Le but de cette thèse est d'étudier l'influence des propriétés d'une suspension colloïdale sur l'efficacité du procédé d'ultrafiltration appliqué au traitement de l'eau. Pour cela, les expériences, détaillées dans une première partie, sont menées avec une suspension colloïdale d'argile contenant des électrolytes. Les propriétés physico-chimiques d'un tel mélange font l'objet du deuxième chapitre où la stabilité de la suspension est définie à travers la théorie DLVO, c'est à dire en considérant les interactions électrostatiques. Le troisième chapitre analyse l'influence de la stabilité de la suspension sur le colmatage de la membrane. Des modélisations permettent d'expliciter physiquement ces résultats en prenant en compte l'influence des interactions électrostatiques sur les mécanismes de transfert qui régissent l'ultrafiltration: la cinétique de dépôt et la résistance hydraulique du dépôt. L'étape de décolmatage de la membrane après les filtrations est exposée dans un quatrième chapitre. Une cinquième partie présente le rejet de sel engendré par le dépôt de colloïdes. Ce phénomène est décrit par les répulsions électrostatiques entre les ions et les surfaces chargées du colloïde. En conclusion, cette thèse présente donc plus généralement l'influence de la stabilité d'une suspension ou des interactions électrostatiques sur l'ensemble des mécanismes de transfert intervenant lors du colmatage d'une membrane d'ultrafiltration par un colloïde.

L'optimisation de la distribution de l'eau est un enjeu crucial qui a déjà été ciblé par de nombreux outils de modélisation. Des modèles utiles, implémentés il y a des décennies, ont besoin d'évoluer vers des formalismes et des environnements informatiques plus récents. Cette thèse présente la refonte d'un ancien logiciel de simulation hydraulique (IRMA) écrit en FORTRAN, qui a été utilisé depuis plus de 30 ans par la Société du Canal de Provence, afin de concevoir et maintenir les réseaux de distribution d'eau. IRMA a été développé visant principalement pour le traitement des réseaux d'irrigation - en utilisant le modèle probabiliste d'estimation de la demande de Clément - et il permet aujourd'hui de gérer plus de 6.000 km de réseaux d'eau sous pression. L'augmentation de la complexité et de la taille des réseaux met en évidence le besoin de moderniser IRMA et de le réécrire dans un langage plus actuel (Java). Cette thèse présente le modèle de simulation implémenté dans IRMA, y compris les équations de perte de charge, les méthodes de linéarisation, les algorithmes d'analyse de la topologie, la modélisation des équipements et la construction du système linéaire. Quelques nouveaux types de simulation sont présentés: la demande en pointe avec une estimation probabiliste de la consommation (débit de Clément), le dimensionnement de pompe (caractéristiques indicées), l'optimisation des diamètres des tuyaux, et la variation de consommation en fonction de la pression. La nouvelle solution adoptée pour résoudre le système linéaire est décrite et une comparaison avec les solveurs existants en Java est présentée. La validation des résultats est réalisée d'abord avec une comparaison entre les résultats obtenus avec l'ancienne version FORTRAN et la nouvelle solution, pour tous les réseaux maintenus par la Société du Canal de Provence. Une deuxième validation est effectuée en comparant des résultats obtenus à partir d'un outil de simulation standard et bien connu (EPANET). Concernant les performances de la nouvelle solution, des mesures séquentielles de temps sont présentées afin de les comparer avec l'ancienne version FORTRAN. Enfin, deux cas d'utilisation sont présentés afin de démontrer la capacité d'exécuter des simulations distribuées dans une infrastructure de grille, utilisant la solution ProActive. La nouvelle solution a déjà été déployée dans un environnement de production et démontre clairement son efficacité avec une réduction significative du temps de calcul, une amélioration de la qualité des résultats et une intégration facilitée dans le système d'information de la Société du Canal de Provence, notamment la base de données spatiales.

