Au cours de cette thèse, un modèle potentiel résolvant les équations d’Euler-Zakharov a été développé dans le but de simuler la propagation de vagues et d’états de mer irréguliers et multi-directionnels, du large jusqu’à la côte, sur des bathymétries variables. L’objectif est de représenter les effets non-linéaires et dispersifs le plus précisément possible pour des domainescôtiers bidimensionnels (dans le plan horizontal) de l’ordre de quelques kilomètres.La version 1DH initiale du modèle, résolvant le problème aux limites de Laplace à l’aide de schémas aux différences finies d’ordre élevé dans la direction horizontale combinés à une approche spectrale sur la verticale, a été améliorée et validée. L’implémentation de conditions aux limites de type Dirichlet et Neumann pour générer des vagues dans le domaine a été étudiée en détail. Dans la pratique, une zone de relaxation a été utilisée en complément deces conditions pour améliorer la stabilité du modèle.L’expression analytique de la relation de dispersion a été établie dans le cas d’un fond plat. Son analyse a montré que la représentation des effets dispersifs s’améliorait significativement avec l’augmentation de la résolution sur la direction verticale (i.e. avec le degré maximal de la basede polynômes de Tchebyshev utilisée pour projeter le potentiel des vitesses sur la verticale).Une étude de convergence menée pour des ondes solitaires modérément à fortement non-linéaires a confirmé la convergence exponentielle avec la résolution verticale grâce à l’approche spectrale, ainsi que les convergences algébriques en temps et en espace sur l’horizontale avec des ordres d’environ 4 (ou plus) en accord avec les schémas numériques utilisés.La comparaison des résultats du modèle à plusieurs jeux de données expérimentales a démontré les capacités du modèle à représenter les effets non-linéaires induits par les variations de bathymétrie, notamment les transferts d’énergie entre les composantes harmoniques, ainsi que la représentation précise des propriétés dispersives. Une formulation visco-potentielle a également été implémentée afin de prendre en compte les effets visqueux induits par la dissipation interne et le frottement sur le fond. Cette formulation a été validée dans le cas d’une faible viscosité avec un fond plat ou présentant une faible pente.Dans le but de représenter des champs de vagues 2DH, le modèle a été étendu en utilisant une discrétisation non-structurée (par nuage de points) du plan horizontal. Les dérivées horizontales ont été estimées à l’aide de la méthode RBF-FD (Radial Basis Function-Finite Difference), en conservant l’approche spectrale sur la verticale. Une étude numérique de sensibilité a été menée afin d’évaluer la robustesse de la méthode RBF-FD, en comparant différents types de RBFs, avec ou sans paramètre de forme et l’ajout éventuel d’un polynôme. La version 2DH du modèle a été utilisée pour simuler deux expériences en bassin, validant ainsi l’approche choisie et démontrant son applicabilité pour simuler la propagation 3D des vagues faisant intervenir des effets non-linéaires. Dans le but de réduire le temps de calcul et de pouvoir appliquer le code à des simulations sur de grands domaines, le code a été modifié pour utiliser le solveur linéaire direct en mode parallèle / In this work, a potential flow model based on the Euler-Zakharov equations was developed with the objective of simulating the propagation of irregular and multidirectional sea states from deep water conditions to the coast over variable bathymetry. A highly accurate representation of nonlinear and dispersive effects for bidimensional (2DH) nearshore and coastal domains on the order of kilometers is targeted.The preexisting 1DH version of the model, resolving the Laplace Boundary Value problem using a combination of high-order finite difference schemes in the horizontal direction and a spectral approach in the vertical direction, was improved and validated. The generation of incident waves through the implementation of specific Dirichlet and Neumann boundary conditions was studied in detail. In practice, these conditions were used in combination witha relaxation zone to improve the stability of the model.The linear dispersion relation of the model was derived analytically for the flat bottom case. Its analysis showed that the accuracy of the representation of dispersive effects improves significantly by increasing the vertical resolution (i.e. the maximum degree of the Chebyshev polynomial basis used to project the potential in the vertical). A convergence study conducted for moderate to highly nonlinear solitary waves confirmed the exponential convergence in the vertical dimension owing to the spectral approach, and the algebraic convergence in time and in space (horizontal dimension) with orders of about 4 (or higher) in agreement with the numerical schemes used.The capability of the model to represent nonlinear effects induced by variable bathymetry, such as the transfer of energy between harmonic components, as well as the accurate representation of dispersive properties, were demonstrated with comparisons to several experimental data sets. A visco-potential flow formulation was also implemented to take into account viscous effects induced by bulk viscosity and bottom friction. This formulation was validated inthe