Dans de nombreux réservoirs géothermiques profonds, l'échangeur thermique est un massif de roches chaudes fracturées. Comment la morphologie des fractures influence-t-elle le flux hydraulique et le champ de température lorsque de l'eau froide est injectée dans ce milieu ? Cette question est abordée à l'échelle de la fracture, de manière numérique, à l'aide de deux méthodes : par différences finies, en 2D, et par méthode de Boltzmann sur réseau, en 3D. Les calculs en différences finies montrent qu'une ouverture auto-affine induit une variabilité spatiale du flux hydraulique et du champ de température. Dans certains cas, il se crée une chenalisation du fluide, qui réduit l'efficacité du transfert thermique entre la roche et le fluide. Ces caractéristiques hydro-thermiques sont essentiellement engendrées par les plus grandes longueurs d'ondes de ces ouvertures auto-affines. Une première application à grande échelle, dimensionnée suivant les caractéristiques du site géothermique de Soultz-sous-Forêts (Alsace, France), est proposée. Une deuxième application consiste à évaluer la perméabilité du sous-sol de Draix (Alpes, France). Pour cela, la géométrie de fractures présentes dans le sous-sol est caractérisée précisément à partir de carottes géologiques. La topographie des fractures, mesurée avec un laser, est utilisée pour reconstituer la morphologie de l'ouverture des fractures. Ces données sont utilisées pour quantifier la perméabilité, ici élevée -- de l'ordre de 10^-9-10^-8 m^2. À l'aide de méthodes de Boltzmann sur réseau, la modélisation du comportement hydro-thermique dans des fractures présentant une topographie avec de fortes pentes est abordée. Au voisinage d'une aspérité de forme simple, le comportement hydro-thermique modélisé est très différent (recirculation) de celui dans le reste de la fracture. L'ensemble de ces modélisations suggère qu'il est nécessaire de prendre en compte la morphologie des fractures pour estimer le comportement hydro-thermique en géothermie.

Le plateau basaltique du Devès, situé dans la région du Velay, au sud du Massif Central oriental français, compte une dizaine de tourbières dont le contexte hydro-géomorphologique est original. Quatre d'entre elles ont été étudié dans ce travail : une vaste tourbière basse de maar, ainsi que trois petites tourbières basses de bassins. Les objectifs assignés à ce travail de recherche sont triples : - approfondir les connaissances écogéographiques sur les tourbières du domaine volcanique du Devès afin d'obtenir un évaluation générale de leur état de santé. - déterminer les impacts des interventions humaines sur ces sites afin de guider les opérations de gestion conservatoire actuelles et d'orienter les projets de restauration en cours. - acquérir des données paléoenvironnementales, afin d'appréhender les multiples changements qui ont rythmé l'histoire de ces tourbières et de leur environnement physique et humain ; se servir de ces données pour tenter de prévoir leur évolution à moyen terme. Au final, cette étude a permis de mieux comprendre le fonctionnement et la dynamique récente d'une tourbière de maar. Nous avons ainsi fait apparaître des dysfonctionnements sur le cas de la tourbière de Ribains et proposé une réflexion sur la gestion de ce site. Nous avons étudié les cas particuliers de trois tourbières basses du Nord Devès, inscrites dans des dépressions circulaires fermées. Ces tourbières, au contexte hydro géomorphologique original, ont révélé un fonctionnement et une dynamique très similaires. D'un point de vue paléo-environnemental nous avons dégagé dans le Devès deux périodes de mise en place des tourbières. Une première entre le Bølling et le début du Préboréal et une seconde à la charnière du Boréal et de l'Atlantique. Ces résultats renforcent les observations déjà faites dans le Massif Central oriental granitique.

