Identifying marine pollutant sources is essential in order to assess, contain and minimize their risk. We propose a Lagrangian Particle Tracking algorithm (LPT) to study the transport of passive tracers continuously released from fixed and moving sources and to identify their source in a backward mode. The LPT is designed to operate with uncertain flow fi elds, described by an ensemble of realizations of the sea currents. Starting from a region of high probability, re- verse tracking is used to generate inverse maps. A probability-weighted distance between the resulting inverse maps and the source trajectory is then minimized to identify the likely source of pollution. We conduct realistic simulations to demonstrate the efficiency of the proposed algorithm in the Mediterranean Sea using ocean data available from Copernicus Marine Environment Monitoring Services. Passive tracers are released along the path of a ship and propagated with an ensemble of flow fi elds forward in time to generate a probability map, which is then used for the inverse problem of source identi fication. Our experiments suggest that the algorithm is able to efficiently capture the release time and source, with some test cases successfully pinpointing the release time and source up to two weeks back in time.

Caractériser la circulation et l'évolution de la qualité des eaux côtières en Manche orientale est un enjeu majeur pour de multiples applications dans une région riche en bio-diversité et en ressources halieutiques. L'hydrodynamisme, dominé par un régime megatidal, joue un rôle essentiel dans les processus de dispersion et de mélange le long du littoral du Nord-Pas-de-Calais. La physionomie en "entonnoir" de la Manche orientale donne lieu à une dyssimétrie de l'onde de marée qui induit un flot plus intense et plus bref que le jusant, engendrant une dérive résiduelle vers la mer du Nord accentuée par les vents dominants de sud-ouest. Ce contexte atypique confère une structure complexe à l'écoulement côtier, dans une région dite "à influence d'eau douce". L'utilisation du modèle hydrodynamique MARS3D a permis de mettre en évidence certains phénomènes complexes à l'échelle régionale et comprendre la gense et la dynamique du fleuve côtier. Grâce à la modélisation haute résolution, à l'échelle dite locale, la circulation dans l'enceinte du port de Boulogne-sur-Mer a pu être caractérisée. Il a été démontré qu'un tourbillon anti-cyclonique, caractéristique du régime de flot, permet une évacuation rapide des traceurs passifs transitant par le port. Lors du jusant, une dérive intense vers le sud piège les traceurs dans le port. Ce piégeage peut être accentué ou atténué selon le sens du vent ou le débit fluvial. Une étude de modifications morphologiques de la rade a été réalisée afin de montrer l'utilité de la modélisation pour proposer des solutions innovantes pouvant améliorer la qualité de l'eau. Un travail similaire a été mené en baie de Somme pour comprendre les problèmes relatifs à la qualité de l'eau. Certaines activités sont soupçonnées d'être à l'origine de contamination microbienne et en particulier les moutons de pré-salés, accusés de contribuer majoritairement à l'apport en E. Coli. En assimilant les traceurs passifs au matériel bactérien, nous avons pu appréhender la problématique de la qualité de l'eau. Notre étude a permis de mettre en exergue les conditions environnementales propices à la rétention ou à l'évacuation de matières contaminantes émises par de nombreuses sources alimentant la baie. La convergence des courants, et l'accumulation du matériel contaminant, ont été révélées au voisinage du Crotoyce qui peut expliquer en partie, la qualité médiocre de ces eaux. Ces schémas de circulation interne à la baie de Sommesuivant les conditions environnementales contribue à améliorer les études sur la qualité de l'eau et les futurs aménagements côtiers durables. / Characterizing the circulation and the coastal water quality evolution in the EEC is a major stake in many applications, particularly in a such bio-diversified region. The hydrodynamism plays an essential role in dispersal and mixing processes along the Nord-Pas-de-Calais shores. The EEC funnel physiology gives place to a tidal asymmetry which induces flood conditions stronger but shorter then ebb conditions, involving a residual northern drift, strengthened by the dominant south-west winds. This atypical context confers a complex structure of the coastal flow in a ROFI (Region Of Freshwater Influence). Using the hydrodynamical model MARS3D permitted to underline complexes phenomenon at regional scale and understand the genesis and dynamic of the so called, "coastal river". Thanks to high resolution modelling, circulation pattern inside Boulogne-sur-Mer harbor has been characterized. We identified an anti-cyclonic eddy, characteristic of the flood conditions and responsible of a rapid evacuation of tracers passing through the harbor. In opposition, during ebb, a southward drift traps passive tracers inside the port. This trapping effect can be limited or emphasized depending on wind directions and freshwater inputs. Besides, harbor morphological changes have been assessed in order to propose innovative solution to improve water quality inside the harbor. A similar work was developed in the "baie de Somme" (France) to understand water quality existing issues. Many activities are suspected to supply microbial contamination within the bay, especially the marshes sheep accused to be the major contributor in E. Coli. Assuming passive tracers as bacterial material we have studied dispersion and transport processes within the bay. This study permit to underline environmental conditions favorable to evacuate or maintain pollution emitted from several water sources supplying the bay. A current converging zone has been shownsurrounding the Crotoy area (were the water quality is bad), and simulations reveal an accumulation place for most of the different water bodies relative to the fresh water inputs. This work on circulation pattern in the Bay of Somme regarding environmental conditions, contribute to improve water quality studies and further sustainable coastal managements.