limit of small viscosity for mild slope bathymetries.To represent 2DH wave fields in complex nearshore domains, the model was extended using an unstructured discretization (scattered nodes) in the horizontal plane. The horizontal derivatives were estimated using the RBF-FD (Radial Basis Function - Finite Difference) method, while the spectral approach in the vertical remained unchanged. A series of sensitivity tests were conducted to evaluate numerically the robustness of the RBF-FD method, including a comparison of a variety of RBFs with or without shape factors and augmented polynomials. The 2DH version of the model was used to simulate two wave basin experiments, validating the approach and demonstrating the applicability of this method for 3D wave propagation, including nonlinear effects. As an initial attempt to improve the computational efficiency ofthe model for running simulations of large spatial domains, the code was adapted to use a parallelized direct linear solver

La maîtrise du transfert de nitrates sous les systèmes irrigués est un objectif primordial dans l’agriculture moderne. Celle-ci exige la recherche, surtout en plein champ, de conduire une stratégie optimale de fertigation. Dans ce but, un protocole expérimental sur une parcelle de 2 ha a été mis en oeuvre pour analyser le devenir de l’’azote sous différents scénarios d’irrigation et de fertilisation d’une culture de maïs. Dans l’articulation de ce travail, et pour pouvoir étudier la dynamique de l’azote en systèmes irrigués, nous avons tout d’abord réussi à définir et clarifier la relation ambigüe entre la méthode d’irrigation (irrigation gravitaire, par aspersion ASP, en goutte à goutte de surface GGS ou enterré GGE) et les différentes transformations de l’azote (Fixation, Minéralisation, Immobilisation, Nitrification, Dénitrification et Volatilisation). Cette relation, peu claire et non traitée dans d’autres études similaires, a été étudiée en mettant l’accent sur l’effet de certains facteurs, comme par exemple, l’humidité de sol et sa température, sur l’activité microbienne et donc sur les différentes transformations de l’azote (comme la minéralisation) et ce en mettant en avant la relation directe ou indirecte avec les méthodes d’irrigation. Une différence significative a été observée pour la minéralisation in situ entre les traitements sans aucun apport d’engrais menés sous les deux méthodes d’irrigation GGE et ASP. Une méthode manuelle d’analyse a été ensuite mise au point et validée pour déterminer la concentration en azote dans les échantillons de sol prélevés dans le cadre de ce travail. Cette méthode peu onéreuse pourrait être profitable aux agriculteurs. Les données issues de l’ensemble des traitements ont été utilisées pour modéliser les flux hydriques et azotés à l’aide de modèle HYDRUS-2D pour les systèmes par aspersion et en goutte à goutte enterré. L’analyse de sensibilité aux paramètres liés au transfert de nitrates du modèle de transfert a permis d’estimer la dynamique azotée pour d’autres contextes hydro-pédo-climatiques plus complexes. En conclusion, la présente thèse a permis d’améliorer la connaissance du fonctionnement de la fertigation en irrigation goutte à goutte enterré par comparaison avec l’aspersion, en milieu méditerranéen, en vue d’une diminution des entrants agrochimiques dans un contexte d’économie de la ressource en eau. / The main goal in modern agriculture is the control of nitrogen fluxes in agricultural soils under the irrigation techniques. This objective requires a lot of research, especially in the field, to escort an optimal strategy of fertigation. For this purpose, an experimental protocol has been applied to follow the soil nitrogen fate for various irrigation and fertilization scenarios, during two intensive field campaigns in maize plots. In the articulation of our work, and to be able to examine the nitrogen dynamics in unsaturated agricultural soils under irrigated systems, we succeeded firstly to determine and clarify the ambiguous relation between the irrigation techniques (flood irrigation, sprinkler irrigation, surface and subsurface drip irrigation) and the different nitrogen transformations (Fixation, Mineralization, Immobilization, Nitrification, Denitrification and Volatilization) in agricultural contexts. This relationship, which is unclear and untreated in other similar studies, has been reviewed by studying the impact of certain factors, such as soil moisture and soil temperature under different irrigation techniques, on microbial soil activity and therefore on the nitrogen transformations (such as mineralization). A significant difference of mineralization was observed in maize plots with no fertilizer application treatment between sprinkler irrigation and subsurface drip irrigation. The experimental data collected have been used to analyze the water and nitrogen fluxes for various initial conditions and fertilisation strategies under sprinkler and subsurface drip irrigation by using the HYDRUS-2D model. Analyzing the sensitivity of nitrogen fluxes parameters using HYDRUS-2D allowed to estimate the nitrogen dynamics under more complex agro-pedoclimatic contexts. In conclusion, the present study allowed to improve the fertilization knowledge under both the sprinkler and subsurface drip irrigation in a Mediterranean environment.

