Le béluga du Saint-Laurent est une espèce menacée au Canada et protégée par la Loi sur les espèces en péril du Canada. La détermination des fonctions biologiques de ses habitats essentiels est nécessaire afin d’assurer le rétablissement de la population. Parcs Canada a entamé en 2009 un suivi des proies du béluga dans deux de ses aires de fréquentation intensive situées dans le Parc marin du Saguenay–Saint-Laurent : l’embouchure de la rivière Saguenay et la baie Sainte-Marguerite. L’étude de l’abondance et de la distribution des proies est réalisée par sondage hydroacoustique le long de transects à l’aide d’un échosondeur multifréquences. Un protocole d’observations systématiques du béluga est mené simultanément aux sondages hydroacoustiques à partir de sites terrestres. Le premier objectif de cette étude est de développer la méthodologie concernant le traitement, la classification et la cartographie des données hydroacoustiques échantillonnées. L’objectif principal consiste à déterminer si l’abondance et la distribution des proies pélagiques ont une influence sur l’utilisation de ces deux habitats par le béluga. La cartographie de la biomasse relative de poissons a été réalisée pour la couche de surface, la couche en profondeur et pour l’ensemble de la colonne d’eau par krigeage ordinaire pour les deux habitats pour les 29 transects. À la baie Sainte-Marguerite, le nombre de bélugas observés augmente avec la biomasse relative des proies en surface et en profondeur. À l’embouchure de la rivière Saguenay, les résultats n’ont pas été concluants. Les résultats suggèrent que l’alimentation pourrait être l’une des fonctions biologiques de la baie Sainte-Marguerite. / The St. Lawrence beluga is a threatened species in Canada and protected by the Species at Risk Act in Canada. Determining the biological functions of its critical habitat is needed to ensure the recovery of the population. Parks Canada began in 2009 a monitoring of beluga preys in two of its areas of intensive use located in the Saguenay–St. Lawrence Marine Park: the Saguenay River mouth and the Sainte-Marguerite bay. The study of the abundance and distribution of prey is achieved by hydroacoustic survey along transects using a multifrequency echo sounder. A systematic observation protocol of the beluga is conducted simultaneously with hydroacoustic surveys from land-based stations. The first objective of this study is to develop the methodology for the processing, classification and mapping of these hydroacoustic data. The main objective is to determine whether the abundance and distribution of pelagic prey influence the use of these two habitats by beluga. The mapping of the fish relative biomass was conducted for the surface layer, the depth layer and the entire water column by ordinary kriging for the two habitats for the 29 transects. At Sainte-Marguerite bay, the number of whales observed increases with fish relative biomass in the surface and deep layers. At the Saguenay River mouth, the results are not conclusive. The results suggest that feeding may be one of the biological functions of the Sainte-Marguerite bay.

Le projet de cette thèse concerne l'étude de l'impact de la variabilité initiale des réservoirs géologiques sur le stockage souterrain du CO₂. Nous nous sommes inspirés de réservoirs naturels : le Dogger carbonaté du Bassin de Paris et les réservoirs gréseux de Ravenscar (mer du Nord). Chacun des réservoirs modèles reconstruits a été défini par la liste de ses minéraux (calcite, dolomite, albite, clinochlore, k-feldspath, kaolinite, quartz ... par exemple pour les réservoirs carbonatés) et par ses propriétés pétrophysiques (porosité, perméabilité). La variabilité de ces paramètres a été simulée à l'aide de méthodes géostatistiques multivariables opérant sur leur portée, palier, et seuillage. Nous avons défini des paramètres opérationnels utiles pour résumer les propriétés principales du stockage (à savoir la quantité de carbone stockée dans le réservoir, la quantité de carbone précipité sous forme de dolomie, la quantité de carbone évacuée par l'aquifère mobile, la quantité de carbone contenue dans l'eau du réservoir ainsi que la variation de la porosité dans le réservoir). Des simulations déterministes de transfert réactif ont ensuite été effectuées en suivant différents scénarii de stockage : (Cas de l'injection du CO₂ initial dans le réservoir qui nous a permis de définir l'état initiale du réservoir, cas d'un aquifère mobile se déplaçant dans le réservoir contenant du CO₂ en saturation résiduel et le cas du déplacement d'une eau acide dans un réservoir contenant un aquifère neutre). Nous avons cherché par la suite à étudier l'influence de la variabilité initiale sur les paramètres opérationnels de stockage. Nous avons ainsi mis en évidence que, par rapport au cas homogène, le champ hétérogène favorise le stockage du carbone sous forme de dolomie et diminue la quantité de carbone entrainée par l'aquifère. Les effets des grandes portées de la pétrophysique et de l'aquifère mobile ont a également été étudié. Enfin, nous avons mis en place un modèle de plans d'expériences pour étudier l'effet de la variabilité de toutes les entrées sur les différentes réponses sélectionnées. L'effet de la dispersion numérique a été étudié et nous avons montré leur importance sur certains résultats. Les plans d'expériences ont mis en exergue l'importance des taches de la dolomie (associé ici à la portée du champ de dolomie seuillée) sur le carbone stocké.

