The key point is to consider the DSD scaled by drop concentration (Nt, 0th order DSD moment), as a probability density function (pdf) of raindrop diameter scaled by characteristic diameter (D/Dc). The Dc is defined as the ratio of the 4th to the 3rd DSD moment. A two-parameter gamma pdf model, with a self-consistency relationship, is found to be suitable for representing the scaling DSD formulation. For the purpose of parameter estimation, two different methods, based on three DSD moments (0th, 3rd and 4th moments) and multiple DSD moments (from 0th to 6th moments), are proposed and then evaluated through the 3-year DSD observations, collected at Alés within the activities of the Cévennes-Vivarais Mediterranean Hydrometeorological Observatory (CVMHO). The results reveal that: 1) the scaled DSD model parameterized by three moments (0th, 3rd and 4th moments) possesses a similar performance compared to that constructed by multiple DSD moments; 2) regardless the application of scaled technique, large variation is still exhibited in this climatological DSD scaled dataset. The scaled DSD formulation is, in a second step, adapted to the one- and two-moment scaling DSD formulations by introducing single and dual power-law models between the reference moments (e.g. rain rate R and/or radar reflectivity factor Z) and the explained moments (total concentration Nt, characteristic diameter Dc). Compared with previous DSD formulations presented in the literature, the presented approach explicitly accounts for the prefactors of the power-law models to produce a uniform and dimensionless scaled distribution, whatever the reference moment(s) considered. In the same manner, two methods based on 1) single or dual power-law models and 2) multiple DSD moments (from 0th to 6th moments), are proposed to estimate the climatological parameters in the one- and two-moment scaling DSD formulations. The results show that: 1) the estimation method has a significant impact on the climatological DSD formulation scaled by one moment; 2) the choice of the reference moment to scale DSD depends on the objectives of the research: e.g. the DSD model scaled by high order moment produces a good performance for large drops at the cost of a poor performance for the small ones; 3) using two scaling moments improves significantly the model performance to represent the natural DSD, compared to the one-moment DSD formulation. In terms of applications of scaling DSD model, the analysis of the inter-event variability is performed on the basis of the scaling formulation containing three parameters (Nt, Dc and µ describing the shape of the gamma function). Different rain phases can be identified by the sudden shifts of moments and parameters in DSD time series. It is found that these rain phases are well linked to different weather processes. And a preliminary relationship is established between the radar observations and DSD parameters. The climatological scaling DSD formulations are also used for the DSD reconstitutions and for rainfall kinetic energy flux density estimations by rain intensity and/or radar reflectivity factor. The results confirm that the application of two scaling moments (R and Z) improves significantly the performance of these models, regardless the different sampling characteristics between radar and raingauge.

Les poussières émises par l'industrie métallurgique concourent à la qualité de l'air des zones urbaines voisines. Ces particules, émises par des procédés à "haute température", sont susceptibles d'évoluer rapidement au sein des panaches. L'objectif de l'étude est de caractériser la phase particulaire sur un site d'émission métallurgique et de déterminer la nature et l'amplitude des transformations physico-chimiques subies par ces particules dans les premières minutes de leur émission. Des prélèvements d'aérosols ont été réalisés au sein des cheminées et dans l'environnement proche d'une usine métallurgique (production d'alliage de ferromanganèse), dont l'atelier d'agglomération est le principal émissaire. Le spectre granulométrique des particules dans l'environnement montre un enrichissement de nanoparticules (10-100nm) après survol des masses d'air au dessus du site industriel. Les rejets caractéristiques de l'usine (émission d'oxydes de fer et de manganèse, mais également d'aluminosilicates) se trouvent la plupart du temps sous forme d'agglomérats de composition chimique hétérogène et de structure morphologique complexe. Ces agglomérats semblent évoluer rapidement par adsorption de composés organiques volatils ou de suies. L'étude de la spéciation du Fe et du Mn au sein de ces particules indique qu'elles sont sujettes à des réactions d'oxydation via des mécanismes de conversion gaz/particules au sein même du procédé industriel, aboutissant notamment à une oxydation du fer inversement proportionnelle à la taille des particules. Par contre, aucune évolution significative du degré d'oxydation du Fe et du Mn n'a été observée dans l'environnement proche de l'émissaire. / Steelworks activities are important sources of fine particles which may affect air quality in urban areas close to plants. Those particles are emitted by "high-temperature" processes and could evolve very quickly in the plumes. The main objective of this study is to evaluate the nature and the amplitude of physico-chemical evolutions of those particles in the few minutes after the emission. Aerosol samplings were performed inside the chimneys and in the close environment of a FeMn alloys manufacturing plant where the sintering unit is the most important source of particles. The number size distributions in the close environment show a higher abundance of nanoparticles (10-100nm) inside the plume, by comparison with air masses upwind from the plant. The chemical analysis indicates that particles characteristic of the plant emissions (iron and manganese oxides but also aluminosilicates) are mostly constituted of agglomerates. These agglomerates combine various compounds inside a same particle in a complex structure. Moreover, they evolve rapidly (in a few minutes) after emission by mixing with organic compounds inside the plume. This evolution results from the adsorption of volatile organic compound or the agglomeration with soot particles. The study of iron and manganese speciation inside particles shows that they are prone to oxidation reactions via gas/particle conversion mechanisms during the industrial process, leading notably to a higher iron oxidation state for the smallest particles. However, no change of iron and manganese oxidation state was observed in the close environment of the plant.