Nous étudions la rhéologie d'un ensemble de grains sphériques et frottants, par la simulation numérique, à l'échelle des grains, d'écoulements de cisaillement sous une contrainte normale P contrôlée, en présence d'un liquide interstitiel. En faible teneur, ce liquide se présente sous forme de ménisques intergranulaires qui transmettent des forces capillaires attractives ; s'il sature l'espace intergranulaire, on s'intéresse alors à l'écoulement de Stokes de la suspension dense ainsi constituée, où dominent les forces visqueuses. Les assemblages de grains secs constituent un système de référence aux propriétés mécaniques bien connues, en particulier l'approche de l'état critique de la mécanique des sols dans la limite quasi-statique. L'effet des ménisques capillaires qui joignent les grains en présence d'un liquide en faible saturation (régime pendulaire) est étudié pour les taux de cisaillement allant du régime quasi statique au régime inertiel. La rhéologie est caractérisée par le frottement interne apparent, la compacité de l'assemblage, les différences de contraintes normales et diverses variables internes, fonctions de deux paramètres de contrôle adimensionnés : le nombre inertiel I et la pression réduite P*, qui compare les forces de confinement à l'adhésion dans les contacts. Notre étude concerne les états homogènes, ce qui exclut les états de cisaillement localisés observés à faible P*, de l'ordre de 0,1. Le coefficient de frottement interne augmente de 0.35 (cas sec) à 0.9 environ pour P*=0.4, tandis que la compacité décroît de 0.59 à 0.52. L'important effet des forces capillaires sur la rhéologie, sensible pour des P* de plusieurs unités, est relié à la texture anisotrope des contacts et des ponts liquides. Lorsque P* décroît, nombre de contacts cohésifs sont maintenus pour des intervalles de déformation de plusieurs unités, survivant aux effets de rotation et de cisaillement de l'écoulement, et forment des amas percolants dans le système entier. Les résultats sont modérément sensibles à la saturation dans le régime pendulaire, mais fortement affectés par l'hystérèse de la conformation des ménisques. En présence de forces visqueuses et non plus capillaires, une version simplifiée de la dynamique stokésienne est adoptée dans laquelle les forces de lubrification entre proches voisins, supposées dominantes, sont les seules interactions hydrodynamiques. La rhéologie est fortement influencée par les contacts intergranulaires directes, qu'autorise la coupure à courte distance de la singulérité de lubrification du fait de la rugosité de surface des particules. Le même état critique que celui des grains secs est approché dans la limite quasi-statique. Nous discutons de lois rhéologiques exprimées en fonction du nombre visqueux qui remplace alors le nombre inertiel, et de la divergence de la viscosité effective à l'approche de la compacité critique en écoulement permanent, ou de la compacité maximale des assemblages aléatoires pour les configurations isotropes désordonnées / We numerically simulate the shear flow of dense assemblies of 3D frictional spherical grains under a fixed normal stress P in steady-state, either in the presence of a small amount of an interstitial liquid, which gives rise to capillary menisci and attractive forces, or in the fully saturated state, when the mechanical properties of suspensions in Stokes flow are controlled by hydrodynamic and contact forces. Dry grain assemblies are used as a reference system for which the rheological properties - in particular the approach to the critical state – are rather well known and can be measured with good accuracy. A non-saturating wetting fluid creates capillary attractive intergranular forces, the effects of which on the rheology are investigated in the pendular state, with shear rates ranging from quasistatic to inertial regimes. The system behavior is characterized by the dependence of internal friction coefficient, solid fraction, normal stress differences and internal state parameters on two dimensionless control parameters: the inertial number, I and the reduced pressure, P*, comparing confining forces to contact tensile strength. We focus on steady homogeneous flows, excluding localized flow patterns which we observe to occur for low P* (of order 0.1). The apparent internal friction coefficient increases to 0.9 in the quasistatic limit for P*=0.4, from its dry value 0.35, while solid fraction decreases from 0.59 to 0.52. We relate the significant effect of capillary forces on the macroscopic behavior of the system, up to P* values of several unities, to fabric anisotropy parameters of contact and distant interactions. As P* decreases, many cohesive contacts are observed to survive the tumbling motion associated to the shear flow, and their average age exceeds the reciprocal shear rate. Corresponding clusters of grains with enduring capillary bonds gather a large proportion of grains and percolate through the sample. The results are shown to be moderately sensitive to saturation within the pendular range, yet rather strongly affected by the hysteretic nature of liquid bridges. In the presence of viscous forces, assuming lubrication effects to dominate the hydrodynamic interactions, we adopt a simplified version of the (overdamped) Stokesian dynamics approach, in which hydrodynamic interactions only couple close neighbours. Rheological properties are strongly influenced by direct intergranular contacts and friction, which are permitted due to a very small distance lubrication cutoff modeling surface asperities. The same critical state as in the dry case is approached in the quasistatic limit. We discuss expressions of rheological laws involving the viscous number instead of the inertial number, and the divergence of effective viscosities in steady flow and in isotropic random suspensions as either the critical state or the random close packing solid fraction are approached

