Les développements d'algues benthiques dans les canaux de transport d'eau induisent d'importantes contraintes pour la gestion des canaux de distri bution d'eau. Les nuisances physiques et chimiques associées à ces développements nécessitent des stratégies de gestion alternatives. La thèse étudie des méthodes pour la gestion de ces populations algale basées sur le contrôle hydraulique du système: les chasses hydrauliques. Ces opérations consistent à détacher une partie de la biomasse algale fixée en augmentant les contraintes de cisaillement exercées par le courant sur ces algues fixées au substrat. Leur remise en suspension, entraînant un pic de turbidité, doit également être maîtrisée. L'approche proposée vise à caractériser et modéliser les processus de développement, de détachement et de transport des algues lors de ces chasses hydrauliques. Des suivis expérimentaux de la croissance sont réalisés en mésocosme (à l'échelle de canaux réduits). Les suivis de biomasse permettent de caler un modèle de croissance de la couverture algale intégrant l'effet de l'hydrodynamique et de la s ensibilité des algues aux perturbations hydrodynamiques. Des stratégies de chasses sont ensuite expérimentées sur deux canaux de distribution d'eau en zone méditérannéenne. Un modèle de la dynamique des algues fixées et en dérive en réponse à une chasse hydraulique est ensuite élaboré sur la base de ces expérimentations, et calé sur les nuages de turbidité observés. Finalement, un cadre méthodologique basé sur un modèle linéaire est proposé pour des applications à la gestion en temps réel d'une variable de qualité : la turbidité. Deux approches de contrôle sont présentées : la commande en boucle ouverte et la commande adaptative qui permet de recaler les paramètres inconnus comme la biomasse initiale. / Algae developments in open-channel networks induce strong constraints for the network management. The physical and chemical nuisances linked to these developments require alternative management strategies. The thesis proposes an original method for these algae management based on the hydraulic control of the system using flushing-flows. These flushes consist in detaching a part of the fixed algae by increasing the hydraulic shear stress exerted on the biomass fixed on the substratum. The re-suspension of algae in the water column induces a turbidity peak which also has to be controlled. The proposed approach aims at characterizing and modelling the processes of algae development, detachment and transport during the flushes. Experimental monitoring of the growth phase is conducted in experimental flumes. The biomass samples are used to calibrate a model of algal growth which integrates the hydrodynamic effect and the algae sensitivity in the Med iterranean region. A model of the fixed and drift algae dynamics in response to a flush is then developed and calibrated on the observerd turbidity plumes. Finally, a control framework based on a linear model is proposed for the turbidity control during a flush. An open-loop control is first developed, then an adaptative feedback controller is tested to estimate unknown parameters such as initial biomass.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les peuplements mélangés font l'objet d'un intérêt croissant de la part des gestionnaires forestiers, résultant d'une part de la diversité de leurs fonctions, et d'autre part, de l'idée générale selon laquelle les forêts mélangées seraient plus résistantes et résilientes aux événements extrêmes. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce travail est de caractériser la diversité fonctionnelle de la gestion de l'eau d'un jeune peuplement mélangé, notamment en condition de sécheresse. L'étude s'est orientée sur (i) la description de la réponse des arbres à la sécheresse à l'aide de mesures de flux de sève et potentiels hydriques de base, (ii) la caractérisation de l'absorption de l'eau au travers d'études de morphologie racinaire et d'expérimentations de marquages isotopiques (deutérium et 18O) et (iii) la vulnérabilité à la cavitation des différentes espèces et son contrôle par les stomates. L'étude de la croissance radiale des arbres, de leur phénologie ainsi que celle de l'efficience d'utilisation de l'eau ont également été abordées. L'ensemble de ces mesures a permis, grâce à une analyse en composantes principales, de mettre en évidence un partage spatial (enracinement plus ou moins profond) et temporel (phénologies décalées dans la saison) de la ressource en eau et de définir différentes stratégies d'utilisation de l'eau au sein du peuplement. A l'échelle du peuplement, cette diversité fonctionnelle se traduit par une complémentarité de l'utilisation des ressources hydriques du sol et par des mécanismes de facilitation (« ascenseur hydraulique ») avec un avantage certain pour les peuplements mixtes par rapport aux peuplements monospécifiques. / In regard to the various functions of forests and considering the general idea that mixed stands would be more resistant and resilient to disturbances, those stands are more and more promoted than pure stands. In such a context, characterize co-occurring species behaviour and define the possible interaction between them appeared to be necessary. The main objective of this work was to characterize the functional diversity in water uptake and regulation in a young broad leaved mixed forest, particularly under drought conditions. The study was focused on (i) drought response of the species from sap flow and predawn leaf water potential measurements, (ii) water absorption through two-dimensional root distribution and labeling experiments (using deuterium and 18O) and (iii) vulnerability to cavitation of the different species and its protection through stomatal regulation. Radial growth, phenology and water use efficiency were also taken into account in this analysis. A principal component analysis highlights a spatial and temporal partitioning of water resource and underlines contrasted tree water use strategies among co-occurring species. At stand level, this functional diversity results in complementarity soil water use and facilitation mechanism (hydraulic lift) that benefits to mixed in comparison to pure forest stands.