Cette thèse aide à approfondir les connaissances sur les différentes sources d'incertitude dans l'évaluation économique du risque inondation. Elle explore plusieurs disciplines afin d'analyser l'impact des stratégies utilisées pour modéliser l'aléa inondation et la vulnérabilité d'un territoire, sur l'évaluation des dommages potentiels. On a mesuré la variabilité des estimations en fonction des bases de données, modèles, méthodes et échelles considérés pour : analyser la probabilité des inondations (hydrologie) ; modéliser et cartographier l'aléa inondation (hydraulique) ; caractériser la vulnérabilité des enjeux et leur susceptibilité à subir des dommages (génie civil, géographie et économie de l'environnement). Les analyses et méthodes développées devront appuyer la prise en compte d'incertitudes, la détermination de priorités et l'optimisation de la distribution des ressources entre les différents modules de l'évaluation. Afin d'explorer un degré de complexité supplémentaire d'analyse de risque, nous avons développé une méthode d'analyse de la vulnérabilité systémique des réseaux d'infrastructure en lien avec leur résilience.

La conductivité hydraulique foliaire (KF) est une composante majeure du transport d'eau dans toute la plante. Dans les feuilles de noyer, la KF est stimulée à la lumière et est étroitement liée à l'accroissement du taux des transcrits d'aquaporines JrPIP2s. Par ailleurs, la corrélation entre la stimulation de la KF et des transcrits d'aquaporines à la lumière, n'est pas générale et dépend de l'espèce. Ici, nous étudions cette corrélation chez cinq espèces forestières (Juglans regia, Fagus sylvitica, Quercus robur, Salix alba et Populus tremula) différant par leur réponse à la lumière. Nous démontrons seulement chez le noyer (Juglans regia), la contribution des deux familles d'aquaporines PIP1s et PIP2s. Afin de mieux comprendre le rôle des JrPIP1s et JrPIP2 dans la réponse à la lumière, nous avons isolé 8 nouvelles isoformes dans les feuilles de noyer et nous avons étudié leurs profils d'expression sur une cinétique lumière. Toutes les isoformes étudiées sont accumulées à la lumière et réprimées à l'obscurité. De plus, la KF est dépendante de la qualité de lumière. Elle est réduite de 65% en absence de lumière bleue. Cette diminution serait liée à l'inhibition des transcrits d'aquaporines. Afin de caractériser les mécanismes moléculaires précoces impliqués dans la modulation de KF par la lumière, l'approche globale cDNA-AFLP a été menée sur des feuilles de noyer sous différentes conditions d'éclairement. Nous obtenons 12000 transcrits différentiels dérivés (TDFs) générés par les 128 couples d'amorces. Parmi les 187 séquences obtenues, 93 d'entre elles ont une fonction putative. Leur classification fonctionnelle montre que les gènes relatifs à la régulation cellulaire représentent environ 58% des TDFs identifiés. Les feuilles exposées à la lumière, montrent des changements dans les voies de : signalisation calcique, protéolyse, trafic vésiculaire et l'expression de divers facteurs de transcription et protéines de régulation. Pour mieux comprendre le rôle potentiel de la signalisation calcique dans la modulation de la KF par la lumière, nous avons étudié l'effet d'un inhibiteur des canaux calciques [LaCl3] et d'un antagoniste de calmoduline [W7] sur la KF et les transcrits des 10 JrPIPs. Comparées aux feuilles témoins, les inhibiteurs calciques provoquent une réduction de la KF et de la majorité des JrPIPs étudiées à la lumière. Nos résultats confirment l'implication du complexe Ca2+ /calmoduline dans la transduction du signal lumineux responsable de la stimulation de la KF et des transcrits d'aquaporines chez le noyer.