L'efficacité de pieux géothermiques (e.g. énergétiques) a été examinée et validée par de nombreuses études à partir de points de vue environnemental et énergétique jusqu'à présent. Néanmoins, la technologie des pieux géothermiques est encore peu connue et rarement appliquée dans la construction, notamment en France comparée à d'autres pays européens. La raison principale du manque d'attention peut être la connaissance limitée sur les impacts du chargement thermomécanique sur le comportement du pieu et celui du sol environnant. Cette thèse vise à étudier les aspects géotechniques des pieux géothermiques grâce aux modélisations physiques et numériques. Un modèle physique est développé afin de mieux connaitre l'interaction sol/pieu sous chargement thermomécanique. Le modèle est composé d'un pieu énergétique équipé des tubes d'échangeur de chaleur, installé dans un sol compacté. Le pieu a d'abord été installé dans un sable sec, puis dans une argile saturée ; il a ensuite été chargé mécaniquement et soumis à des cycles thermiques. L'effet de la charge mécanique, du nombre de cycles thermiques et du type de sol a été étudié. Les résultats montrent la génération de tassements irréversibles au cours des cycles thermiques, dont la quantité augmente avec l'augmentation de la charge en têtes du pieu. La pression totale dans le sol à proximité de la surface du pieu ne change pas par refroidissement et chauffage, tandis que la pression totale au-dessous du pieu augmente progressivement à mesure que les cycles thermiques poursuivent. Les expériences montrent aussi l'évolution des profils de la force axiale avec la température ; la force axiale dans le pieu augmente pendant le refroidissement et diminue pendant l'échauffement. Les comportements au cisaillement du sol (mêmes sols que ceux utilisés dans la première partie) ainsi que de l'interface sol/béton ont été évalués à différentes températures. Pour ce faire, un appareil de cisaillement conventionnel a été équipé d'un système de contrôle de température. Le sol (et l'interface sol/béton) a été soumis à une gamme de contraintes relativement faibles. La consolidation thermique a été effectuée selon un protocole particulier. Il a été observé que l'angle de frottement et la cohésion de matériaux utilisés ne changent pas sensiblement avec température. L'étude numérique a débuté par la simulation d'essais existants dans la littérature sur des pieux énergétiques en appliquant une méthode simplifiée via un code de calcul basé sur la méthode des éléments finis et assez répandu dans la profession. Le changement de la température est simulé en imposant au pieu des déformations volumétriques calculées à partir du coefficient de dilatation thermique du matériau. La méthode prédit correctement le comportement de certains pieux énergétiques à grande échelle en termes de contrainte axiale et de déplacement en tête du pieu. Les résultats mettent en évidence le rôle important joué par le changement de volume du pieu induit par les variations thermiques sur son comportement mécanique. Dans un second temps, un autre code de calcul offrant la possibilité d'inclure les effets thermique a été utilisé pour la modélisation des essais effectués auparavant sur le modèle physique. Ainsi, en comparant aux modélisations numériques précédemment expliquées, le changement de volume du sol induit par les variations de température est également pris en compte. Les résultats numériques et expérimentaux sont ainsi comparés. On en déduit que le modèle numérique est capable de prédire le comportement des pieux sous chargement purement mécanique. En outre, en simulant des essais thermomécaniques, une bonne estimation du transfert thermique dans le sol est obtenue. En ce qui concerne le comportement mécanique du pieu au cours de cycles thermiques, le modèle numérique prédit bien le tassement progressif du pieu. Cependant, en termes de répartition de la force axiale, on obtient des résultats contradictoires / Energy pile efficiency has been tested and validated by numerous studies from environmental and energy-related points of view until now. Nevertheless, energy pile technology is still more or less unknown and rarely applied in construction, especially in France compared to other European countries. The chief reason for this lack of attention might be the limited knowledge of the impact of the coupled thermo-mechanical loading on the behaviour of the pile and that of the surrounding soil. This thesis aims to study the geotechnical aspects of energy piles through physical modelling and some numerical investigations. A physical model is developed in order to better identify the soil/pile interaction under thermo-mechanical loading. The model is made up of a small pile equiped with a heat exchanger loop embedded in compacted soil. The pile was once installed in dry sand and then in saturated clay; it was then loaded mechanically and was subjected to thermal cycles. The effect of mechanical load value, number of thermal cycles and soil type is studied. The results show the appearance of irreversible settlements during thermal cycles, whose quantity increases as the pile head load increases. Total pressure in the soil close to the pile surface does not change by cooling and heating, while total pressure below the pile increases gradually as thermal cycles proceed. This is in accordance with the permanent downward movement of the pile within thermal cycles. Experiments also show the evolution of axial force profiles with temperature, axial force in the pile increases by cooling and decreases by heating. In another part of the experimental work, we focused on the soil/pile interface. The shear behaviour of the soil (the same as the soils used above) and that of the soil/concrete interface was evaluated at different temperatures. To do this, a conventional shear apparatus was equipped with a temperature control system. Soil (and soil/concrete interface) was subjected to a rather low range of stress. Thermal consolidation was performed according to a special protocol. It was observed that the soil friction angle and cohesion do not change considerably relative to temperature. The numerical study was initiated by simulating existing tests in the literature on energy piles through a finite element code well-known to engineers, applying a simplified method. The thermal load was simulated by imposing volumetric strains calculated from the coefficient of thermal expansion of the material on the pile. The method successfully