Face au changement climatique global, il est de plus en plus important de prêter attention à la performance thermique-hydro-mécanique des constructions géotechniques sous l'effet des conditions atmosphériques. L'objectif principal de cette étude est d'étudier le comportement hydro-thermique des sols soumis au effets du changement climatique par la modélisation numérique.Un modèle hydro-thermique couplé est tout d'abord développé pour décrire le comportement du sol hydro-thermique. La théorie utilisée pour décrire l'interaction sol-atmosphère est présentée sous forme des bilans de masse et d'énergie. Ensuite, une approche numérique pour analyser le comportement hydro-thermique du sol est proposée en combinant le modèle hydro-thermique couplé avec un modèle d'interaction sol-atmosphère. La validation de cette approche est réalisée par la comparaison entre les résultats numériques obtenus en utilisant le code FreeFem++ et les données des essais de la colonne de séchage qui sont trouvées dans la littérature. Cette approche est d'abord utilisée pour la modélisation numérique des essais à la chambre environnementale, réalisés par Song en 2014. Des résultats de simulation satisfaisants sont obtenus en termes de variations de la température et de la teneur en eau volumétrique du sol. Ensuite, cette approche est appliquée à deux remblais, à Héricourt et à Rouen. Pour le remblai d’Héricourt, une étude numérique a été menée pour une durée de 20 jours. La bonne concordance obtenue entre les résultats de simulation et les mesures montre que l'approche proposée est pertinente pour l'analyse du comportement hydro-thermique du sol dans le cas de remblais bidimensionnels. Elle prouve également que les conditions aux limites et les paramètres du sol adoptés sont appropriés. Dans le cas du remblai de Rouen, deux périodes différentes, 187 jours et 387 jours, sont prises en considération. On vérifie également la bonne performance de l'approche proposée pour estimer le comportement hydro-thermique du remblai sous l'effet du climat. La comparaison entre les calculs et les mesures révèle également l'importance d'adopter correctement les conditions aux limites thermiques et hydrauliques ainsi que les paramètres du sol. De plus, à partir des simulations numériques, plusieurs suggestions sont faites pour collecter des données d'entrée dans l'application de cette approche pour prédire les variations de la température et de la teneur en eau du sol à plus long terme / Facing the global climate change, it is more and more important to pay attention to the thermal-hydro-mechanical performance of geotechnical constructions under the effect of atmospheric conditions. The main objective of this study is to investigate the hydro-thermal behavior of soil subjected to climate change through numerical modelling.A coupled hydro-thermal model is developed for describing the coupled hydro-thermal soil behavior. The soil-atmosphere interaction is studied through the mass and energy balances. Afterwards, a numerical approach to estimate soil hydro-thermal behavior by integrating the coupled hydro-thermal model with a soil-atmosphere interaction model is proposed. The validation of this approach is performed through the comparison between the numerical results using FreeFem++ code and the experimental data available from column drying tests reported in literature. This approach is firstly used for the numerical modelling of the environmental chamber tests carried out by Song in 2014. Satisfactory simulation results are obtained in terms of variations of soil temperature and soil volumetric water content. Afterwards, this approach is further applied to two cases of embankments, in Héricourt and in Rouen respectively. For Héricourt embankment, a numerical investigation was conducted for 20 days, and a good agreement between simulation results and filed measurements is obtained, showing that the proposed approach is suitable for analyzing the soil hydro-thermal behavior in the case of two-dimensional embankments. It proves also that the boundary conditions and the soil parameters adopted are appropriate. In the case of Rouen embankment, two different periods, 187 days and 387 days, are considered. The good performance of the proposed approach in estimating the embankment hydro-thermal behavior under the climate effect is also verified. The comparison between calculations and measurements also reveals the importance of appropriately adopting the thermal and hydraulic boundary conditions as well as the soil parameters. Based on the numerical simulations, several suggestions are made in terms of collection of input data for the application of this approach to predict soil temperature and volumetric water content variations in longer term

Le cadre général de la thèse concerne la valorisation sous forme de production d'énergie électrique de la chaleur présente à quelques kilomètres de profondeur (3 à 5 km), en général dans des milieux peu perméables et fracturés. Notre objectif principal est d'étudier le phénomène des microséismes induits relativement au refroidissement, en nous basant sur une expérience de terrain de longue durée, menée sur le site de Rosemanowes (Cornwall, UK). Pour cela nous avons procédé à la mise en place d'un outil de calcul, FRACAS, capable de simuler ce phénomène en introduisant une approche à double milieu thermique pour mieux simuler le refroidissement du réservoir dû à l'injection de fluide à long terme, responsable des nouveaux mécanismes de ruptures dus à la traction de la roche. Dans ce contexte nous avons introduit un nouvel algorithme pour prendre en compte les manifestations d'instabilités, un mécanisme de « stick-slip » avec prise en compte d'une friction statique et d'une friction dynamique. La possibilité d'induire des microséismes est ensuite étudiée à partir des données issues d'un site particulier, avec deux modèles 3D proposant des approches géométriques différentes, un modèle déterministe et un modèle stochastique, dont les propriétés géométriques et physiques ont été