L'érosion de contact est un type d'érosion interne qui se développe à l'interface entre deux couches de matériaux de granulométries différentes. Les particules d'un sol fin (sable, limon, argile…) sont détachées par l'écoulement et entraînées à travers les pores du sol grossier au contact (gravier…). Bien que l'on suspecte sa présence dans de nombreux ouvrages, ce processus d'érosion a été peu étudié jusqu'à présent. Aussi ce travail de thèse s'est attaché à mieux le comprendre pour parvenir à le modéliser. A l'échelle du pore, l'écoulement à l'interface entre deux milieux poreux a été caractérisé, grâce à un dispositif expérimental développé au Cemagref d'Aix-en-Provence qui combine fluorescence induite par laser, méthode PIV et milieu iso-indice. L'importance de la variabilité des sollicitations hydrauliques a ainsi été soulignée. A l'échelle de l'échantillon, des essais sur sols réels et sols reconstitués ont été menés au LTHE, afin d'identifier les phénomènes en jeu. Ont également été obtenues sur ce dispositif des mesures du taux d'érosion en fonction de l'intensité de l'écoulement, pour différents types de sols fins et de sols grossiers. Une modélisation stochastique de ces essais a ensuite été proposée. Enfin, des essais à grande échelle ont été conduits au laboratoire de la Compagnie Nationale du Rhône pour étudier l'éventuelle influence d'effets d'échelle ainsi que les conséquences de cette érosion de contact sur le comportement global et l'intégrité d'un ouvrage. Il a ainsi été mis en évidence la possibilité qu'une érosion de conduit soit initiée par érosion de contact. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ERINOH (ERosion INterne dans les Ouvrages Hydrauliques), en convention CIFRE avec le Centre d'Ingénierie Hydraulique d'EDF. / Contact erosion is a type of internal erosion which occurs at the interface between two soil layers of different particle sizes. Particles from the fine soil (sand, silt, clay…) are pulled and driven by the flow through the pores of the surrounding coarse soil (gravel ...). Although its presence is suspected in many earthfill embankments, this process has been little studied so far. The aim of this thesis was to better understand and, possibly, to model contact erosion. At pore scale, the flow at the interface between two porous media was characterized thanks to an experimental device, developed in Cemagref, combining Planar Laser Induced Fluorescence, PIV method and Refractive Index Matching. The spatial variability of flow shear stress has been emphasized. At sample scale, several tests on real and reconstituted soils were carried out in LTHE, in order to identify the phenomena involved in contact erosion. Erosion rates as a function of flow magnitude have also been measured for different types of fine and coarse soils. Then, a stochastic model was proposed to account for these experiments. Finally, large scale tests were conducted in the laboratory of Compagnie National du Rhône, to study the influence of scale effects as well as the consequences of contact erosion on global behavior and integrity of the embankment structure. The possibility of piping initiation by contact erosion was underlined. This thesis is part of the project ERINOH project and was funded by EDF-CIH.