simulates the behaviour of some full-scale energy piles in terms of axial strain and pile head displacement. The results highlight the important role played by the pile thermal volume change on the mechanical behaviour of the energy pile under various thermo-mechanical loadings. In the second stage, another numerical code with the possibility of including temperature effects was used for modelling the tests formerly performed on the physical model. Thus, compared to the first numerical attempts, the soil thermal volume change is also taken into account. The numerical results were compared with the experimental ones obtained from physical modelling. It was deduced that the numerical model could simulate correctly the pile behaviour under purely mechanical loading. Also, simulating thermo-mechanical tests, a good estimation of heat conduction in the soil was achieved numerically. Regarding the mechanical behaviour of the pile under thermal cycles, the numerical model adequately predicts the gradual ratcheting of the pile as observed in the experiments. However in terms of axial force distribution in the pile, the results from numerical modelling are different from the physical one

Les eaux souterraines constituent un des principaux facteurs de contrôle influençant l'activité des glissements de terrain. L'étude hydrogéologique constitue donc une étape incontournable dans la compréhension de leur fonctionnement, en vue de prédire leur déplacement ou d'adapter les solutions d'assainissement. Cependant, les aquifères qui se développent au sein des glissements de terrain sont généralement complexes, et la compréhension de l'hydrogéologie des grands glissements reste encore aujourd'hui une problématique majeure. Dans un contexte climatique extrême de type tropical humide, les glissements du cirque de Salazie (île de La Réunion) constituent des cas d'étude particulièrement porteurs pour l'apport de nouvelles connaissances sur l'hydrogéologie et le fonctionnement des mouvements de terrain de grande ampleur. Pour caractériser ces glissements, une étude pluridisciplinaire associant géologie, hydrochimie, modélisation numérique (globale et déterministe), est mise en œuvre. Sur le secteur nord du cirque de Salazie, l'étude géologique réalisée permet de reconstruire la géométrie de la base d'une instabilité de très grande ampleur, dont le volume est estimé à 370 Mm3. Le glissement de Grand Ilet (175 Mm3) en est la partie la plus active. Les formations volcano-détritiques (brèches) constituant le glissement sont des dépôts d'une ancienne avalanche de débris (> 350 Ma), réactivés localement. Cette étude met également en évidence un régime de déformation extensif associée à l'activité du glissement, favorisant le développement de zones décomprimées subverticales. Au sein des brèches constituant la zone instable, un aquifère continu est identifié. Les écoulements souterrains y sont contrôlés par la géométrie de la base du glissement. Par ailleurs, la nature du couvert végétal en surface, le climat, les propriétés des sols et l'épaisseur de la zone non saturée font que seuls les épisodes pluvieux intenses dont le cumul dépasse 80 mm/ évènement génèrent une recharge de l'aquifère des brèches. Lors de cette recharge, les zones décomprimées favorisent des transferts rapides (< 1 jour) à travers la zone non-saturée, malgré des épaisseurs pouvant atteindre localement 160 mètres. Une infiltration plus lente percole à travers la matrice poreuse des brèches. Pour l'étude de la dynamique des grands glissements dans le cirque de Salazie, l'application de l'outil de modélisation inverse met en évidence que les variations de vitesses de déplacement sont directement reliée aux processus de recharge et de tarissement de la nappe des brèches. Ces modèles s'avèrent particulièrement performants pour prédire les déplacements des grands glissements et comprendre leur fonctionnement. / The landslide activity is commonly controlled by the variation of hydraulic head inside the instable mass. Thus, the hydrogeological study of landslides is an essential step to predict landslide dynamic, and for the remediation choices. However, the aquifers developed in landslide are generally complexes. Actually, the comprehension of landslide hydrogeological functioning is a major problematic, especially for the deep-seated landslides.Under humid tropical climate, the Salazie landslides (Reunion Island) allow to implement an interesting study to characterized deep-seated landslide hydrogeology and functioning. In this study, we performed a multidisciplinary approach, combining geology, hydrochemistry and numerical modeling (global and deterministic);The geological study allows the construction of the deep seated landslide geological model (Grand Ilet sector). The Grand Ilet landslide, corresponding to 175 Mm3, is the most active part of deep seated instability whose the total volume is estimated at 370 Mm3. The volcano-detritic lithologies (i.e basic breccia) constitute the main geological formation of the unstable mass. This breccia is a present-day reactivation of an old destabilization (> 350 Ma). Furthermore, the extensive deformation generated by the landslide activity allows the formation of decompressed zones.Inside breccias, a continuous aquifer is identified. Here, the groundwater flows are controlled by the geometry of the landslide base. Natural land cover, soils properties, unsaturated zone thickness and warm temperature limit the groundwater recharge. Only the intense rainfall episode (80 mm/event) can generated the recharge of landslide aquifer. During these events, rapid transfers circulating inside the decompressed zones have a significant effect on hydraulic charge variations. A slow component is infiltrated inside the porous medium of breccias.The inverse modeling methods with bimodal Gaussian-Exponential transfer function is applied to study the Salazie landslides dynamic. The results show that landslide speed variations are directly controlled by groundwater level variations during the hydrologic cycle (recharge and recession stage). Consequently, the inverse model is a powerful tool for predicting deep-seated landslide movements and for studying how they function.