La grotte de Lascaux (inscrite au patrimoine mondial de l’UNESCO et l’une des plus connues au monde) nécessite, dans le cadre de sa conservation et suite aux aléas subis depuis sa découverte, une attention particulière tant pour elle-même que pour son environnement. L’utilisation d’une méthode géophysique, la Tomographie de Résistivité électrique (TRE) qui est une méthode non intrusive par excellence, est donc proposée pour la reconnaissance du milieu karstique l’environnant.Un suivi temporel par TRE a été mise en oeuvre pour caractériser l’amont hydraulique de la grotte et surveiller la variation temporelle de la résistivité des terrains. A l’aide d’analyses statistiques, et en couplant les données microclimatiques aux résultats d’un suivi temporel de vingt-deux mois, nous avons montré la capacité de ce type de mesures à caractériser l’environnement épikarstique de la grotte, particulièrement les zones d’alimentation et celles permettant l’infiltration des eaux pluviales. Une modélisation du débit d’un écoulement situé à l’entrée de la grotte est proposée à partir des données de résistivité dans la zone d’alimentation identifiée au cours du suivi. Ce modèle a la capacité de prédire les arrêts et les reprises des écoulements dans la grotte, éventuellement des évènements journaliers.A partir des données de résistivité issues d’une prospection 3D du site, des modélisations géostatistiques par krigeage ordinaire et par indicatrice ont été effectuées permettant des représentations spatiales en fonction de la résistivité des terrains. Ces modèles se sont révélés extrêmement instructifs par l’imagerie de l’environnement karstique de la grotte de Lascauxqui en a résulté. Les limites des formations détritiques et des calcaires sont identifiées à l’est et l’ouest du site. A l’intérieur des calcaires, on retrouve, bien sûr, les anomalies conductrices déjà identifiées au cours du suivi temporel mais aussi leur extension spatiale. Ainsi, on a pu mettre en évidence la continuité spatiale de certaines anomalies.Le suivi temporel par TRE a permis la compréhension de la structure et du fonctionnement de l’alimentation de l’épikarst. Les modèles géostatistiques 3D ont montré leur efficacité pour la caractérisation de l’environnement de la grotte. Les résultats aideraient à proposer des conseils pour la protection du milieu environnant la grotte et ainsi pour la préservation de cette dernière. / The Lascaux cave, one of the most important prehistoric caves in the world, located in Dordogne (24, France) needs particular attention both for itself and for the environment interms of conservation and vulnerability since its discovery. Geophysical methods in particular Electrical Resistivity Tomography (ERT) enable us, in a non-invasive way, to monitor the karsticenvironment.A Time-Lapse monitoring by ERT was carried out next to the cave. Together with analysis of the local effective rainfall (ground water recharge) and the flow in the cave, the monitoringhelped us to identify an area where upstream underground water is probably stored e.g. arecharge zone. There is a large electrical contrast between the surrounding limestone and theprobable recharge zone. Then, a multivariate analysis through the resistivity values allowed usto characterize the model blocks, showing a specific behavior over time, especially the blockswith the lowest electrical resistivity. A prediction model of the flow in relation with the recharge zone succeeded to predict the beginning and the end of flow, even the daily event withextremely high value of flow.In order to visualize the environment in 3D condition, a geostatistical modelling was then applied to the resistivity values. The geostatistical models can emphasize the limit betweenthe limestone promontory and the clayey/sandy formations to the east/west part of the site. In the limestone promontory, the models also showed the possible connection between theanomalous conductive areas that may have a special consequence in this karstic environment.The Time-Lapse monitoring by ERT allows us to understand the karstic structures andrecharge phenomena. The 3D geostatistical modeling showed efficiency for the characterization of the cave environment. Those results can help to provide advices for the cave preservation.