tirées des observations et travaux antérieurs effectués sur ce site de Rosemanowes. La simulation thermo-hydro-mécanique (THM) du modèle déterministe nous a permis de modéliser les échanges thermiques en régime transitoire dans le réservoir formé par le système de forages RH12/RH15 et d'estimer un ordre de grandeur des tractions d'origine thermique. Pour mieux étudier l'effet induit par la contraction des blocs de roche dans le temps nous utilisons le modèle 3D stochastique dont l'objectif principal est de simuler de façon plus réaliste la progression dans l'espace les ruptures en cisaillement. Avec ce modèle nous avons constaté l'apparition différée d'une activité et l'effet d'un cycle de pulses de pression, ce qui suggère un moyen d'atténuer les fortes magnitudes potentielles des ruptures en cisaillement dues au refroidissement. / The general framework of our research deals with the development of geothermal energy for electricity production using the heat stored in geological formations at depths ranging in 3 to 5 km, Generally the environment is poorly permeable and fractured. Our main objective is to study the phenomenon of induced micro-earthquakes in relation to the cooling of the rock. The work is based on field experiences including long duration tests, conducted on the Rosemanowes site (Cornwall, UK). For this, we proceeded to the development of a calculation tool, FRACAS, able to simulate this phenomenon by introducing a dual thermal approach to better simulate the cooling of the reservoir due to long term fluid injections, which might be responsible for new failure mechanisms due to the induced tractions. In this context, we introduced a new algorithm to describe shear in stabilities, a mechanism of "stick-slip" type with the consideration of static/dynamic friction coefficients. The possibility of inducing micro-seismicity is then studied using the in situ data base, with two 3D models offering different geometric approaches, a deterministic model and a stochastic model whose geometrical and physical properties were obtained from observations and previous work on this Rosemanowes site. The Thermo-Hydro-Mechanical (THM) simulation using the deterministic model has allowed us to calibrate the transient heat transfer in the reservoir formed by the drilling system RH12/RH15 and to give an estimate of tensile stress of thermal origin. To better study the effect induced by the contraction of the rock during time, we use the stochastic 3D model whose main objective is to simulate a more realistic spatial migration of shear ruptures. With this model we found a delayed onset of shear activity and discuss the effect of pressure step tests. The results suggest a way to mitigate the potential impact of shear ruptures due to cooling.

Le présent travail essaye de démontrer que le littoral, à l’échelle du temps, est un domaine d’appropriation multiple par les sociétés. Il l’établit en trois étapes : définition de l’entité « littoral », prise en considération de l’eau dans l’aménagement et empreinte humaine néfaste. Il considère le littoral tel un organisme riche en vie et une interface entre les mondes terrestre et maritime. Il utilise les approches multiscalaire et géométrique pour appréhender l’hétérogénéité morphologique, la diversité biologique et la dimension spatiale. Il quantifie et qualifie, afin de caractériser les phénomènes naturels et les événements induits et afin d’énoncer une dominante révélatrice, l’eau, qui est à prendre en considération dans un aménagement respectueux de l’environnement littoral. Il analyse et synthétise les données des quatre terrains sélectionnés, fait émerger les spécificités et les problèmes environnementaux et recherche un état d’équilibre par une mise en valeur de la dynamique endogène. Il expose la relation diachronique de l’homme avec ces milieux et la prise de conscience a posteriori de la communauté scientifique sur le devenir des territoires littoraux, face aux nouvelles conditions climatiques. L’objectif de cette thèse est de mettre en évidence l’utilisation optimale de la ressource « littoral » et de révéler ses potentialités plurielles en vue d’un développement durable, où l’aménagement est la clé de voûte d’un nouveau modèle d’organisation bio–spatio–temporelle (BST). Cette approche holistique introduit la politique adaptative et la conscience collective, en vue d’un aménagement évolutif et d’une moralisation des usages du littoral et du 6ème continent. / This work tries to demonstrate, on the time scale, that the littoral is a domain of multiple appropriations by the human societies. It is made up of three stages: the definition of the « coast » entity, the water consideration in the management and the negative human influences. It considers the coast as a lifelike organism and an interface between land and sea worlds. It uses the multistage and geometrical approach to apprehend the morphological heterogeneity, the biological diversity and the spatial dimension. It quantifies and qualifies to characterize the natural phenomenon and the induced events by human beings and to announce the importance of the water, which has to be considered into a respectful management of the coastal environment. It analyzes and synthesizes the data from four selected sites, it brings out the specificities and the environmental problems and looking for a steady state by an enhancement of endogenous dynamics. It describes the diachronic relationship of man with this environment of transition and the awareness subsequent of the scientific community on the future of the coastal areas, face to new climatic conditions. The aim of this thesis is to prove the optimized use of « coast » resource and to valorize its plural potentialities for a sustainable development, where the management is the keystone of a new model, the bio-spatial-temporal (BST) organization. This holistic approach introduces the adaptive politics and the collective consciousness, for an evolutionary management and for a moralization of coast and of 6th continent use.