Les eaux souterraines représentent environ 98% des eaux douces potentiellement disponibles pour l'homme sur notre planète, en faisant donc une ressource fondamentale de nos sociétés. Du fait du changement climatique et du fort lien existant entre le climat et le cycle de l'eau, une préoccupation légitime est née concernant l'impact potentiel de ce changement climatique sur les ressources en eau. À ce jour, des évidences de plus en plus nombreuses appuient le fait que les modifications des conditions climatiques se répercutent sur le cycle hydrologique. L'identification de la sensibilité des eaux souterraines aux variations climatiques est donc devenue indispensable. Or, le climat est un système hautement complexe dont les variations, contrôlées par de nombreux facteurs à la fois naturels et anthropiques s'effectuent sur toutes les échelles de temps. Les modifications climatiques ne sont donc pas un phénomène nouveau, les eaux souterraines ont par conséquent subi dans le passé les effets de ces variations climatiques, elles en subissent actuellement les changements et subiront celles à venir. Les travaux développés dans cette thèse ont abordé cette problématique visant à caractériser la sensibilité de la ressource en souterraine face aux variations climatiques. À l'aide de l'analyse de traceurs environnementaux à l'échelle régionale, les impacts d'évènements climatiques majeurs intervenus sur les derniers millions d'années (transgression marine et période glaciaire) sont mis en évidence au sein du système hydrogéologique actuel. Puis, à l'aide de modélisation hydrogéologique, l'impact du changement climatique est étudié à travers les relations particulières existantes entre l'eau souterraine et les compartiments de surface et l'océan. Toutes ces études mettent en avant la sensibilité de la ressource en eau souterraine aux variations climatiques en termes de qualité (salinisation) et de quantité (baisse des niveaux d'eau). Les ressources hydrogéologiques sont particulièrement sensibles aux variations climatiques et hydrologiques (modifications de recharge, intrusions eau de mer…) ainsi qu'aux facteurs non climatiques (activités humaines). La gestion de cette ressource nécessite donc de considérer à la fois les risques climatiques et non climatiques ainsi que de prendre en compte l'adaptation à long terme de ces systèmes. / Groundwater resources represent approximately 98% of global freshwater resources available for humans on our planet; therefore groundwater is fundamental resource of our societies. Due to climate change and strong link between climate and the cycle of water, an understandable concern is appeared about the potential impacts of climate change on water resources. Nowadays, growing body of evidence supports the fact that changes in climatic conditions (temperature, precipitation, evaporation…) impact the hydrologic cycle and consequently groundwater resources. The identification of groundwater sensibility to climate variations has become essential. The climate is a highly complex system where its variations drive by many factors both natural and human occurs on all time scales. Climatic changes are not a new phenomenon, groundwater resources have already been impacted by effects of climatic variations, are impacting presently and will be in the future. The work carried out under this thesis covered this problematic to characterize the groundwater resources sensibility to climate variations. With the help of environmental tracers analyzed at the regional scale, impacts of major climate events occurred since the last millions years (marine transgression and glacial period) have been identified in the current hydrogeologic system. Then, support by hydrogeological modeling the impact of climate change has been studied through the specific relationships between groundwater and surface water bodies and ocean. All these studies highlight the important sensibility of groundwater resources to climate variations in terms of quality (salinization) and quantity (lower water levels). Hydrogeological resources are particularly sensitive to climate and hydrological variations (recharge changes, seawater intrusion…), as well as to non-climatic factors (human activities). Thus groundwater resources management needs to consider both climatic and non-climatic risks and the long-term adaptation of these systems.