<p>In this thesis a method for evaluating investments in small scale hydro power is presented. An analysis of the future position that small scale hydro production will have on the Nordic electricity market is also carried out. This is done by an inventory of technology and economic and environmental aspects. The inventory is also a guide as to how the project should be implemented.</p><p>Hydrolyzer is the name of the Excel tool developed to evaluate investments. The tool requests input data from the user and then evaluates the investment and generates a sensitivity analysis. Several projects or scenarios can be entered and are then ranked after profitability. For example a major repair can be compared to a new power station and tailrace excavations are possible to evaluate.</p><p>The profitability of small scale hydro power investment mainly depends on the size of the initial investment. The power generation costs average among the lowest among possible future power plants. This trend applies to comparisons between renewable and fossil production plants. Electricity prices will probably not fall back to historic levels, due to fuel shortage and increasing environmental concerns. Price prognosis therefore indicates that investments, which on calculation seem profitable, will also be so.</p><p>Small scale hydro investments at existing dams are socio-economically and environmentally sound. The investments contribute with clean power but have local environmental impacts. At existing dams this damage is already done and expensive to undo if at all possible. The</p><p>environmental impacts can be dramatically reduced by construction of fish passages etc. In the thesis an example shows that economic resources for environmental constructions often depend on electricity certificates and that residual flows aren’t greater than necessary.</p><p>An investment project should start by evaluating possible scenarios that the hydro power permit may result in. The transmission capacity should also be investigated at an early stage. Materials should be chosen with care and evaluated with a star diagram. A synchronous</p><p>generator without a speed increaser should be considered for the hydro investment. The turbine type should be suggested by the manufacturer who also has to be able to guarantee efficiencies and cavitation resistance. Submersible turbines should be considered as they significantly reduce building costs. Involved persons need to be experienced and the tenders should be lump sums except for costs which are difficult to determine.</p> / <p>I detta examensarbete presenteras en metod för att enkelt kunna göra en bedömning av om det är lönsamt att investera i småskalig vattenkraft. Det undersöks också hur den småskaliga vattenkraftens förutsättningar på den framtida elmarknaden ser ut. Detta görs genom en inventering av teknik, ekonomi och miljöaspekter. Inventeringen ger också svar på hur ett investeringsprojekt ska genomföras.</p><p>Hydrolyzer kallas excelverktyget som utvecklats för att göra lönsamhetsbedömningen. Det fungerar så att indata matas in och sedan beräknas investeringens lönsamhet och en känslighetsanalys genereras. I verktyget kan olika investeringsalternativ läggas in som sedan beräknas och rangordnas. Exempelvis kan en större reparation jämföras med att bygga en helt ny station eller rensningar utvärderas.</p><p>Småskalig vattenkrafts lönsamhet och produktionskostnader beror till största del på hur stor grundinvesteringen blir. Produktionskostnaden är i snitt bland de billigaste produktionsslagen som kan komma att byggas i framtiden. Trenden gäller vid jämförelse både bland förnybara</p><p>och bland övriga produktionsslag. På elmarknaden pekar det mesta på att priset inte kommer att sjunka tillbaka till historisk nivå. Detta då bränslena är bristvara och att en allt större miljöhänsyn krävs vilket pressar upp priset. Prisutvecklingen talar för att om ett investeringsbeslut tas där kalkylen visar lönsamhet så kommer detta också att infalla.</p><p>Investeringar i småskalig vattenkraft vid befintliga dammar bedöms vara samhällsekonomiskt och miljömässigt fördelaktigt. Småskalig vattenkraft producerar ren el men ger miljöstörningar lokalt. Vid befintliga dammar är dock denna skada redan skedd och väldigt kostsamt att återställa om det överhuvudtaget är möjligt. Miljöproblemen kan dock kraftigt minskas genom byggnation av fiskpassager m.m. Möjligheten att bygga vid befintliga dammar kan vara beroende av elcertifikat om de lokala förutsättningarna är dåliga. I rapporten visas också genom ett exempel att ekonomin för miljöförbättrande åtgärder oftast är beroende av elcertifikat och att mintappningar inte är större än nödvändigt.</p><p>Investeringsprojektet bör börja med att ta fram scenarion att utvärdera utifrån hur vattendomen kan tänkas bli. Elnätets kapacitet ska också undersökas tidigt. Materialen ska väljas med omsorg och utvärderas med stjärndiagram. En synkron generator utan växel ska</p><p>övervägas till kraftverket. Turbintypen ska föreslås av tillverkaren och denna ska kunna garantera verkningsgrader och kavitationsmotstånd. Dränkbara turbiner ska övervägas då dessa kräver väsentligt mindre byggnationsarbeten. Inblandade i projektet ska ha rätt kunskaper och anbuden ska tas in som klumpsummor där visst ansvar tas för svårbestämda kostnader.</p>