Le stockage géologique du CO2 dans des réservoirs aquifères de type calcaire et grès, du charbon non exploité est une des solutions envisagées pour réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Cependant, l’injection de CO2 peut perturber les propriétés pétrophysiques (porosité et perméabilité), minéralogiques (transformations) et mécaniques (déformations, résistance à la rupture) des roches réservoir (calcaire, grès, charbon). Dans le cas du charbon, l’injection de CO2 peut également se traduire par des phénomènes de gonflement de la matrice liés au processus d’adsorption. L’objectif de ce travail de thèse est de traduire en termes de modèles phénoménologiques les comportements et les couplages chimio-poromécaniques des roches réservoir de type charbon. Dans ce travail, nous nous sommes focalisés en particulier sur l’étude de l’injection de CO2 dans le charbon. Pour cela, deux modèles homogénéisés de porosité du charbon ont été développés avec la prise en compte du phénomène d’adsorption, connu pour être le principal mécanisme de production ou de séquestration de CO2 dans de nombreux réservoir de charbon. Le premier modèle permet d’étudier le comportement poro-élastique du charbon pour une injection simple de CO2 et le second permet d’étudier le comportement poro-élastique du charbon pour une injection de CO2 avec une récupération assistée de méthane CH4. Le processus d’adsorption est classiquement modélisé à l’aide de l’isotherme d’adsorption de Langmuir (pour un gaz dans le premier modèle et pour deux gaz dans le second modèle). L’implantation de ces modèles dans le Code_Aster (code d’analyse de calcul de structures entièrement couplé THM, développé par Electricité De France - EDF) nous a permis de faire des simulations numériques de stockage de CO2 dans le charbon. Pour une injection simple du CO2 dans le charbon (premier modèle), la matrice du charbon s’est comportée de deux façons différentes : elle gonfle (ce qui induit une diminution de la porosité du charbon) avec la prise en compte du phénomène d’adsorption et se contracte (ce qui induit une augmentation de la porosité du charbon) dans le cas contraire. Etant en bon accord avec les résultats de la littérature spécialisée, cela montre la capacité du modèle à prédire le comportement poro-élastique du charbon durant l’injection de CO2. Toujours avec le premier modèle, nous avons en particulier étudié l’influence des propriétés hydro-mécaniques du charbon (coefficient de Biot, module de Young/module d’incompressibilité), les paramètres d’adsorption de Langmuir et la pression initiale du liquide interstitiel dans le charbon, sur la réponse du charbon à l’injection du CO2. Dans le cas d’une récupération assistée du méthane CH4 (le second modèle), un couplage du Code_Aster et un code de transport réactif HYTEC (HYdrological Transport coupled with Equilibrium Chemistry, développé par MINES Paris Tech) était nécessaire pour gérer surtout le calcul des pressions partielles des deux gaz (CO2 et CH4) à chaque pas de temps. Un travail de développement numérique sur les deux codes de calcul était alors nécessaire. Ce travail de thèse a proposé une méthode de couplage entre les deux codes (Code_Aster et HYTEC) dont les techniques sont largement décrites dans le manuscrit. / The geological storage of CO2 in aquifers reservoirs such as limestone and sandstone, coal is a possible way to reduce greenhouse gas emission into the atmosphere. However, the injection of CO2 may modify petrophysical (porosity and permeability), mineralogical (transformations) and mechanical (deformations, strength) properties of reservoir rocks (limestone, sandstone, coal). In the case of coal, the injection of CO2 can also induce matrix swelling due to adsorption processes. The focus of this thesis is to translate in terms of phenomenological models, the behaviors and chemo-poromechanical coupling of reservoir rocks of coal type. In this work, we focused particularly on the study of CO2 injection into coal. For this, two models of homogenized coal porosity have been developed by taking into account the adsorption phenomenon, known to be the main mechanism of production or sequestration of CO2 in many coal reservoirs. The first model allows the study of the poroelastic behavior of coal in the case of a single injection of CO2, and the second model allows the study of the poroelastic behavior of coal in the case of an injection of CO2 with methane CH4 recovery. The adsorption process is classically modelled using Langmuir’s isotherm (for one gas in the first model and for two gases in the second model). The implementation of these models in Code_Aster (a fully coupled Thermo-Hydro-Mechanical analysis code for structures calculations, developed by Electricity of France - EDF) allowed us to make numerical simulations of CO2 storage in coal. For a single injection of CO2 into coal (first model), the coal matrix behaved in two different ways: it swells (resulting in the decrease of coal porosity) when the adsorption phenomenon is taken into account and shrinks (resulting in the increase of coal porosity) otherwise. Being in good agreement with the results in specialized literature in this field, it shows the ability of the model to predict the poroelastic behaviour of coal to CO2 injection. Also with the first model, we studied particularly through numerical simulations the influence of coal’s hydro-mechanical properties (Biot’s coefficient, bulk modulus), Langmuir’s adsorption parameters and the initial liquid pressure in rock mass during CO2 injection in coal. In the case of methane recovery (second model), a coupling of Code_Aster and a reactive transport code, HYTEC (Hydrological Transport coupled with Equilibrium Chemistry, developed by Mines Paris Tech) was needed to handle the above calculation of partial pressures of the two gases (CO2 and CH4) at each time step. Digital development work on the two computers codes (Code_Aster and HYTEC) was then necessary. This thesis proposed a method of coupling between the two codes whose techniques are widely described in the manuscript.