Les zones de cisaillement constituent des objets structuraux communs de la lithosphère. À grande échelle, elles sont le siège principal des déplacements entre plaques tectoniques, accommodant de grandes quantités de déformation. La compréhension de leur comportement mécanique dans le temps et l'espace est donc essentielle pour la connaissance générale de la dynamique de la lithosphère. La température joue un rôle majeur sur la loi de comportement rhéologique qui caractérise le domaine ductile (en profondeur), réduisant alors efficacement la résistance mécanique. Chaque roche possède en outre des propriétés mécaniques intrinsèques qui varient en fonction de sa composition minéralogique, de sa texture et de sa structure interne. Or, en l'absence de grandeurs directement mesurables en profondeur, la rhéologie de la lithosphère demeure sujette à diverses interprétations. Le comportement mécanique des zones de cisaillement est d'autant plus méconnu qu'elles sont le siège d'intenses changements de la nature des roches et de perturbations thermiques majeures. En particulier, l'énergie mécanique qui y est convertie en chaleur (shear heating) peut engendrer une étroite interrelation entre thermique et mécanique. Ce travail de thèse vise à contribuer à la connaissance générale de la rhéologie des zones de cisaillement lithosphérique. Une approche originale a été mise en place, se basant sur l'évolution thermique aux abords et au sein des zones de cisaillement. Sur la base de modèles numériques thermo-cinématiques 2-D et de développements analytiques, la variabilité de premier ordre de l'évolution et de la perturbation thermique est analysée et quantifiée au regard de l'influence des trois processus thermiques majeurs que sont la diffusion, l'advection et le shear heating. Les résultats sont confrontés aux signatures thermiques métamorphiques associées aux chevauchements intra-continentaux pour lesquels les influences des processus d'accrétion et d'érosion sont également examinées. Le cas du Main Central Thrust (Himalaya), associé à une inversion thermique métamorphique bien développée, est pris comme exemple de référence. Nos résultats quantitatifs mettent en avant le rôle crucial du shear heating, notamment de la variabilité de la résistance mécanique des zones de cisaillement. L'accent est mis sur l'importance des paramètres de fluage des roches. L'étude de zones de cisaillement centimétriques développées au sein de la granodiorite du Zillertal (fenêtre des Tauern, Alpes) à la faveur de faibles variations de la composition minéralogique révèle l'extrême sensibilité de la rhéologie des roches ignées représentatives de la croûte continentale. Les conséquences de cette variabilité intense à petite échelle sont finalement discutées au regard des rhéologies classiquement considérées dans les modèles qui s'intéressent aux processus qui régissent la dynamique de la lithosphère. / Shear zones are common structural features in the lithosphere and occur at various scales (from microscopic to lithospheric). At the lithospheric scale, they concentrate most of the relative movements between tectonic plates, and therefore, accommodate a high amount of strain. Consequently, the understanding of both their spatial and temporal mechanical behaviour is crucial for the general knowledge of the lithosphe dynamics. Rheology of rocks, which define their mechanical behaviour, is controlled by physical laws that predict how they deform under some stresses. Temperature plays a major role in the creep-dislocation behaviour, which characterizes the ductile domain (in depth), decreasing efficiently the rock strength. Furthermore, each rock has intrinsic mechanical properties, which depend on its mineralogical composition, texture and internal structures. However, due to the lack of data directly measurable deeper than a few kilometres, the lithosphere rheology, and in particular the continental lithosphere remains subject to drastically different interpretations. The mechanical behaviour of major shear zones is not fully understood, as they are the location of intense changes of both the rock internal nature and major thermal perturbations. Especially, the mechanical energy, converted into heat (shear heating) causes a close interaction between thermal ad mechanical evolutions. This thesis aims to better understand the rheological state of lithospheric scale shear zones. For this purpose, we used an original approach, based on the temperature field evolution around and within such shear zones. From 2D numerical thermo-kinematic models and analytical developments, the first order variability of thermal evolution and perturbation is anal- ysed and quantified with respect to the impact of three major thermal processes, defined as diffusion, advection and shear heating. Results are compared to metamorphic thermal signatures associated to intra-continental thrust zones for which the influence of both accretion and erosion was also investigated. The case of the Main Central Thrust (MCT) in the Himalayas, whose the inverse metamorphic thermal zonation has been extensively studied, was chosen as the main natural analogue. Our quantitative results highlight the crucial role of shear heating, and more particularly of mechanical strength variability within shear zones. We thus emphasise on the importance of rock creep parameters. The study of centimetre-scale shear zones, which developed within the granodiorite of the Zillertal nappe (Tauern window, Tyrol, Alps) thanks to little local variations of the mineralogical composition, reveals the extreme sensitivity of igneous rocks rheology, representative of the continental crust. The consequences of such an intense variability, revealed at small scale are finally discussed with regard to rheologies usually considered in models that focus on processes controlling lithosphere dynamics.

La technologie de la réfrigération magnétique présentée dans ce manuscrit constitue une alternative prometteuse à la technologie de production de froid. Le travail effectué a porté tout d’abord sur une étude de la production de froid magnétique et un état de l’art de cette technologie émergente. Nous nous sommes fixés pour objectif de dimensionner et réaliser un réfrigérateur magnétique qui se présente sous la forme d’un actionneur intégré. Le dimensionnement a été réalisé par le biais d’un modèle à éléments finis. Il s’agit d’un dispositif présentant deux entrefers, dont un suffisamment large pour pouvoir accueillir un régénérateur magnétocalorique au sein duquel la valeur de l’induction est la plus élevée possible tout en offrant un profil d’induction de forme trapézoïdale. La réalisation du démonstrateur sur la base des étudeseffectuées par éléments finis constitue la première étape vers la réalisation d’un réfrigérateur magnétique intégré pouvant être logé dans une automobile. Pour finir, et afin d’améliorer encore les performances de notre dispositif, une optimisation de l’inducteur électromagnétique a été effectuée par le biais d’un modèle à éléments finis couplé à un algorithme d’optimisation. / The magnetic refrigeration technology is a promising alternative technology to the production of cold. The work carried out focuses on the technology of magnetic refrigeration, a state of the art of this emerging technology has also been done. A magnetocaloric regenerator is placed in the air gap of the motor. It is necessary to design a motor with an air gap wide enough and where the induction will be as high as possible in order to insert the magnetocaloric regenerator. The regenerator is a hollow cylinder whose dimensions are adapted to the air gap of the synchronous machine. It is intended to contain the magnetocaloric material. The design of the electric motor is made in order to obtain a maximal variation of induction ΔB in the air gap and a temperature difference ΔT as large as possible, improving the magnetocaloric performance of the prototype. The profile of induction should also be as close as possible to a rectangular signal. The realization of the demonstrator based on the finite element studies is the first step towards the realization of integrated magnetic refrigerator which can be housed in an automobile. Finally, and in order to improve the performance of our device, an optimization of the electromagnetic inductor was carried out with a finite element model coupled to an optimizationalgorithm.