La conductivité hydraulique racinaire (Lpr) traduit la capacité de transport d’eau de la racine. Lors de son trajet du sol vers le xylème, l’eau diffuse au sein de l’apoplasme ou au travers des cellules (voie de cellule-à-cellule). Au niveau de l’endoderme, la diffusion apoplasmique de l’eau est bloquée par le cadre de Caspari et des lamelles de subérine. La voie de cellule-à-cellule dépend principalement de l’activité des aquaporines régulées en partie par des interactions protéiques. Ce travail caractérise de nouveaux interactants de l’aquaporine racinaire PIP2;1 : le récepteur kinase RKL1 et 4 protéines de fonction inconnue appartenant à la sous-famille 1 des Casparian Strip membrane domain Protein Like (CASPL1) (CASPL1-B1/B2/D1/D2). RKL1 est exprimée dans l’endoderme, est capable d’interagir physiquement avec PIP2;1 et stimule in vitro le transport d’eau par l’aquaporine. Cependant, l’inactivation de RKL1 n’affecte pas la Lpr sans que cela ne puisse être expliqué par une redondance fonctionnelle avec son plus proche homologue, RLK902. Une étude bibliographique suggère que l’interaction entre RKL1 et PIP2;1 interviendrait dans une voie de signalisation en réponse à une attaque pathogène. Concernant les CASPL, D1 est exprimé dans tous les tissus, alors que B1, B2 et D2 semblent uniquement exprimés dans des territoires subérisés. Ce profil suggère une implication de B1, B2 et D2 dans une régulation des aquaporines et de la subérisation. Au niveau moléculaire, D2, malgré son interaction physique avec PIP2;1, ne module pas le transport d’eau par l’aquaporine. En revanche, B1 interagit préférentiellement avec PIP2;1 sous une forme phosphorylée et stimule le transport d’eau par l’aquaporine. Au niveau de la plante entière, l’inactivation d’un ou deux gènes CASPL n’affecte ni la Lpr., ni la subérisation. Par contre, l’inactivation de PIP2;1 et PIP2;2 révèle un effet inhibiteur de ces aquaporines sur la subérisation. Cette étude a permis de décrire de nouveaux mécanismes originaux de régulation des aquaporines. Elle pose également, la question de l’existence d’une relation entre les transports d’eau par la voie apoplasmique et par les aquaporines. / The root hydraulic conductivity (Lpr) reflects the water transport capacity of the root. During its transfer from the soil to the xylem, water can diffuse in the apoplasm or through the cells (cell-to-cell pathway). At the endodermis, the apoplastic diffusion of water is blocked by the Casparian Strip and suberin lamellae. The cell-to-cell pathway mainly relies on aquaporin activity which can be regulated by protein interactions. This study aims at characterizing new interactants of the root aquaporin PIP2;1: the receptor kinase RKL1 and 4 proteins of unknown function belonging to the Casparian Strip membrane domain Protein Like 1 sub-family (CASPL1-B1/B2/D1/D2). RKL1 is expressed in the endodermis, can physically interact with PIP2;1 and stimulates its water transport function in vitro. However a loss-of-function of RKL1 does not affect the Lpr., independently of a putative functional redundancy with its closest homolog RLK902. Concerning CASPL, D1 is expressed in every tissue of the root whereas B1, B2 and D2 appear to be specifically expressed in suberized tissues. This suggests a putative role of these isoforms in aquaporin regulation and suberisation. At the molecular level, D2 does not modulate PIP2;1 water transport activity despite a physical interaction between the two partners. By contrast, B1 interacts with PIP2;1 preferentially in its phosphorylated form and enhances the water transport activity of the aquaporin. At the plant level, disrupting one or two CASPL genes neither impact the Lpr nor affect the suberisation. However, the loss of function of both PIP2;1 and PIP2;2 reveals a negative effect of these aquaporins on suberisation. In conclusion, this study, uncovered novel regulation mechanisms of aquaporins. It also raises the question of the existence of a putative relationship between water transport by the apoplastic pathway and by aquaporins.

La gestion de l’eau est un aspect central de la pérennité séculaire des oasis sahariennes et de leurs dynamiques économiques. En cette matière, il est important de faire la part entre les systèmes traditionnels et les systèmes « modernes » qui ont très largement bouleversé l’écosystème oasien. L’oasis du Tāfīlālt (Maroc), siège de l’émirat de Sid̲j̲ilmāsa et « port » du commerce caravanier entre le VIIIe et le XVe siècle, constitue un excellent observatoire de l’adaptation humaine en milieu aride. Afin de disposer de toutes les données nécessaires à notre réflexion sur l’hydraulique de Sid̲j̲ilmāsa, nous avons constitué un large corpus documentaire, issu du dépouillement de la littérature scientifique autour de la thématique générale de l’eau, focalisé principalement sur les études archéologiques et les techniques de mobilisation. Après une contextualisation du site archéologique de Sid̲j̲ilmāsa dans son environnement oasien et sa documentation écrite depuis le Moyen Âge, nous dressons un état des vestiges hydrauliques découverts depuis 2012 par la mission franco-marocaine. Observables sur l’ensemble des zones de fouilles, ces structures peuvent être associées au captage, à l’adduction ou au stockage de l’eau, ainsi qu’à l’évacuation des eaux usées. L’analyse et la description technique de celles-ci puis leur insertion dans un contexte stratigraphique général, permet, en mobilisant les données du corpus, de proposer des hypothèses fonctionnelles et une évolution des pratiques