Les prés-salés sont des interfaces complexes entre le milieu continental et maritime d'une grande importance environnementale. En contexte de changement climatique, ces zones vulnérables font maintenant l'objet d'une attention particulière. Cette étude porte sur la mesure et la compréhension de la dynamique des prés-salés soumis à un régime méga-tidal (marnage supérieur à 10 m), à travers l'étude de deux estuaires des côtes du Nord-Ouest de la France : l'estuaire du Couesnon en baie du Mont-Saint-Michel (MSM) et l'estuaire de la Somme. L'originalité de l'approche est de considérer une très large gamme d'échelles temporelles, depuis l'échelle séculaire jusqu'à l'événement de marée. A l'échelle séculaire, la mesure de l'évolution de la surface des prés salés en Baie de Somme, à partir de documents historiques et de photos aériennes, montre une évolution étonnamment similaire à celle de l'estuaire du Couesnon depuis la canalisation de la partie terminale de ces rivières au milieu du XIXème siècle. Après une phase de développement rapide des prés salés, une réduction concomitante des taux de croissance est observée dans les deux estuaires au début du XXème siècle. Nous proposons que l'augmentation du niveau marin à cette période soit responsable de cette réduction de croissance des prés-salés. L'analyse pluriannuelle des surfaces en baie de Somme met en évidence des périodes d'érosion des prés-salés résultant de la migration des chenaux tidaux à la frontière des prés-salés. Une étude sur 3 ans en baie du MSM a permis de caractériser le fonctionnement d'un chenal tidal sinueux en frontière des prés salés, grâce à des mesures topographiques inédites réalisées avec un Lidar terrestre haute résolution, combinées à des mesures hydro-sédimentaires. Des relevés journaliers durant les marées d'équinoxe de Septembre et de Mars ont mis en évidence une relation très non-linéaire entre érosion des berges et hauteur de marée. Cette relation est régie principalement par une forte augmentation des vitesses du courant lors du jusant. L'étude des taux d'accrétion dans la partie interne du méandre tidal a révélé l'importance de la présence de la végétation pionnière. Des lois empiriques de sédimentation et d'érosion en fonction de la hauteur de marée sont proposées. Il est montré que 6 % des marées les plus hautes de l'année sont responsables de 90 % de l'érosion des prés-salés par migration du chenal, alors que la sédimentation est dominée par les marées les plus fréquentes. Ces travaux mettent en évidence le rôle fondamental de la divagation des chenaux en marge des prés salés méga-tidaux. Leur dynamique est contrôlée principalement par les marées les plus importantes, dont la fréquence est régit par des cycles nodaux de 4,4 à 18,6 ans. Les données topographiques et hydro-sédimentaires inédites acquises durant ce travail de thèse fournissent des contraintes fortes pour le développement de modèle d'évolution des prés salés. / Salt marshes are complex interfaces between land and sea of high environmental values. Theses vulnerable landforms are now subjected to particular attention since they are very sensitive to sea level changes and storm events. This study focuses on salt marsh dynamic subjected to a mega-tidal range (higher than 10 m) that received less attention, through the study of two estuaries of the north-western coast of France: The Couesnon estuary in the Bay of Mont -Saint-Michel and the Somme estuary. The originality of this study is to consider a wide range of time scales, from the secular one to tide events. At secular time scale, we measure the evolution of salt marsh surfaces in the Somme bay, from historical documents and aerial photographs. The comparison with the Couesnon estuary reveals a surprisingly similar evolution of salt marsh extension, since the derivation and embankment of their main river in early mid XIXth century. After a period of rapid salt marsh extension, a concomitant reduction of growth rates is observed in both estuaries in the early XXth century. We propose that the increase in sea level rise during this period is responsible for the reduced growth of salt marshes. The pluriannual analysis highlights periods of erosion of salt marshes resulting from the tidal channels migration on salt marsh fringe. However, the pluriannual time scale does not capture the processes governing the dynamics of channel migration. This has motivated a 3 years study of a sinuous tidal channel located on the fringe of the marsh with the aim to understand its dynamics at daily to annual scales. We have acquired 36 high resolution topographic surveys with Terrestrial Laser Scanner. We used daily surveys during spring tides of various High Water Level (HWL) to analyze channel dynamics at tidal event timescales. Daily TLS measurements revealed a non-linear relationship between bank erosion and tidal height. This relationship is related to a sharp increase in flow velocities during the ebb (up to 2.2 m/s) for overmarsh tides. Spatially averaged accretion on the inner bend tends to increase linearly with HWL and is increased by a factor 2 during summer/autumn spring tides at the peak of pioneer vegetation development. We propose empirical laws of sedimentation and erosion depending on the tide height, which model that 6% of the highest tides of the year are responsible for 90 % of salt marsh erosion by channel migration, while sedimentation is dominated by frequent tides. These results highlight the need to incorporate the influence of vegetation on sedimentation rates as well as tidal migration processes in models of salt marsh dynamic in mega-tidal environment. Long term modeling should account for the highest tides of the year, that make tidal channel very sensitive to the nodal cycle (18.6 years) which controls the occurrence of the highest tides in mega-tidal environment.