<p>One of many applications of geohydraulic modelling is assessing the suitability of a site to host a nuclear waste repository. This modelling task is complicated by scale-dependent heterogeneity and coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes. The objective here was to develop methods for (i) upscaling flow and transport in fractured media from detailed-scale data and (ii) accounting for THM-induced effects on regional-scale transport. An example field data set was used for demonstration.</p><p>A systematic framework was developed where equivalent properties of flow, transport, and stress-effects were estimated with discrete fracture network (DFN) modelling, at some block scale, and then transferred to a regional-scale stochastic continuum (SC) model. The selected block scale allowed a continuum approximation of flow, but not of transport. Instead, block-scale transport was quantified by transit time distributions and modelled with a particle random walk method at the regional scale.</p><p>An enhanced SC-upscaling approach was developed to reproduce the DFN flow results more simply. This required: (i) weighting of the input well-test data by their conductivity-dependent test volumes and (ii) conductivity-dependent correlation structure. Interestingly, the best-fitting correlation structure resembled the density function of DFN transmissivities. </p><p>Channelized transport, over distances exceeding the block scale, was modelled with a transport persistence length. A linear relationship was found between this persistence length and the macroscale dispersion coefficient, with a slope equal to a representative mean block-scale dispersion coefficient.</p><p>A method was also developed to combine well-test data and rock-mechanical data in estimating fracture transmissivities, and its application was demonstrated.</p><p>Finally, an overall sequential THM analysis was introduced allowing the estimation of the significance of waste-related thermo-mechanical (TM) effects on regional transport; here TM effects are calculated separately and their impact on fracture transmissivities were incorporated into the hybrid framework. For the particular case, their effects on regional-scale transport were small.</p>

In this thesis, fractured rock masses are treated asequivalent continua for large-scale analyses of rockengineering projects. Systematic developments are made for thedetermination of equivalent mechanical and hydraulic propertiesof fractured rock masses using a hybrid discrete fracturenetwork - distinct element method (DFN-DEM) approach. Thedetermined equivalent properties are then used for a far-fieldfinite element analysis of the thermo-mechanical impacts on thestress, deformation and permeability of fractured rockssurrounding a hypothetical geological repository of nuclearwaste. The geological data were extracted from the results ofan extensive site investigation programme at Sellafield, UK,conducted by Nirex UK Ltd. The scale dependencies of the hydraulic and mechanicalproperties were investigated by using multiple realizations ofthe fracture system geometry with increasing model sizes untilproperly defined hydraulic and mechanical representativeelementary volumes (REVs) were reached. The validity of thesecond order permeability tensor and the fourth-ordermechanical compliance tensor were tested for continuum analysesat larger scales. The REV was determined to be around 5 m formechanical and hydraulic data in this study. Analysis of the stress-dependent mechanical and hydraulicproperties shows that the effect of rock stresses is crucial.The elastic moduli increase significantly with the increase ofstress and an empirical equation of stress-dependent elasticmodulus is suggested based on results of numerical experiments.Calculations of the Poisson's ratios suggest greater valuesthan are normally assumed in practice. Depending on the stateof stress, permeability decreases or increases with increasingcompressive stress. Stress-induced flow channeling effect iscaptured by numerical modeling for the first time and detailedmechanisms of shear dilation of fractures are provided. Basedon the numerical experiments, a set of empirical equations wassuggested for the stress-dependent permeability, consideringboth normal deformation and shear dilation of fractures. Thermo-mechanical impact on the performance of ahypothetical repository at a far-field scale (5 km by 1 km) wasinvestigated with the stress-dependent equivalent propertiesdetermined at the REV scale. This analysis shows thatmechanical responses vary significantly depending on how themechanical properties were determined. The change ofpermeability due to the thermal loading is, however, notsignificant in this particular case. The thesis provides a framework for systematic analysis oflarge-scale engineering applications in fractured rock masses,such as geological repositories of nuclear wastes. Keyword:Fractured rock masses, Equivalent Continuum,Discrete Fracture Network (DFN), Distinct Element Method (DEM),Finite Element Method (FEM), Nuclear Waste Disposal, CoupledThermo-Hydro-Mechanical Processes

One of many applications of geohydraulic modelling is assessing the suitability of a site to host a nuclear waste repository. This modelling task is complicated by scale-dependent heterogeneity and coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes. The objective here was to develop methods for (i) upscaling flow and transport in fractured media from detailed-scale data and (ii) accounting for THM-induced effects on regional-scale transport. An example field data set was used for demonstration. A systematic framework was developed where equivalent properties of flow, transport, and stress-effects were estimated with discrete fracture network (DFN) modelling, at some block scale, and then transferred to a regional-scale stochastic continuum (SC) model. The selected block scale allowed a continuum approximation of flow, but not of transport. Instead, block-scale transport was quantified by transit time distributions and modelled with a particle random walk method at the regional scale. An enhanced SC-upscaling approach was developed to reproduce the DFN flow results more simply. This required: (i) weighting of the input well-test data by their conductivity-dependent test volumes and (ii) conductivity-dependent correlation structure. Interestingly, the best-fitting correlation structure resembled the density function of DFN transmissivities. Channelized transport, over distances exceeding the block scale, was modelled with a transport persistence length. A linear relationship was found between this persistence length and the macroscale dispersion coefficient, with a slope equal to a representative mean block-scale dispersion coefficient. A method was also developed to combine well-test data and rock-mechanical data in estimating fracture transmissivities, and its application was demonstrated. Finally, an overall sequential THM analysis was introduced allowing the estimation of the significance of waste-related thermo-mechanical (TM) effects on regional transport; here TM effects are calculated separately and their impact on fracture transmissivities were incorporated into the hybrid framework. For the particular case, their effects on regional-scale transport were small.