La pollution atmosphérique constitue un risque environnemental majeur dont les effets néfastes sur la santé et sur l’environnement sont déjà clairement démontrés. Toutefois, la mesure d’exposition des populations aux polluants tels que les particules fines et l’ozone troposphérique demeure approximative en raison de la faible densité des stations d’échantillonnage de ces polluants. Peu d’études ont considéré la variation spatiale intra-urbaine dans la modélisation spatiale des concentrations de polluants. Certaines études ont cependant combiné interpolation spatiale et corrélation avec des facteurs locaux. De plus, l’effet du régime météorologique (par exemple l’occurrence d’une inversion de température) sur l’amplitude de ces corrélations n’est pas pris en compte. Cette thèse a donc pour objectif d’évaluer de nouvelles manières de caractériser la distribution spatiale et temporelle des particules fines (PM2.5) et de l’ozone troposphérique (O3) à l’échelle intra-urbaine. Plus particulièrement, nous avons développé un modèle de géostatistique multivariable appelée krigeage avec dérive externe (KED, kriging with external drift) basé sur l’intégration de variables auxiliaires dans le processus d’estimation journalière des PM2.5 et de l’O3. Le krigeage constitue une forme d’interpolation spatiale des données de stations de mesures éparses, alors que la dérive externe mise sur des corrélations entre des conditions locales (axes de transport routier, espaces verts, etc.) et la concentration des polluants atmosphériques. Afin de prendre en compte les variations temporelles, notamment celles reliées aux conditions météorologiques, ces modèles ont été développés par groupes basés sur des conditions synoptiques et six classes d’états établies selon la température, le vent, l’humidité relative et les précipitations, d’après des données météorologiques journalières. Les résultats montrent que l’intégration des variables auxiliaires telles que la densité de la végétation et les zones des activités industrielles locales dans le KED expliquent en partie les variations intra-urbaines des PM2.5 de l’île de Montréal, mais que cet apport est variable selon la classe météorologique. Ainsi, lorsque les corrélations sont très faibles, une interpolation spatiale simple, comme la méthode IDW (inverse distance weighting) est plus exacte que l’interpolation multivariable, alors que pour d’autres conditions synoptiques le KED produit les prédictions les plus certaines. Nous avons pour cette raison proposé un modèle d’interpolation hybride (KED-IDW) s’adaptant aux conditions météorologiques. Nous avons également montré, particulièrement dans le cas de l’O3, que le krigeage avec dérive externe améliore les résultats obtenus par krigeage ordinaire (sans variables auxiliaires). Cette thèse a aussi permis d’évaluer l’apport d’un modèle spatio-temporel (BME, bayesian maximum entropy) dans l’estimation de l’effet à court terme de l’exposition à l’O3 sur les décès à Montréal. Les résultats suggèrent que ce modèle spatio-temporel dans les conditions développées (par ex. basé sur les données de 12 stations de mesures, pour un territoire de 1 310 km2) n’apporte pas de gains significatifs dans l’estimation de l’effet de l’exposition. Dans l’ensemble, cette thèse contribue au progrès de modélisation spatiale empirique des polluants atmosphériques en se fondant notamment sur l’adaptation aux conditions météorologiques et par l’ajout de certains facteurs météorologiques comme prédicteurs. Dans ce contexte, cette thèse ouvre une voie prometteuse pour l’amélioration des estimations de polluants atmosphériques à l’échelle intra-urbaine et de la capacité à évaluer les risques à la santé de la population par une meilleure caractérisation de l’exposition. Mots-clés : pollution de l’air, particules fines, ozone troposphérique, santé, géostatistique, krigeage avec dérive externe, environnement urbain. / Air pollution is a major environmental hazard with clearly demonstrable adverse effects on health and the environment. However, the measurement of populations’ exposure to pollutants such as particulate matter and ground-level ozone remains approximate due to the low density of sampling stations for these pollutants. Moreover, intra-urban spatial variation in the spatial modeling of pollutant concentrations has received little research attention. If anything, some studies have combined spatial interpolation and correlation with local factors; however, they do so without examining the effect of the weather regime (e.g., a temperature inversion) on the magnitude of these correlations. In order to overcome these shortcomings, this dissertation aims to evaluate new ways of characterizing the spatial and temporal distribution of fine particles (PM2.5) and ground-level ozone (O3) at the intra-urban scale. In particular, we developed a multivariable geostatistical model called “kriging with external drift” (KED) based on the integration of auxiliary variables into the process of estimating daily PM2.5 and O3 concentrations. Kriging is a form of spatial interpolation of data from measurement stations that are dispersed, while external drift is based on correlations between local conditions (road transport arteries, green spaces, etc.) and the concentration of atmospheric pollutants. In order to take account of temporal variations, especially those related to weather conditions, we designed these models around six synoptic weather classes based on daily meteorological data (such as temperature, wind, relative humidity and precipitation). v The results show that the integration of auxiliary variables (such as vegetation density and local industrial activity areas) in KED partly explains the intra-urban variations of PM2.5 on the island of Montreal, but that this contribution is variable depending on the weather conditions. Thus, when the correlations are very low, a simple spatial interpolation (such as the inverse distance weighting (IDW) method) is more accurate than multivariable interpolation, whereas for other synoptic conditions KED produces the most certain predictions. For this reason, we proposed a hybrid interpolation model (KED-IDW) that can adapt to different weather conditions. We have also shown, particularly in the case of O3, that KED improves the results obtained from ordinary kriging (without auxiliary variables). This dissertation also allowed to evaluate the contribution of a spatial-temporal model—BME (bayesian maximum entropy)—in the estimation of the short-term effect of exposure to O3 on deaths in Montreal. The results suggest that this spatio-temporal model under the determined conditions (e.g., based on data from 12 measurement stations, for a territory of 1 310 km2) does not offer significant improvements to the estimation of the effect of exposure. Overall, this dissertation contributes to the advancement of the empirical spatial modeling of air pollutants, namely by taking into account the adaptation to weather conditions as well as certain predictive meteorological factors. In this context, the dissertation opens up a promising path for improving the estimation of air pollution at the intra-urban scale and the capacity to assess population health risks through better characterization of exposure.

L’évolution actuelle de l’ingénierie géotechnique place la maîtrise des risques d’origine géotechnique au cœur de ses objectifs. On constate aussi que la complexité des projets d’aménagement (à travers les objectifs coûts/délais/performances qui sont recherchés) est croissante et que les terrains choisis pour les recevoir présentent, quant à eux, des conditions géotechniques de plus en plus souvent « difficiles ». Ces conditions défavorables se traduisent par une variabilité forte des propriétés des sols, rendant leur reconnaissance et leur analyse plus complexe. Ce travail de thèse traite de la caractérisation de la variabilité naturelle des sols et des incertitudes liées aux reconnaissances géotechniques dans le but de mieux les prendre en compte dans les dimensionnements des ouvrages. Il se positionne dans le contexte de la maîtrise des risques de projet d’origine géotechnique. Les principaux outils statistiques servant à décrire la dispersion des données et leur structuration spatiale (géostatistique), ainsi que des méthodes probabilistes permettant d’utiliser leur résultats dans des calculs, sont présentés sous l’angle de leur application en géotechnique. La démarche est appliquée à un projet de plate-forme ferroviaire. Cette infrastructure a été implantée sur un site géologiquement et géotechniquement complexe, et présente aujourd’hui des déformations importantes dues aux tassements des sols. Une nouvelle analyse des données géotechniques a donc été entreprise. Elles ont, au préalable, été regroupées dans une base de données qui a facilité leur traitement statistique et géostatistique. Leur variabilité statistique et spatiale a été caractérisée permettant une meilleure compréhension du site. Le modèle géologique et géotechnique ainsi établi a ensuite été utilisé