Durant les différentes phases du stockage profond des déchets radio-actifs exothermiques (excavation, exploitation) jusqu'à la fermeture définitive, la roche hôte sera soumise à des sollicitations mécaniques, hydriques et thermiques couplées. Afin de connaître et de modéliser le comportement à court et long terme des dispositifs de stockage, une investigation approfondie du comportement de la roche est nécessaire afin de compléter les données existantes. C'est dans ce but que cette étude du comportement thermo-hydro-mécanique de la formation argileuse du Callovo-Oxfordien (COx) considérée par l'ANDRA comme roche hôte potentielle, a été développée. Dans un premier temps le comportement en compression–gonflement de l'argilite du COx a été étudié par la réalisation d'un programme d'essais oedométriques haute pression. Les résultats, interprétés en termes de couplage endommagement-gonflement, ont montré que l'ampleur du gonflement était lié à la densité de fissuration engendrée lors de la compression. Dans un second temps, le comportement hydromécanique et thermo-hydro-mécanique de l'argilite saturée sous une contrainte moyenne proche de l'in-situ a été étudié à l'aide de cellules à faible chemin de drainage (10 mm), dont une cellule isotrope et une cellule triaxiale à cylindre creux avec mesures locales d'un type nouveau. Ces appareils ont permis de résoudre deux problèmes difficiles typiques des argilites de très faible perméabilité : i) une saturation préalable correcte, attestée par de bonnes valeurs du coefficient de Skempton et ii) de bonnes conditions de drainage. Les paramètres caractéristiques du comportement de l'argilite à température ambiante (coefficients de Skempton et de Biot, compressibilité drainée et non-drainée) ont été déterminés à partir d'essais de compression isotrope qui ont également confirmé l'isotropie transverse du matériau. La cohérence des paramètres obtenus a été vérifiée dans un cadre poro-élastique saturé. Deux aspects du comportement thermo-hydro-mécanique de l'argilite du COx ont été étudiés à l'aide d'essais de chauffage et de compression volumique en température (80°C) : les effets de la température sur le comportement intrinsèque de l'argilite et le phénomène de pressurisation thermique. Un essai de chauffage drainé sous contrainte in-situ a mis en évidence, apparemment pour la première fois, un comportement plastique contractant de l'argilite (comme les argiles normalement consolidées), non pris en compte dans les modélisations thermo-élastiques actuelles des systèmes de stockage profond. Un autre élément nouveau et important observé est l'augmentation de la compressibilité avec la température, à la différence des argiles. L'étude de la pressurisation thermique (engendrée par la faible perméabilité de l'argilite et la forte différence entre les coefficients de dilatation thermique de l'eau et de la phase solide), a été réalisée à l'aide d'essais de chauffage non drainés, suite à une analyse détaillée des effets perturbateurs du système de mesure lors de variations de pression et de température (peut-être à considérer également dans les mesures in-situ). Le coefficient de pressurisation thermique s'est révélé être très sensible aux variations de température et de contrainte, il diminue de 0,14 à 0,1 MPa/°C entre 25 et 80°C. La nature des différentes réponses hydro-mécaniques et thermo-hydro-mécaniques obtenues au cours de ce travail permettront une interprétation et une modélisation plus précises du comportement du massif d'argilite autour des galeries, dans des zones qui sont pour la plupart saturées, sauf à proximité immédiate des galeries (quelques décimètres) / During the different phases of the exothermic radioactive waste deep disposal (excavation, operation) and after permanent closure, the host rock is submitted to various coupled mechanical, hydraulic and thermal phenomena. Hence, a thorough investigation of the thermo-hydro-mechanical behaviour of the rock is necessary to complete existing data and to better understand and model the short and long term behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) clay formation in Bure (Meuse/Haute-Marne - M/HM), considered by ANDRA as a potential host rock in France.In this work, the compression – swelling behaviour of the COx claystone was first investigated by carrying out a series of high-pressure oedometric tests. The results, interpreted in terms of coupling between damage and swelling, showed that the magnitude of swelling was linked to the density of the fissures created during compression. In a second step, the hydromechanical and thermo-hydro-mechanical behaviour of the saturated claystone under a mean stress close to the in situ one were investigated by using two devices with short drainage path (10 mm), namely a isotropic cell and a newly designed hollow cylinder triaxial cell with local displacement measurements. These devices helped to solve two majors problems related to testing very low permeability materials : i) a satisfactory previous sample saturation (indicated by good Skempton values) and ii) satisfactory drainage conditions. Some typical constitutive parameters (Skempton and Biot's coefficients, drained and undrained compressibility coefficients) have been determined at ambient temperature through isotropic compression tests that also confirmed the transverse isotropy of the claystone. The consistency of the obtained parameters has been checked in a saturated poroelastic framework. Two aspects of the thermo-hydro-mechanical behaviour of the COx claystone have then been investigated through different heating tests and through drained and undrained isotropic compression tests at elevated temperature (80°C) : the effects of temperature on the behaviour of claystone and thermal pressurization. A drained heating test under in-situ stress conditions evidenced, probably for first time, a plastic contractant response of the claystone (like normally consolidated clays), a feature not considered in the presently conducted numerical modelling of deep disposal systems. Another new important observed feature is the increase in drained compressibility of the COx claystone with temperature, not observed in clays. The investigation of thermal pressurization (caused by the low claystone permeability and by the significant difference in thermal expansion between water and the solid phase) has been carried out by means of undrained heating tests, after a detailed analysis of the major effects of the measurement system (which should perhaps be also analyzed when performing in-situ measurements). The thermal pressurization coefficient appeared to be quite sensitive to changes in temperature and stress, it decreased between 0.14 and 0.1 MPa/°C between 25 and 80°C. It is believed that the different thermo-hydro-mechanical volumetric responses obtained here allow a better interpretation and modelling of the behaviour of the claystone formation around the galleries in areas that are mostly saturated, except close to the galleries (a few decimetres)