Nous étudions la dynamique de nage de bactéries Escherichia coli dans différents environnements. Leur mouvement 3D est déterminé au moyen d'un système de suivi Lagrangien 3D automatisé pour suivre des objets fluorescents que nous avons développé. Les bactéries étudiées avec ce système présentent une dispersion du coefficient de diffusion rotationnel particulièrement large, ce qui contredit la vision communément admise de la dynamique "run-and-tumble" qui a été établie pour une bactérie qui nage. Ce résultat est interprété comme une conséquence de la distribution en loi de puissance des temps de "run" expérimentaux d'un flagelle individuel, qui jusqu'alors restait indépendant de la description cinématique. Dans des écoulements confinés, la migration vers l'amont d'E. coli sur les bords reste possible pour des taux de cisaillement bien plus grands que ceux de la surface plane. La vitesse des bactéries sur les bords n'est pas influencée par l'écoulement advectif. Le mouvement vers l'amont a lieu près des parois dans une "couche limite" dont la taille varie avec le taux de cisaillement imposé. La migration vers l'amont sous écoulement et persistance de direction se combinent lors du processus de contamination. Nous montrons que les bactéries peuvent contaminer des régions propres par nage vers l'amont dans des environnements confinés.Un modèle simple, qui prend en compte la statistique de rotation du moteur, décrit de manière satisfaisante les principales caractéristiques du processus de contamination, en faisant l'hypothèse d'une distribution en loi de puissance des temps de “run”. Le modèle échoue à reproduire la dynamique quanlitative lorsque l'on prend en compte la distribution classique de run-and-tumble. Nous en concluons que le transport macroscopique de bactéries est déterminé pour la statistique de rotation du moteur. / We present a study of the swimming dynamics of Escherichia coli bacteria in different physical conditions. Their 3D motion is assessed by means of a device for automated 3D Lagrangian tracking of fluorescent objects, that we developed for that purpose. Bacteria studied in that way display consistently large dispersion of the rotational diffusion coefficient, contradicting the standard vision of run-and-tumble dynamics established for an adapted bacterium. The result is interpreted as a consequence of the power law distribution of run times experimentally found for individual flagella, that up to now remained uncoupled with the motility description.We also study the bacterial swimming in polymeric suspensions, as well as in more concentrated active suspensions.In confined flows, upstream migration of E. coli at the edges remains possible at much larger flow rates compared to the motion at the flat surfaces. The bacteria speed at the edges is not influenced by the advective flow. Upstream motion takes place close to the edges in an “edge boundary layer” whose size varies with the applied flow rate. Upstream migration under flow and direction persistence combine during contamination processes. We show that bacteria can contaminate clean regions by upstream swimming in confined environments. A simple model considering the motor rotation statistics describes well the main features of the contamination process, assuming a power law distribution of run times. The model fails to reproduce the qualitative dynamics when the classical run-and-tumble distribution is determined by the motor rotation statistics.