pour calculer les tassements. Une démarche en trois temps est proposée : globale, locale et spatialisée permettant une estimation des tassements et de leur incertitude, respectivement, à l’échelle du site, aux points de sondages, et spatialisée sur la zone d’étude. Les résultats montrent clairement l’intérêt des méthodes statistiques et géostatistiques pour la caractérisation des sites complexes et l’élaboration d’un modèle géologique et géotechnique du site adapté. La démarche d’analyse des tassements proposée met en avant le fait que les incertitudes des paramètres se répercutent sur les résultats des calculs de dimensionnement et expliquent le comportement global de l’infrastructure. Ces résultats peuvent se traduire sous forme d’une probabilité de ruine qui peut ensuite être utilisée dans un processus de prise de décision et de management des risques. D’une manière plus large, ce travail de thèse constitue une contribution à l’élaboration et l’analyse des campagnes de reconnaissances géotechniques, en ayant le souci d’identifier, d’évaluer et de prendre en compte la variabilité et les incertitudes des données lors des différentes phases du projet pour permettre une meilleure maîtrise du risque d’origine géotechnique. / The current evolution of the geotechnical engineering places the risk management of geotechnical origin in the heart of its objectives. We also notice that the complexity of the projects of development (through the objectives costs/deadline/performances which are sought) is increasing and that soil chosen to receive them present unusual geotechnical conditions. These unfavourable conditions usually mean a strong variability of the soil properties, which induces soil investigation and data analysis more difficult. This work of thesis deals with the characterization of the natural variability of soils and with the uncertainties dues to geotechnical investigations, with the aim to better take them into account in geotechnical engineering project. This work takes place in the context of the management of the risk of project with geotechnical origin. The main statistical tools used for describe the scattering of the data and their spatial variability (geostatistic), as well as the probabilistic methods enabling to use their results in calculations, are presented under the view of their application in geotechnical design. The approach is applied to a project of railway platform. This infrastructure was located on a site where the geology and the geotechnical conditions are complex, and which present important deformations due to the soil settlements. A new analysis of geotechnical data was started again. First, geotechnical data were included in a database in order to ease their statistical and geostatistical treatment. Their statistical and spatial variability were characterized allowing a better understanding of the site. The geologic and geotechnical model so established was then used to assess the settlement effects. An analysis in three levels is proposed: global, local and spatial, which give means to estimate the settlement values and its uncertainty, respectively, on the scale of the site, on the boring points, and on zone of study according to the spatial connectivity of soil properties. The results clearly show the interest of statistical and geostatiscal methods in characterizing complex sites and in the elaboration of a relevant geologic and geotechnical model. The settlement analysis proposed highlight that the parameter uncertainties are of first importance on the design calculations and explain the global behaviour of the infrastructure. These results can be translated in the form of a reliabilitry analysis which can be then used in a process of decision-making and risk management. In a wider way, this work of thesis contributes toward the elaboration and the analysis of the geotechnical investigations, with the aim to identify, to estimate and to take into account the variability and the uncertainties of the data during the various stages of the project. It leads to better control of the risk of geotechnical origin.