L'étude du comportement du béton en température est un problème majeur qui vise in fine à évaluer le niveau de sécurité des structures sous des sollicitations thermiques sévères, lors d'incendies par exemple. Pour cela, de nombreux modèles sont développés dans un cadre de couplage thermo-hydro-mécanique (THM), pour prendre en compte les différents processus physico-chimiques et mécaniques mobilisés par ces sollicitations et conditionnant la stabilité du matériau béton.Cependant, ces modélisations ne prennent souvent pas en compte explicitement la nature hétérogène du matériau. En effet, le béton est un matériau constitué d'inclusions noyées dans une matrice cimentaire pouvant être schématisée comme un milieu poreux ouvert partiellement saturé en eau. Les inclusions sont caractérisées par leurs natures minéralogiques, leurs morphologies et leurs tailles classées en fuseaux granulaires. Cette hétérogénéité introduit une complexité supplémentaire : la nécessité de prendre en compte la microstructure pour quantifier l'effet de l'incompatibilité (thermique, hydrique et mécanique) inclusion-matrice sur le comportement THM du béton. Ce travail constitue une première avancée dans ce sens. A ce titre, une modélisation élément fini multi-échelle tridimensionnelle (3D) est développée permettant d'affecter des comportements spécifiques à la matrice et aux inclusions. Pour la matrice, siège des transports de masse dans son réseau poreux connecté, une approche thermo-hydrique à trois fluides (eau, vapeur et air sec) est adoptée et est couplée à une loi de comportement poro-mécanique endommageable. Les inclusions (granulats) sont considérées hydriquement inertes, une approche thermo-mécanique avec endommagement est alors retenue.Une analyse, par simulations numériques, des effets de la nature minéralogique des granulats (calcaires ou silico-calcaires) de leurs distributions et de leurs morphologies a été menée sur des configurations 2D et 3D. Les effets étudiés ont notamment concerné l'influence de ces paramètres sur les fluctuations locales des champs de température, de pression de gaz et d'endommagement au regard de la dispersion des mesures expérimentales. L'analyse est limitée à l'échelle mésoscopique, celle où les granulats de taille caractéristique supérieure à 5 mm sont considérés, le reste (stable et pâte de ciment) étant une matrice homogène. Enfin, cette analyse a mis en évidence le besoin de mettre en œuvre une approche expérimentale cohérente avec une analyse mutli-échelle, à la fois pour la caractérisation des propriétés (thermiques, hydriques et mécaniques) de chaque constituant et pour l'étude des évolutions des champs lors des changements d'échelles. Un protocole expérimental a été définit et des premiers résultats d'essais sont présentés et analysés au travers de résultats obtenus dans la partie modélisation / The investigation of the behavior of heated concrete is a major research topic which concerns the assessment of safety level of structures when exposed to high temperatures, for instance during a fire. For this purpose, several modeling approaches were developed within thermo-hydro-mechanical (THM) frameworks in order to take into account the involved physic-chemical and mechanical processes that affect stability of heated concrete. However, existing models often do note account explicitly for the heterogeneity of the material : concrete is composite material that may be schematized as an assembly of inclusions (aggregates) embedded in a cementitious matrix (cement paste). This latter may be described as a partially saturated open porous medium. The aggregates are characterized by their mineralogical nature together with their morphology and size distribution. The material heterogeneity bring an additional complexity : the need to take into account the microstructure in order to quantify the effect of matrix-inclusion thermal, hygral and mechanical incompatibilities on the THM behavior of concrete. This work is a first step in this direction. For this purpose, a three-dimensional (3D) multi-scale finite element model is developed. It allows affecting specific behaviors to matrix and inclusions. For the former, where mass transports occur within the connected porous network, a three-fluids approach (liquid water, vapor and dry air) is adopted and is coupled to a poro-mechanical damage based approach. For inclusions (aggregates) no hygral component arises a pure thermo-mechanical model is considered. The developed model is then used to investigate, either by 2D or 3D numerical simulations, effects of mineralogical nature, morphology and distribution of aggregates. Studied effects have mainly concerned the influence of these parameters on local fluctuations of simulated temperature, gas pressure and damage fields with regard to experimentally observed dispersion. The analysis is here limited to the mesoscale, at which only aggregates with a characteristic size above 5 mm are meshed while the remaining inclusions together with the cement paste are considered to be a homogeneous matrix. Finally, the numerical analysis carries out the need to perform an experimental campaign that is consistent with a multi-scale approach of the THM behavior of concrete : an experimental campaign that allows to identify thermal, hygral and mechanical properties of each concrete constituent and that permit to assess evolution of fields during upscalling. An experimental protocol is then elaborated for this purpose and some obtained results are presented and analyzed with regard to results obtained in the modeling part