Coupled Thermo-Hydro-Mechanical (THM) behavior in geological porous media has been a subject of great interest in many geoengineering disciplines. Many attempts have been made to develop numerical prediction capabilities associated with topics such as the movement of pollutant plumes, gas injection, energy storage, geothermal energy extraction, and safety assessment of repositories for radioactive waste and spent nuclear fuel. This thesis presents a new numerical modeling approach and a new computer code for simulating coupled THM behavior in geological porous media in general, and compacted bentonite clays in particular, as buffer materials in underground radioactive waste repositories. New governing equations were derived according to the theory of mixtures, considering interactions among solid-phase deformation, flows of water and gases, heat transport, and phase change of water. For three-dimensional problems, eight governing equations were formulated to describe the coupled THM processes. A new thermal conductivity model was developed to predict the thermal conductivity of geological porous media as composite mixtures. The proposed model considers the combined effects of solid mineral composition, temperature, liquid saturation degree, porosity and pressure on the effective thermal conductivity of the porous media. The predicted results agree well with the experimental data for MX80 bentonite. A new water retention curve model was developed to predict the suction-saturation behavior of the geological porous media, as a function of suction, effective saturated degree, temperature, porosity, pore-gas pressure, and the rate of saturation degree change with time. The model was verified against experimental data of the FEBEX bentonite, with good agreement between measured and calculated results. A new finite element code (ROLG) was developed for modeling fully coupled thermo-hydro-mechanical processes in geological porous media. The new code was validated against several analytical solutions and experiments, and was applied to simulate the large scale in-situ Canister Retrieval Test (CRT) at Äspö Hard Rock Laboratory, SKB, Sweden, with good agreement between measured and predicted results. The results are useful for performance and safety assessments of radioactive waste repositories. / QC20100720 / THERESA

Ce mémoire présente l'étude expérimentale et la modélisation à l'échelle microscopique du comportement hydromécanique des argilites, roche hôte potentielle pour le stockage souterrain des déchets radioactifs. Le champ de déformation est mesuré par microscopie électronique à balayage environnementale et corrélation d'images numériques. En premier lieu, on étudie le cas du chargement hydrique pur. Le champ de déformation obtenu est très hétérogène, et montre une anisotropie. La non-linéarité de déformation pour HR élevée est le résultat combiné d'une fissuration et d'un gonflement non-linéaire de la phase argileuse dû à des mécanismes différents selon humidité relative (HR). On constate une déformation irréversible lors d'un cycle hydrique, ainsi qu'un réseau de microfissures localisées dans la phase argileuse ou aux interfaces grain-matrice. Ensuite, on étudie le cas du chargement combiné hydrique et mécanique dans le MEBE. Trois types de bandes de déformation apparaissent au cours du chargement mécanique : horizontales (compaction), verticales (fissuration), et inclinées (cisaillement). Les bandes de cisaillement apparaissent plus tôt à HR plus élevée. Finalement, le matériau sous chargement hydrique est modélisé comme un composite constitué par de inclusions non gonflantes au sein d'une matrice gonflante. On calcule d'abord le champ de contrainte interne dû aux interactions inclusion-matrice ainsi qu'au gradient d'humidité, et ensuite la déformation globale. On en dérive un modèle micromécanique du type du problème d'Eshelby. De plus, des modélisations 2D aux éléments finis sont effectuées.