Ce travail traite de la thermohydraulique d'un bain de melt couplée à la physicochimie pour ladescription du comportement de mélanges de matériaux (non-eutectiques).On décrit le transitoire d'établissement de température dans un liquide avec dégagement de puissancevolumique en présence de solidification sur une paroi refroidie. Le modèle développé à cet effet estvalidé par rapport aux résultats des essais LIVE réalisés à KIT. Dans les conditions de ces essais onmontre que la température d'interface suit la température liquidus (correspondant à la composition dubain liquide) pendant le transitoire d'établissement de la température dans le bain et des croûtessolides.Par ailleurs, on propose un modèle d'interaction entre un liquide non-eutectique (soumis à dissipationvolumique de puissance) et une paroi fusible dont la température de fusion est inférieure à latempérature liquidus du bain. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats des essaisARTEMIS 2D. On en déduit une nouvelle formulation de la température d'interface (inférieure àliquidus température) entre le liquide et la couche pâteuse en paroi.

L'apport de sédiments fins au cours d'eau est un phénomène naturel mais qui sous les effets de l'anthropisation peut devenir excessif et conduire à perturber le fonctionnement de l'hydrosystème. Cet apport excessif provoque le colmatage du lit des rivières et peut perturber les échanges hydriques, les processus biogéochimiques et les communautés d'invertébrés benthiques et hyporhéiques. D'un point de vue méthodologique, la mesure de la conductivité hydraulique dans le substrat permet d'obtenir une image du niveau de colmatage de la zone hyporhéique et le pompage Bou Rouch permet d'étudier qualitativement la faune hyporhéique. D'un point de vue biologique, les effets du colmatage sont un peu plus importants pour l'hyporhéos que pour le benthos notamment au niveau de la richesse taxonomique, des assemblages faunistiques et des traits biologiques

L'étude des surpressions de fluide et de fracturation hydraulique des roches mères peut nous renseigner sur les mécanismes de génération qui en sont à l'origine. Ces dernières années, l'intérêt pour ces phénomènes s'est largement accru, notamment sous l'influence des sociétés pétrolières qui exploitent les ressources non-conventionnelles au cœur des problèmes énergétiques actuels. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi deux approches différentes pour l'étude de ces mécanismes : (1) des exemples de cas géologiques naturels, et (2) le développement de la modélisation analogique. Ainsi, nous montrons que ces phénomènes sont très répandus au sein des bassins sédimentaires et que leurs manifestations s'expriment notamment par la génération de veines fibreuses parallèles à la stratification de la roche (beef), mais également par la formation de veines d'hydrocarbures solides (bitume). Nous démontrons également que les surpressions de fluides peuvent profondément changer le style de déformation d'un bassin sédimentaire par la génération de niveaux de décollement localisés au sein même des roches mères. Enfin, à l'aide de la modélisation analogique, nous avons pu identifier les mécanismes à l'origine des surpressions de fluide et de la fracturation hydraulique. En effet, lors de la génération d'hydrocarbures la transformation de solide à liquide de la matière organique conduit à la compaction chimique des sédiments. Par un mécanisme de transfert de charge lors de ce processus, ainsi que par l'accroissement de volume associé, des surpressions de fluides se développent et atteignent des pressions lithostatiques, capables de fracturer hydrauliquement les roches.