La réduction du volume des glaciers et la fusion printanière plus précoce de la neige causée par le réchauffement climatique provoquent des variations du cycle hydrologique à la fois pour les têtes de bassin versant, mais aussi pour les zones situées plus à l’aval. Afin de prédire correctement l’amplitude des changements possibles futurs et d’envisager une gestion adaptée, une bonne connaissance de l’interaction entre les glaciers, le climat et les écoulements hydriques est nécessaire. L’objectif de cette étude est d’évaluer l’effet de la variabilité climatique sur le fonctionnement hydro-glaciologique et ses conséquences sur la disponibilité de l’eau du bassin versant de l’Arve (Alpes françaises) depuis 1960. Ce bassin s’étend sur une surface de 1958 km2 et est composé de cinq bassins versants emboités (Arveyron d’Argentière, Arveyron de la Mer de Glace, Arve au Pont des Favrands, à Sallanches and au Bout du Monde), tous influencés par la fusion glaciaire et nivale mais dans différentes proportions étant donnée la large gamme d’extension de couverture glaciaire s’étalant de 5 á 53%. Ce travail est basé sur des longs jeux de données glaciologiques, météorologiques, hydrologiques et de couverture de neige qui sont issues soit de mesures ponctuelles dans l’espace soit de données obtenues par télédétection.L’analyse des tendances a été réalisée sur des données hydrologiques et météorologiques des cinq bassins versants emboités. Pour cela, le cycle saisonnier du débit est ajusté en utilisant une fonction mathématique de type “modèle à pic asymétrique”. Les changements observés des débits ont été reliés aux variables météorologiques ainsi que à l’évolution de la couverture glaciaire. Les résultats indiquent un comportement contrasté entre les bassins versants selon les taux d’englacements, avec une tendance croissante des valeurs de débit dans les bassins versants fortement englacés (couverture de glacier >30%) et une décroissante pour les moins englacés. La sensibilité du cycle hydrologique au changement climatique futur a été évaluée. Pour le milieu du 21e siècle, on prévoit que le volume annuel écoulé serait réduit de 16% pour l’Arveyron d’Argentière et de 31% pour l’Arveyron de la Mer de Glace. Pour la période estivale, la quantification détaillée de chaque terme de l’équation du bilan hydrologique, ainsi que leurs incertitudes, sur les bassins versants de l’Arveyron d’Argentière et de l’Arveyron de la Mer de Glace-Leschaux a permis de souligner l’importance des transferts d’eau souterraine pour représenter et prédire le comportement hydro-glaciologique d’un bassin versant donné. Deux model d’écoulement distribués de type degré-jour couples à un modèle de routage hydrologique à réservoir linéaire ont était utilisé sur le bassin versant de l’Arveyron d’Argentière sur la période 1960–2009. La calibration est effectuée autant sur la base des données de débit qu’avec une approche multicritère avec les données de débit, de couverture neigeuse et du bilan de masse annuel, à pas de temps journalier. Les résultats montrent l’aptitude d’utiliser un modèle classique degré-jour pour simuler le comportement hydro-glaciologique et la production d’eau sous-glaciaire d’un bassin versant fortement glaciaire. Pour la période 1960–2004, une valeur de Kling Gupta Efficiency de 0.85 entre le débit simulé et observe à était obtenu. La calibration multicritère semble réduire les incertitudes des simulations. / Glacier recession and the anticipation of spring snow melt driven by a warming climate could lead to changes in the hydrological cycle affecting not only the headwater catchments but also the areas downstream. In order to correctly predict the magnitude of future possible changes and to consider appropriate strategies of water management, a good understanding of the interaction between glaciers, climate and hydrology is needed. The aim of this study is to assess the effect of climate variability on the hydro-glaciological behaviour and its consequence on water availability in the Arve River catchment (French Alps) since 1960. It covers 1958 km2 and is composed by five nested catchments (Arveyron d’Argentière, Arveyron de la Mer de Glace, Arve at Pont des Favrands, Arve at Sallanches and Arve at Bout du Monde), all influenced by glacier and snow melt but characterized by various percentages of glacier cover ranging from 5 to 53%. This research is based on a long dataset of in situ or remote sensing glaciological, meteorological, hydrological and snow cover area data.Trend analyses are performed on the hydrological and meteorological data at all the considered sites. The seasonal cycle of each catchment is fitted using a mathematical function, namely the asymmetric peak model, and changes in the discharge are related to observed changes in the meteorological variables and the glaciers’ evolution. Results point out a contrasting behaviour among the catchments characterized by different glacier covers, showing an increasing trend on the discharge values in highly glacierized catchments (with a glacier cover >30%) and a decrease in the low glacierized ones. The sensitivity of the seasonal cycle to the future climate is evaluated. In the mid-21st century the annual runoff would be reduced by 16% for Arveyron d’Argentière and 31% for Arveyron de la Mer de Glace. Over the summer season, a detailed quantification of each term of the hydrological balance equation, as well as their uncertainties, on the Argentière and Mer de Glace-Leschaux drainage basins allows to underline the importance of considering the groundwater transfers to represent and predict the hydro-glaciological behaviour of a considered catchment. Two different distributed temperature index melt models coupled with a linear reservoir discharge model are used on the Arveron d’Argentière catchment over the 1960–2009 period. The calibration is carried out against discharge only and with a multi- criteria approach considering the discharge, the snow cover area and the glacier-wide annual mass balance values at daily time step. Results demonstrate the suitability of the use of a classical degree day model in simulating the hydro-glaciological behaviour and the subglacial water production of a highly glacierized catchment. A KGE of 0.85 is obtained between the observed and simulate discharge values over the 1960–2004 period. The use of a multi-criteria approach seems to reduce the simulation uncertainties.