Les dépôts éoliens quaternaires du Bassin aquitain constituent un rare exemple de système éolien périglaciaire fossile loin des marges des grands inlandsis. L'étude de ce système permet d'appréhender l'expression de la dynamique éolienne dans une région située, au cours des stades gla- ciaires, à la charnière entre le domaine nord- européen sous influence du pergélisol continu et la ceinture semi-aride/aride à gel saisonnier du sud de l'Europe. L'étude de ces dépôts éoliens contribue enfin à améliorer la caractérisation des paysages auxquels les groupes paléolithiques du SO de la France ont été confrontés. Dans cette perspective, ce travail propose un bilan chronostratigraphique des accumulations sableuses plé- istocènes et holocènes dans le désert des Landes, ainsi qu'une analyse cartographique des principaux faciès éoliens du Bassin Aquitain. Le bilan est fondé sur l'étude stratigraphique détaillée (faciès sédimentaires, paléopédologie) de nombreuses coupes inédites et sur 75 dates numériques (OSL, ESR, 14C). La morphologie des édifices dunaires, l'organisation spatiale des faciès et leur origine sont abordées en combinant : 1) une étude cartographique des dunes à l'aide d'un SIG; 2) une étude géostatistique des variations d'épaisseur et des gradients granulométriques; 3) une étude géochimique (statistiques multivariées pour données compositionnelles) des dépôts loessiques et de leurs sources potentielles. L'histoire de l'erg landais qui en résulte s'avère être complexe. Cet erg s'installe dès le Pléistocène inférieur et des épandages sableux Pléistocène moyen ont été documentés, en accord avec les enregistrements en milieu loessique. Un cadre chronostratigraphique détaillé est établi pour le Pléistocène supérieur. La phase la plus ancienne (56-50 ka) correspond à des épandages sableux en contexte relativement humide, influencé par les variations du niveau de la nappe phréatique et associé à de vastes champs de rides barkhanoïdes ou transverses de faible ampleur (type zibars). Pendant cette phase, un gley tourbeux se développe et témoigne d'un épisode de diminution de la sédimentation sableuse (probablement GI-14), associé à une végétation steppique à graminées et armoises. Entre 50 et 25 ka les accumulations sableuses sont rares en réponse à l'éloignement du rivage lié à la baisse du niveau marin et/ou à cause d'une diminution de l'activité éolienne suite à l'installation d'un pergélisol. Entre 25 et 14 ka, de vastes épandages sableux se forment dans un contexte de plus en plus sec et cette phase correspond vraisemblablement à l'extension maximum du désert des Landes. Au Tardiglaciaire, la colonisation des sables par la végétation est tardive et la dynamique éolienne reste active tout au long du Bølling et jusqu'à la première partie de l'Allerød. L'installation d'une forêt boréale dans les Landes se produit à la fin de l'Allerød et se marque par le développement d'un podzosol juvénile. Au cours de la détérioration climatique du Dryas récent, des champs de dunes paraboliques s'édifient. Leur mise en place semble avoir débuté localement dès l'oscillation froide intra-Allerød. Pour le Pléistocène supérieur, les principaux facteurs qui ont contrôlé la distribution des faciès éoliens et le bilan sédimentaire ont pu être définis. D'un point de vue paléogéographique, l'erg aquitain apparait composé d'une mosaïque de dépôts éoliens d'âge différent : principalement Pléistoce ne moyen dans le Médoc, Pléniglaciaire moyen weichsélien au sud du Plateau Girondin et Pléniglaciaire supérieur dans le sud des Landes. La comparaison avec les enregistrements éoliens eu- ropéens (Pays-Bas, Angleterre, NO de la France, Espagne, Portugal) montre que le Bassin Aquitain présente de nombreuses affinités avec le SO de l'Europe. La modélisation spatiale de la granularité des dépôts éoliens et l'étude géochimique convergent vers une relation génétique entre les différents facie s éoliens. Les loess dérivent principalement de l'abrasion des sables. Seuls les loess de l'Entre-deux-Mers montrent une contribution d'origine fluviatile significative. La direction des vents nourriciers, obtenue à partir des gradients granulométriques et des morphologies dunaires, semble avoir changé au cours du temps. Celle-ci est orientée O-E au Pléniglaciaire moyen, puis NO-SE au Pléniglaciaire supérieur, tandis qu'au Dryas récent la direction est plutôt SSO-NNE. Dans ce travail, l'hypothèse d'un changement de la saison à laquelle les sables sont remobilisés est privilégiée. Ainsi, par comparaison avec la distribution azimutale actuelle des vents à l'échelle de l'année et en accord avec les reconstitutions pour le LGM, il est suggéré qu'au Pléniglaciaire supérieur la déflation éolienne était décalée vers la saison estivale, c'est-à-dire après la phase de dégel des sols et de fonte de la neige. Au contraire, les orientations établies pour le Pléniglaciaire moyen et le Dyras récent refléteraient une déflation active en période hivernale.