La perméabilité des roches est fortement influencée par la présence de fractures car ces dernières constituent un chemin préférentiel pour l’écoulement des fluides. Ainsi la présence de fractures naturelles est un facteur déterminant pour la productivité d’un réservoir. Dans le cas de roches à faible conductivité, des techniques de stimulation telle que la fracturation hydraulique sont utilisées pour en augmenter la perméabilité et rendre le réservoir exploitable d’un point de vue économique. A l’inverse, dans le cas du stockage géologique, la présence de fractures dans la roche représente un danger dans la mesure où elle facilite le transport et la migration des espèces disséminées dans la roche. Pour le stockage de CO2, les fuites par les fractures présentes dans les couvertures du réservoir et la réactivation des failles constituent un risque majeur. Et en ce qui concerne le stockage géologique de déchets radioactifs, la circulation de fluide dans des réseaux de fractures nouvelles ou réactivées au voisinage de la zone de stockage peut aboutir à la migration de matériaux nocifs. Il est donc important de prévoir les effets de la présence de fractures dans un réservoir. Le but de cette thèse est le développement d’un outil numérique pour la simulation d’un réseau de fractures et de son évolution sous sollicitation hydro-mécanique. Grâce à sa commodité, la méthode des éléments finis étendue (XFEM) sera retenue et associée à un modèle de zone cohésive. La méthode XFEM permet en effet l’introduction de fissures dans le modèle sans nécessairement remailler en cas de propagation des fissures. L’écoulement du fluide dans la fissure et les échanges de fluide entre la fissure et le milieu poreux seront pris en compte via un couplage hydro-mécanique. Le modèle est validé avec une solution analytique asymptotique pour la propagation d’une fracture hydraulique plane dans un milieu poroélastique en 2D comme en 3D. Puis, nous étudions la propagation de fractures hydrauliques sur trajets inconnus. Les fissures sont initialement introduites comme des surfaces de fissuration potentielles étendues. Le modèle de zone cohésive sépare naturellement les domaines adhérents et ouverts. Les surfaces potentielles de fissuration sont alors actualisées de manière implicite par un post-traitement de l’état cohésif. Divers exemples de réorientation de fissures hydrauliques et de compétition entre fissures voisines sont analysés. Enfin, nous présentons l’extension du modèle aux jonctions de fractures hydrauliques / The permeability of rocks is widely affected by the presence of fractures as it establishes prevailing paths for the fluid flow. Natural cracks are then a critical factor for a reservoir productiveness. For low permeability rocks, stimulation techniques such as hydrofracturing have been experienced to enhance the permeability, so that the reservoir becomes profitable. In the opposite, when it comes to geological storage, the presence of cracks constitutes a major issue since it encourages the leak and migration of the material spread in the rock. In the case of CO2 storage, the scenario of leakage across the reservoir seal through cracks or revived faults is a matter of great concern. And as for nuclear waste storage, the fluid circulation in a fracture network around the storage cavity can obviously lead to the migration of toxic materials. It is then crucial to predict the effects of the presence of cracks in a reservoir. The main purpose of this work is the design of a numerical tool to simulate a crack network and its evolution under hydromechanical loading. To achieve this goal we chose the eXtended Finite Element Method (XFEM) for its convenience, and a cohesive zone model to handle the crack tip area. The XFEM is a meshfree method that allows us to introduce cracks in the model without necessarily remeshing in case of crack propagation. The fluid flow in the crack as well as the exchanges between the porous rock and the crack are accounted for through an hydro-mechanical coupling. The model is validated with an analytical asymptotic solution for the propagation of a plane hydraulic fracture in a poroelastic media, in 2D as well as in 3D. Then we study the propagation of hydraulic fractures on non predefined paths. The cracks are initially introduced as large potential crack surfaces so that the cohesive law will naturally separate adherent and debonding zones. The potential crack surfaces are then updated based on a directional criterion appealing to cohesive integrals only. Several examples of crack reorientation and competition between nearby cracks are presented. Finally, we extend our model to account for the presence of fracture junctions