In a hydro-dominated system, such as New Zealand, the continual improvement and development of effective optimization and simulation software to inform decision making is necessary for effective resource management. Stochastic Constructive Dual Dynamic Programming (SCDDP) is a technique which has been effectively applied to the New Zealand system for optimization and simulation. This variant of Dynamic Programming (DP) allows optimization to occur in the dual space reducing the computational complexity and allows solutions from a single run to be formed as price signal surfaces and trajectories. However, any application of this method suffers from issues with computational tractability for higher reservoir numbers. Furthermore, New Zealand specific applications currently provide limited information on the system as they all use the same two-reservoir approximation of the New Zealand system. This limitation is of increasing importance with the decentralization of the New Zealand electricity sector. In this thesis we develop this theory with respect to two key goals: • To advance the theory surrounding SCDDP to be generalizable to higher reservoir numbers through the application of the point-wise algorithm explored in R. A. Read, Dye, S. & Read, E.G. (2012) to the stochastic case. • To develop at least two new and distinct two-reservoir SCDDP representations of the New Zealand system to provide a theoretical basis for greater flexibility in simulation and optimization of hydro-thermal scheduling in the New Zealand context.

Der weltweit steigende Energiebedarf stellt die Menschheit vor immer größere Herausforderungen. Im Angesicht des Klimawandels und der begrenzten Verfügbarkeit von fossilen Energieträgern liegt eine besondere Verantwortung bei der Entwicklung von erneuerbaren Energieressourcen. Dabei spielt die Geothermie eine besondere Rolle, da sie zur Deckung der Grundlast geeignet ist. Zu der Bewertung von geothermischen Potentialen leisten die Geowissenschaften einen großen Beitrag. Das geothermische Potential eines Standorts hängt vor allem von der Art und Ausbreitung von Störungszonen ab, da sie wesentlich den Grundwasserfluss kontrollieren. In dieser Arbeit werden verschiedene geowissenschaftliche Methoden miteinander kombiniert, um die Wirksamkeit von Störungszonen zu bewerten. Strukturgeologische Kartierungen und hydrogeologische Felduntersuchungen erklären die Ausbreitung und hydraulische Funktion von Störungszonen im Untersuchungsgebiet. Geohydrochemische Untersuchungen geben Auskunft über Fluid- und Gesteinszusammensetzung und deren Wechselwirkungen. Numerische Simulationen des Gebietes zeigen, dass sowohl Störungszonen als auch Fluideigenschaften wichtig für die Verteilung von Druck und Temperatur im Reservoir sind. Das Untersuchungsgebiet ist das Hochenthalpy-Geothermiefeld Lahendong in Sulawesi (Indonesien). Ein Kraftwerk produziert hier 80 MW Elektrizität. Die ersten Untersuchungen im Gebiet starteten in den 1970er Jahren. Jedoch sind Genese und Verteilung der thermalen Wässer noch nicht komplett verstanden. Das aktuelle konzeptionelle Modell zeigt eine Aufteilung in mehrere Reservoirbereiche. Die verschiedenen Bereiche sind durch horizontal impermeable Störungszonen voneinander getrennt. Den nördlichen Bereich kennzeichnen saure Wässer und den südlichen Teil pH-neutrale Wässer. Auch die Produktivität variiert stark zwischen den beiden Reservoirbereichen. In vertikaler Richtung sind Störungszonen jedoch durchlässig, was dazu führt, dass heiße Quellen entlang von Störungen oder deren Kreuzungspunkten auftreten. Die Reservoirgesteine in Lahendong sind basaltische Andesite, Tuffe und vulkanische Brekkzien. Die Permeabilitätsverteilung der Störungszonen wird durch die Ausbreitung von Rissen kontrolliert. Risse sind vor allem in der Bruchzone der Störung verbreitet, was zu einer hydraulischen Durchlässigkeit parallel zur Störung führt. Die Unterteilung des Reservoirs in Lahendong wird durch diese Rissverteilung bestimmt. Der nördliche saure Teil des Reservoirs ist durch höhere Produktivitätsraten, Gasaustritte an der Oberfläche und stark alterierte und geklüftete Gesteine im Untergrund charakterisiert. Der südliche Abschnitt ist heißer und hat weniger stark alterierte Gesteine. Die beobachteten Reservoireigenschaften wurden von hydrochemischen und hydraulischen Modellierungen bestätigt. Der Grundwasserfluss mit Neubildung und Austritten aus dem Reservoir ist im Gelände und im Modell vor allem durch Störungszonen kontrolliert. Jedoch ist der Grundwasserfluss auch durch den Aggregatzustand des Wassers beeinflusst. Für die Modellierung von 2-Phasen-Ausbreitung müssen die Permeabilitäten angepasst werden, um gleiche Temperatur- und Druckbedingungen zu modellieren. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit liegt in der Demonstration, dass eine systematische strukturgeologische Analyse für das Verständnis von Grundwasserfluss in geothermischen Reservoiren unentbehrlich ist. Es wurde bestätigt, dass die Kombination von tektonischen, hydrogeologischen und geohydrochemischen Informationen den wichtigsten Beitrag für das Verständnis von Grundwasserströmungen leistet. Die Grundwasserströmung ist der wichtigste Faktor für die Wahl des richtigen Standortes für Produktion und Injektion in geothermischen Feldern. Eine detaillierte Analyse gewährleistet eine nachhaltige Nutzung des Feldes und verringert Risiken, wie schwach produzierende Bohrungen oder die Produktion von stark korrosiven Wässern. Auf dieser Grundlage kann eine Felderweiterung geplant werden, wie es in Lahendong angedacht ist.