Cette étude s'inscrit dans le développement de modèles à base physique de l'érosion hydrique à l'échelle des versants. L'objectif est la construction d'un modèle numérique (PSEM_2D, Plot Soil Erosion Model) couplant les mécanismes d'infiltration, de ruissellement et d'érosion. Les paramétrisations sélectionnées sont implémentées dans le modèle. Une première évaluation à partir de données de la littérature donne des résultats satisfaisants et montre l'intérêt d'un tel outil pour l'étude des transferts d'eau et de particules. L'étude se concentre ensuite sur les processus de l'érosion concentrée. L'analyse d'une base de donnée américaine portant sur la distribution granulométrique des particules exportées, l'hydraulique et les régimes d'érosion dans des rigoles révèle l'existence de différents comportements fonction de la texture des sols et sert de base à une comparaison avec PSEM_2D. Les formules de capacité de transport de Low (1989) et de Govers (1992) donnent les meilleurs résultats. Le modèle d'arrachement permet de reproduire les régimes d'érosion mais atteint ses limites quand des rigoles trop profondes se forment. Une étude expérimentale dans un canal de 3 m de long est menée pour améliorer la paramétrisation du transport de particules en distinguant transport en suspension et charriage en fonction en particulier de la taille et de la densité des particules. Enfin, le modèle numérique est utilisé pour une étude de cas de l'érosion hydrique sur une parcelle de 100 m² pour différentes configurations hydrologiques, topographiques et pédologiques. Les résultats sont analysés à l'exutoire de la parcelle et le long d'une toposéquence de 20 m de long divisé en cinq tronçons.

Cette thèse étudie l’organisation longitudinale du lit du Rhône français et son évolution depuis plus d’un siècle afin d’améliorer la gestion des sédiments du fleuve. Elle décrit d’abord la complexité géographique, géologique, et hydrologique des 512 km du système fluvial. Les extractions, l’endiguement, la chenalisation et les aménagements hydroélectriques ont simplifié le tracé latéral du chenal, incisé et pavé le fond du lit et appauvri les habitats aquatiques et riverains. La thèse caractérise ensuite plus précisément les dynamiques de fond. Elle repose sur des données bathymétriques de 1897-2010 et sur des données granulométriques issues de plus de 300 prélèvements réalisés dans le cadre de ces travaux sur l’ensemble du linéaire. Un protocole d’échantillonnage homogène a été spécialement élaboré. Les variations altimétriques du lit (zones de stockage-érosion et faciès morphologiques) et sa composition granulométrique (zones pavées ou comblées par des fines) ont été caractérisées afin d’évaluer la mobilité potentielle de la charge de fond, les apports des affluents et l’impact des ouvrages sur les conditions de transport. Il ressort 1) que l’incision du lit est principalement due à la chenalisation, 2) que les aménagements hydroélectriques ont compartimenté le continuum en provoquant le stockage de sédiments fins dans certaines retenues et en favorisant le pavage dans les vieux Rhône à l’aval de Lyon et 3) qu’une dynamique résiduelle subsiste lors de crues majeures avec une remobilisation modérée de la charge de fond. Les données des secteurs les plus pavés ont été intégrées dans un modèle hydraulique 1D permettant de quantifier la capacité de transport et le débit solide et confirmant les résultats précédents. Ces travaux permettent de formuler des recommandations de gestion durable et de restauration écologique du fleuve telles que l’ouverture des vannes de fond en crue, la modification des consignes aux barrages ou la réinjection de graviers. / This thesis studies the French Rhone riverbed longitudinal organisation and its evolution over a century, with a view to improve the management strategy for the sediments. It first describes the geographic, geologic and hydrologic peculiarities of the 512-km long fluvial system. Gravel mining, dikes construction, channelization and dams construction have simplified the lateral pattern of the channel, incised and paved the riverbed and impoverished the aquatic and riparian habitats. The thesis then more precisely characterizes the riverbed dynamics. It relies on bathymetric data collected since 1897 and on grainsize data collected specifically for this study from over 300 samples on the whole 512-km river length. An homogeneous sampling protocol was elaborated on purpose. The vertical bed evolution and grainsize distribution were analysed to assess the riverbed potential mobility, tributaries’ sediment recharge and infrastructures’ impact on sediment transport. It thus appears that 1) riverbed incision is mainly due to channelization, 2) hydroelectric dams partitioned the continuum with the accumulation of fine sediments in some backwaters and the pavement of bypassed reaches downstream of Lyon and 3) a residual dynamic persists during major floods, with moderate gravels transport. The data of paved reaches were used in a 1D hydraulic model to quantify transport capacity and bedload discharge, confirming the aforementioned results. This study helps formulate such recommendations for sustainable river management and ecological restoration as opening slush gates during floods, changing dams management instructions or reinjecting gravel.