hydrauliques dans la Sid̲j̲ilmāsa médiévale. Dans la partie finale de la thèse, nous traitons notamment de la représentation symbolique de l’eau à Sid̲j̲ilmāsa, véhiculée depuis le Moyen Âge, et des changements dans les modes d’approvisionnement des populations locales au cours du temps, en nous basant sur les considérations archéologiques présentées durant tout ce travail de recherche et sur nos observations actuelles, afin de proposer un essai d’hydrohistoire du Tāfīlālt. / Water management is a central aspect of the secular sustainability of Saharan oases and their economic dynamics. In this matter, it is important to distinguish between traditional systems and "modern" systems that have widely changed the oasian ecosystem. The oasis of Tāfīlālt (Morocco), seat of the emirate of Sid̲j̲ilmāsa and "port" of the caravan trade between the eighth and fifteenth century, is an excellent observatory of human adaptation in an arid environment. In order to have all the necessary data for our reflection on the hydraulics of Sid̲j̲ilmāsa, we have constituted a large corpus of documents, resulting from the analysis of the scientific literature around the general theme of water, focused mainly on archaeological studies and mobilization techniques. Following a contextualization of the archaeological site of Sid̲j̲ilmāsa in its oasis environment and its written documentation since the Middle Age, we establish a report of the hydraulic remains discovered since 2012 by the french-moroccan mission. Observable over all the excavation areas, these structures can be associated with the capture, supply or storage of water, as well as the disposal of wastewater. The analysis and the technical description of these remains then their insertion in a general stratigraphic context, allow us, by also mobilizing the data of the corpus, to propose functional hypotheses and an evolution of hydraulic practices in medieval Sid̲j̲ilmāsa. In the final part of the thesis, we deal in particular with the symbolic representation of water in Sid̲j̲ilmāsa conveyed since the Middle Age and changes in the way of supply of local populations over time, based on the archaeological considerations presented during all this research work and on our current observations, in order to provide an essay of hydrohistory in Tāfīlālt.

Mon activité de recherche, appuyée par l'encadrement d'étudiants, s'est développée autour d'une thématique centrale, l'analyse architecturale de l'arbre fruitier. Mes travaux, sur pommier essentiellement, ont tout d'abord montré l'intérêt de l'architecture comme outil de caractérisation de la variabilité génétique existante (cultivars). J'ai mis en évidence que les différences variétales de comportement architectural et fruitier pouvaient être bien expliquées par deux caractères discriminants non analysés jusque-là : la mortalité physiologique des rameaux, appelé phénomène d' « extinction », et l'aptitude au retour à fruit d'une année à la suivante sur le même rameau. Une relation positive a été mise en évidence entre ces deux phénomènes : les cultivars à forte extinction ont en général une forte aptitude au retour à fruit. Par ailleurs il a été montré que la longueur d'un rameau conditionne la probabilité de floraison terminale et, en cas de floraison, la taille de l'inflorescence et son aptitude à la nouaison. La succession temporelle des évènements joignant la formation d'un méristème à son fonctionnement pluri-annuel apparaît donc comme un système hautement intégré et à déterminisme précoce. Nos résultats suggèrent une régulation fonctionnelle et dynamique entre le nombre de bourgeons en croissance dans une architecture et leurs potentiels organogénétiques individuels. Ils nous ont conduit à formuler des hypothèses sur les effets de manipulations expérimentales (ex. taille, arcure) sur l'architecture de l'arbre entier (ex. durée et rythmicité de croissance, probabilité de floraison) et à les tester in horto. Ces travaux constituent la base de collaborations scientifiques pluridisciplinaires sur deux axes principaux. Le premier est l'analyse de l'impact de manipulations sur le climat lumineux intra-arbre et la contribution des différents types de rameaux à l'interception de la lumière. Le second est l'étude des relations entre architecture et ravageurs-maladies. Il permet de hiérarchiser les facteurs, directement ou indirectement liés à l'architecture, explicatifs du développement des bioagresseurs. Ces deux axes de recherche sont le moteur de mon implication dans différents programmes nationaux et internationaux, ainsi que dans des réseaux informels en France et à l'étranger. Mes travaux s'étendent à d'autres espèces, comme le manguier en collaboration avec le CIRAD où le couplage architecture(spatial)/phénologie(temporel) est approfondi. Mon programme scientifique actuel se recentre sur ce qui est à la base de l'édification architecturale de l'arbre, la croissance du rameau et la distribution et la nature de sa ramification axillaire. Il s'appuie sur des collaborations pluridisciplinaires. Dans une première phase la recherche porte sur des rameaux arqués. L'objectif est de mieux appréhender les mécanismes déterminant certains aspects de la ramification à l'interface entre biomécanique (ex. : contraintes liées à l'arcure) et hydraulique (ex. : lien entre conductance hydraulique des tissus xylémiens reliés au bourgeon et organogenèse). Des résultats récents permettent de formuler des hypothèses sur les rôles respectifs des effets mécaniques et environnementaux sur le patron de ramification observé.