L'ensemble des travaux présentés ici est centré sur la modélisation des hydrosystèmes continentaux comme support de la gestion durable de la ressource en eau. Ils portent sur la compréhension du cycle de l'eau, du fonctionnement des interfaces nappe-rivière, et de l'impact de l'anthropisation sur la qualité des eaux (pratiques agricoles, rejets urbains). Une réflexion transverse sur une meilleure imbrication entre stratégies d'échantillonnage et stratégies de modélisation, et un souci permanent de quantifier les incertitudes liées aux modèles déterministes au moyen de diverses techniques, sont aussi au cœur des travaux présentés. Le premier chapitre s'intéresse aux bases de la modélisation quantitative des hydrosystèmes continentaux. L'utilisation de cartes piézométriques permet de mettre en œuvre des techniques de calibration automatique, via des approches inverses, de modèles simulant les écoulements souterrains. Ce potentiel a été exploité par la conceptualisation d'une méthodologie hybride d'ajustement de mmd (modèle mécaniste distribué) d'hydrosystème. La simulation du bassin de la Loire réalisée avec EauDyssée, couplée à l'utilisation du modèle linéaire de co-régionalisation pour analyser les différentes composantes du cycle de l'eau, mènent à la conclusion que le système aquifère est en légère sur-exploitation. Un retour sur le concept d'hydrosystème continental permet de le structurer explicitement autour de ses interfaces emboîtées. Ce cadre théorique permet alors d'aborder la problématique des échanges nappe-rivière en fonction des échelles d'étude, et d'identifier l'échelle intermédiaire du corridor fluvial comme étant la clé de voûte des emboîtements d'échelles. De plus, ce découpage affiné de l'hydrosystème facilite la réflexion nécessaire à la mise en place de systèmes d'observation multi-échelle du comportement hydrologique des interfaces nappe-rivière. Si les échelles locales et intermédiaires autorisent le déploiement de tels systèmes, une analyse bibliographique approfondie montre qu'il n'en va pas de même de l'échelle régionale, pour laquelle des méthodologies couplant observations et modélisations doivent être développées. Il est alors montré que l'utilisation du modèle résistif couplé à une simulation dynamique des niveaux d'eau en rivière permet de bien simuler les comportements piézométriques à court et moyen termes. Le dernier chapitre démarre par la mise en œuvre du modèle hydrocologique, ProSe, sur le linéaire de la Seine depuis l'amont de Paris jusqu'à l'estuaire. L'étude de l'interaction entre les processus biogéochimiques et les processus hydro-sédimentaires révèle l'importance de ces derniers. L'impact des stocks de vase sur l'oxygénation des eaux de surface est aussi significatif pour les rivières aval. Le rôle joué par les interfaces devient primordial dans les têtes de bassin, où elles contrôlent la qualité de l'eau. Pour le bassin amont du Grand Morin, la modélisation du devenir des nitrates d'origine agricole, a permis de montrer que l'azote était éliminé, dans sa grande majorité, au niveau des interfaces nappe-rivière. Finalement, afin de mieux comprendre le devenir des nitrates dans les grandes rivières, la comparaison de deux cadres cognitifs (interprétation des observations et représentations des processus) a été menée à l'aide du modèle linéaire de co-régionalisation. Appliquée à la Seine, cette approche a permis d'analyser les écarts, entre modèles et mesures, associés soit à des erreurs de forçage du modèle déterministe (conditions aux limites), soit à des erreurs de formalisme des processus physiques ou/et de paramétrisation du modèle.

Le sol présente une variabilité spatiale des propriétés physiques et mécaniques dont les effets sur des structures légères avec semelles filantes et sur les conduites enterrées ne sont pas bien pris en compte dans leur dimensionnement. Cette variabilité naturelle peut être très importante dans le cas de ces ouvrages car elle induit des tassements différentiels, dont les conséquences peuvent être dommageables : fissures dans les murs, les poutres ou encore des fuites dans les réseaux d’assainissement. La variabilité naturelle du sol et l'incertitude liée à la connaissance imparfaite des propriétés du sol et/ou du béton ou de l'acier de la structure sont les principales sources d'incertitude dans le choix des paramètres de calcul pour le dimensionnement de ces structures. Dans cette thèse, une approche analytique avec les méthodes probabilistes (FOSM et SOSM) et le modèle de Winkler, puis numérique avec le couplage de la méthode des éléments finis avec des approches géostatistiques ont été successivement menées pour modéliser le comportement des semelles filantes et des conduites enterrés lorsque les incertitudes sur les propriétés mécaniques du sol et de la structure sont prises en compte dans leur dimensionnement. Il apparait ainsi, l’importance du comportement longitudinal de ces ouvrages et du poids des incertitudes dans leur dimensionnement. / Soil exhibits spatial heterogeneities resulting from the history of its deposition and aggregation processes that occur in different physical and chemical environments. This inherent or natural variability can be very important in the case of the superficial geotechnical works inducing differential settlements, whose consequences on structural response can be harmful: local failures, cracking in beams or walls, leakage in sewers. Natural variability of soil and uncertainty related to imperfect knowledge in soil properties and/or of concrete or steel of the structure, are the major source of uncertainty in the choice of the design parameters. In this thesis the probabilistic methods in geotechnical engineering, the analytical Winkler model and the coupling of the finite element method with geostatistical approaches were successively used to model the behavior of shallow foundations and buried pipe networks when soil and structure uncertainties are considered in their design.