Depuis le milieu des années 90, l'industrie de l'électricité dans l'est du Canada connait plusieurs bouleversements. Dans les différentes provinces canadiennes, les producteurs, les transporteurs et les distributeurs ont dû s'adapter et procéder à d'importantes restructurations afin de se conformer aux nouvelles règles du jeu établies par la Federal Energy Regulatory Commission. Ces restructurations étaient essentielles dans la mesure où l'industrie canadienne voulait conserver l'accès au marché américain, qui est beaucoup plus lucratif que la majorité des marchés domestiques. Pour Hydro-Québec, l'accès aux marchés d'exportation est primordial puisqu'il permet à la société d'État et au gouvernement du Québec d'engranger des revenus considérables. Parallèlement, la province est confrontée à un grave problème de surconsommation d'électricité qui a des effets néfastes sur l'économie de la province. Il est donc impératif d'étudier ces phénomènes et de trouver des solutions afin de diminuer la consommation domestique et, du même coup, d'augmenter les quantités disponibles pour l'exportation. L'objectif premier de ce travail de recherche est d'estimer les demandes d'électricité pour le Québec, de dégager des mesures d'élasticité-prix propre et croisé et d'effectuer différents types de scénarios. Quant à eux, les scénarios mis de l'avant dans le dernier chapitre de ce mémoire ont pour objectif de déterminer dans quelle mesure l'augmentation des tarifs pourrait modifier le comportement des consommateurs, et les inciter à diminuer leur consommation d'électricité pour qu'Hydro-Québec bénéficie des économies d'énergie et augmente ses revenus en développant ses transactions sur les marchés connexes. Suite à l'analyse de l'organisation industrielle, de la dynamique de la concurrence et des tests de scénarios, il est possible de conclure que le Québec, en plus de mettre en place des politiques publiques plus agressives quant aux tarifs d'électricité, devrait se doter d'une politique énergétique adéquate pour que la société d'État puisse étendre et sécuriser son marché géographique, et ainsi, exporter les surplus d'électricité pour améliorer sa rentabilité tout en contribuant à l'amélioration de l'environnement nord-américain. ______________________________________________________________________________

Depuis les dernières décennies, l'hydroélectricité est devenue une source majeure d'électricité pour le Québec, tout en représentant une source importante d'exportation d'énergie pour cette province canadienne. Malgré le fait qu'il est de plus en plus évident que toutes les formes d'électricité ont des répercussions environnementales, les impacts cumulatifs des grands barrages hydroélectriques du nord ne sont pas bien étudiés. Il y a encore de grandes questions à aborder, particulièrement concernant les effets cumulatifs et à long terme sur les écosystèmes estuariens. Les rivières Romaine et Sainte-Marguerite se situent sur la côte-nord du Québec, et tandis que la rivière Sainte-Marguerite est déjà harnachée, des barrages sur la rivière Romaine sont présentement en construction. Les deux rivières coulent directement dans le golfe du Saint-Laurent, un écosystème marin ayant une diversité animale et végétale importante. En utilisant deux approches différentes, les études de laboratoires et les images satellites, l'objectif de cette étude était de déterminer les impacts des barrages hydroélectriques sur les écosystèmes marins. Au laboratoire, notre but était de déterminer comment le taux de croissance et la photosynthèse de deux espèces de phytoplancton d'eau douce retrouvées dans l'estuaire de la rivière Romaine sont affectés par les changements de salinité et de température. Avec l'aide d'images satellites provenant du Landsat-TM5 bande 6 et les images SeaWiFS, il a été possible d'approfondir nos connaissances quant aux changements entraînés sur l'estuaire par le barrage de la rivière Sainte-Marguerite, avant et après la mise en eau en 1998. Le taux de croissance et la photosynthèse d'Ankistrodesmus falcatus et Fragilaria crotonensis ont été affectés par une augmentation de salinité. Le taux de croissance a diminué linéairement avec l'augmentation de la salinité et une diminution significative du rendement photochimique (Φ’M) a été observé en fonction de ce dernier. La température de l'eau a aussi affecté le taux de croissance ainsi que la photosynthèse, et une interaction a été notée entre la salinité et la température. Ces résultats ont été corroborés avec les images satellites. Dans le cas de la rivière Sainte-Marguerite, nous avons déterminé que la superficie du panache diminue linéairement en fonction des débits de la rivière. En plus, il y avait une différence significative entre la biomasse de phytoplancton dans l'estuaire avant et après la construction du barrage. Les résultats suggèrent que les répercussions environnementales peuvent être importantes parce que les débits d'eau douce qui arrivent dans le golf du Saint-Laurent ont déjà diminué à cause des barrages hydroélectriques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : photosynthèse, salinité, température, fluorescence, estuaires, A. falcatus, F. crotonensis, rivière Sainte-Marguerite, rivière Romaine, hydroélectricité, Landsat-TM5, SeaWiFS, production primaire