Il s'agit de concevoir et de réaliser une chaîne d'outils pour évaluer des projets de réaménagement de gravières en eau en milieu alluvionnaire qui soit en accord avec les dispositifs prévus par le législateur. Ce dernier est particulièrement sensible aux impacts de la future gravière sur les écoulements d'eau souterrains et superficiels ainsi que sur la modification des paysages. Une réhabilitation réussie des sites après exploitation repose aujourd'hui sur les principes, désormais bien connus, de réaménagement intégré des gravières. Les modèles hydrauliques et hydrodynamiques, couplés à une base de données géographiques de type S.I.G., simulent la réponse de l'aquifère à l'aménagement, mettant ainsi en évidence les paramètres clés à prendre en compte. Les paramètres paysagers, issus de l'écologie du paysage, sont déterminés en utilisant les propriétés topologiques et géométriques des objets. La valeur générale d'une telle composition d'outils nécessite de recourir à une analyse multicritère pour décomposer le système complexe étudié. Il s'agit d'organiser et de hiérarchiser ces critères en tenant compte de leurs relations essentielles. La contribution de chaque critère y est appréciée au moyen d'une pondération effectuée, eu égard à l'impossibilité d'en acquérir une mesure « mathématiquement » précise, au moyen d'une démarche d'expertise contrôlée par une évaluation de la cohérence. Ainsi constituée, cette arborescence sert de support pour évaluer l'adéquation entre la vocation future du plan d'eau telle qu'elle est envisagée par l'aménageur et les potentialités « écologiques » réelles du milieu. Le site d'application se localise en bordure du fleuve Loire, au coeur de la plaine du Forez ( 42-France). Sur ce territoire, deux gestionnaires principaux sont impliqués : d'une part un exploitant de granulats qui a délaissé le lit mineur du fleuve pour le lit majeur, et, d'autre part une association de protection de la nature qui a réhabilité les plans d'eau laissés après exploitation, en s'appuyant sur le savoir-faire de l'exploitant.

Modélisation des écoulements et du transport dans les milieux fortement hétérogènes et fracturés

Les dommages dus aux inondations sont en constante augmentation malgré la réglementation de l'urbanisation. La politique traditionnelle de lutte contre les crues ne donne pas satisfaction, tant du point de vue de la sécurité que des impacts sur les milieux naturels. La gestion du risque d'inondation doit s'inscrire à l'échelle du bassin versant et respecter le fonctionnement naturel des rivières. Il est nécessaire de développer des outils techniques nouveaux pour l'aide à la décision. Nous proposons une méthodologie de modélisation opérationnelle pour la gestion intégrée du risque d'inondation dans le contexte des rivières de moyenne montagne. La recherche de solutions techniques adaptées à chaque rivière peut s'appuyer sur un diagnostic complet du risque et l'exploration de scénarios de prospective. Pour permettre une approche à grande échelle, nous proposons une méthode de production et de sélection d'événements de référence conservant la même fréquence en tout point du bassin versant. Ces événements sont utilisés en simulation pour produire une cartographie précise de l'aléa en intensité et en fréquence. Le diagnostic du risque d'inondation permet d'identifier les enjeux à protéger et les hydrosystèmes à réhabiliter. Pour répondre à ces attentes, nous avons testé en prospective une renaturation de la rivière. L'application à la vallée de la Thur (68) et la simulation à l'aide d'une rivière virtuelle montrent que ce type de projet ne permet pas de réduire sensiblement l'aléa pour les rivières à pente forte. La pertinence des événements de référence choisis fait l'objet d'une discussion. Nous avons par ailleurs montré que les endiguements ne constituent pas une protection durable contre les crues. L'étude de scénarios de changement climatique annonce une aggravation des crues à moyen terme. Ainsi, nous intégrons dans la méthodologie l'étude de stratégies de résilience, encore peu explorées en France. La société doit réapprendre à vivre avec les crues pour concilier développement économique et équilibre des milieux naturels.