Ce travail traite de la thermohydraulique d’un bain de melt couplée à la physicochimie pour ladescription du comportement de mélanges de matériaux (non-eutectiques).On décrit le transitoire d’établissement de température dans un liquide avec dégagement de puissancevolumique en présence de solidification sur une paroi refroidie. Le modèle développé à cet effet estvalidé par rapport aux résultats des essais LIVE réalisés à KIT. Dans les conditions de ces essais onmontre que la température d’interface suit la température liquidus (correspondant à la composition dubain liquide) pendant le transitoire d’établissement de la température dans le bain et des croûtessolides.Par ailleurs, on propose un modèle d’interaction entre un liquide non-eutectique (soumis à dissipationvolumique de puissance) et une paroi fusible dont la température de fusion est inférieure à latempérature liquidus du bain. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats des essaisARTEMIS 2D. On en déduit une nouvelle formulation de la température d’interface (inférieure àliquidus température) entre le liquide et la couche pâteuse en paroi. / This work deals with the thermal-hydraulics of a melt pool coupled with the physical chemistry for thepurpose of describing the behaviour of mixtures of materials (non-eutectic).Evolution of transient temperature in a liquid melt pool heated by volumetric power dissipation hasbeen described with solidification on the cooled wall. The model has been developed and is validatedfor the experimental results given by LIVE experiment, performed at Karlsruhe Institute ofTechnology (KIT) in Germany. Under the conditions of these tests, it is shown that the interfacetemperature follows the liquidus temperature (corresponding to the composition of the liquid bath)during the whole transient. Assumption of interface temperature as liquidus temperature allowsrecalculating the evolution of the maximum melt temperature as well as the local crust thickness.Furthermore, we propose a model for describing the interaction between a non-eutectic liquid meltpool (subjected to volumetric power dissipation) and an ablated wall whose melting point is below theliquidus temperature of the melt. The model predictions are compared with results of ARTEMIS 2Dtests. A new formulation of the interface temperature between the liquid melt and the solid wall(below liquidus temperature) has been proposed.

La sûreté des installations de stockage profond des déchets radioactifs repose sur l’évaluation des propriétés de confinement de la barrière géologique et des processus qui y régissent le transport des radionucléides. La thèse est menée dans le cadre de l’expérience Deep Borehole du projet Mont Terri. Elle vise à renforcer l’évaluation de l’importance relative des phénomènes de transfert convectifs et diffusifs au sein de l’Argile à Opalines (OPA) et à apporter des éclaircissements concernant l’impact des phénomènes transitoires chimique et hydraulique sur ces transferts et la génération d’anomalies de pression. Un premier volet expérimental a permis d’acquérir les paramètres de transport advectifs, diffusifs, et les forces motrices associées, nécessaires à l’estimation des flux d’eau et de solutés entre l’OPA et les aquifères adjacents. Les données de température et de pression révèlent un gradient géothermique de 8.5°C/100 m et un excès de charge d’au moins 60 m. L’inversion du profil de chlorure par méthode Bayésienne de type Monte Carlo Markov Chain valide l’évolution paléohydrogéologique du site proposé dans la littérature en considérant un transport diffusif pur à travers la formation. La contribution des phénomènes de transport osmotique a été déterminée en interprétant le profil de pression à l’aide de simulations transitoires considérant l’évolution temporelle de la chlorinité et de la pression au cours du scénario géologique et de simulations en pseudo régime permanent. Ce profil est reproduit en évaluant le flux advectif couplé incluant l’advection de Darcy, la chemo-osmose et la thermo-osmose, avec une contribution majeure de ce dernier processus. / The safety of radioactive waste disposal facilities in deep geological formation depends on the evaluation of the rock confining properties and the processes governing radionuclides transfer. The thesis is conducted in the framework of Deep Borehole experiment of the Mont Terri project. The purpose of this research is to build confidence with regard to understanding relative importance of diffusive and convective phenomena withine the Opalinus Clay (OPA) and to identify the impact of a hydraulic and chemical transient behaviour on the transfers of fluid and solutes, and anomalous pressures generation.A first experimental stage enabled to acquire the advective and diffusive transport parameters, and the associated driving forces, necessary to the evaluation of fluid and solute fluxes between the OPA and its adjacent aquifers. Temperature and pressure measurements revealed a geothermal gradient of 8.5 °C/100 m and an excess of hydraulic head of at least 60 m.The chloride profile inversion by a Bayesian method with a Monte Carlo Markov Chain algorithm validates the paleohydrological evolution proposed in the litterature, considering a pure diffusive transport through the argillaceous formation. The contribution of osmotic transport phenomena was assessed by interpreting the pressure profile, using transient simulations that takes into account the temporal evolution of chlorinity and pressure during the geological scenario, and pseudo steady-state simulations. This profile is reproduced by evaluating the coupled advective flux, including pure advection, chemo-osmosis and thermo-osmosis, with a major contribution of the latter process.