Les composites à matrice céramique ou carbone sont des matériaux de structure pour des applications à haute température. Ils sont constitués d’un renfort fibreux enrobé d’une matrice. Cette dernière est obtenue par infiltration chimique en phase vapeur. Une préforme, fibreuse avec ou sans une première matrice, est placée dans un four dans lequel sont injectés des gaz dit précurseurs. Leur réaction hétérogène avec la préforme est à l’origine de la formation matricielle. Cette thèse a été motivée par la nécessite d’optimiser via une modélisation numérique ce procédé long et couteux.Deux programmes ont dès lors été développés puis validés. Chacun est dédié à une échelle spécifique du matériau : microscopique (fibre) et macroscopique (composite). Ils s’appuient tout deux sur des algorithmes de marche aléatoire et requièrent des représentations tridimensionnelles de la préforme. Dans cette optique, des images tomographiques de préformes de composites C/C et SiC/SiC ont été acquises aux deux échelles souhaitées. Le code propre à l’échelle de la fibre a été utilisé pour déterminer les propriétés géométriques, diffusives et réactives dans plusieurs zones de l’image afférente. Des corrélations entre ces propriétés ont été mises en place puis intégrées dans le code afférent à l’échelle du matériau pour infiltration numérique.Dans le cas des composites C/C, cet outil multi-échelle a été couplé à un modèle chimique permettant d’anticiper, en fonction des conditions opératoires, l’épaisseur ainsi que la microtexture de la matrice déposée. Des prévisions de densification ont également été employées pour qualifier et comparer l’infiltrabilité de plusieurs composites SiC/SiC. / Ceramic matrix composites and carbon fiber reinforced carbon composites are dedicated to high temperature applications. They consist of a stacked fibrous arrangement, woven or not, coated by matrix. Chemical Vapor Infiltration (CVI) is a popular processing route, where a preform (fibers with or without a first matrix) is placed inside a furnace. Precursor gases are then injected, enter the preform and generate matrix formation by heterogeneous chemical reaction. Experimental optimization of CVI is long and costly, triggering the need for a numerical model. The creation of such a tool has been the objective set for this thesis.Two programs were first developed and validated. Each is linked to a specific material scale: microscopic (fiber scale) and macroscopic (composite scale). Both are based on a random walk algorithm and require three-dimensional representations of the preform. X-ray tomography scans of C/C and SiC/SiC composite preforms were performed at the desired scales. The fiber scale program was used for computation of geometrical, diffusive and reactive properties in several regions of the relevant image. Correlations between these properties are created and inserted into the composite scale program for numerical infiltration.In the case of C/C composites, this multi-scale tool was coupled to a chemical model for anticipation, under various operating conditions, of matrix thickness and microtexture. Densification previsions on different SiC/SiC composites enabled their direct measure and comparison of their infiltrability.

Ce travail de thèse apporte des éléments en vue d’une meilleure compréhension de la circulation et des processus de dispersion associés aux vagues à proximité des plages. Un outil de modélisation numérique opérationnelle a été développé, fondé sur le modèle spectral d’état de mer WAVEWATCH III R et le modèle hydrodynamique 3-D MOHID Water. Le code MOHID a été étendu à l’approche glm2z pour la représentation des interactions 3-D vagues-courant. Les développements théoriques permettant l’obtention des équations glm2z sont rassemblés et détaillés dans ce travail. L’implémentation de ces équations au sein de l’outil de modélisation est exposée. L’outil construit est validé sur deux cas académiques, où est mise en évidence sa capacité à reproduire la solution fournie par des modèles numériques de référence. Par la suite, la modélisation est combinée à des observations in situ pour étudier deux sites de la côte Sud Atlantique française. Ces sites correspondent à des configurations littorales complexes, associant une influence significative des vagues et une stratification haline notable de la colonne d’eau. La confrontation des résultats du calcul 3-D aux mesures fournit des résultats encourageants et apporte des éléments utiles pour la compréhension de la variabilité des courants et des profils de salinité observés. Une baie estuarienne semi-fermée est tout d’abord étudiée. La modélisation y suggère un effet significatif des vagues sur la dispersion des panaches estuariens, susceptible d’impacter la vidange globale de la baie à l’échelle d’un épisode de précipitations. Le second site d’application permet l’étude de la circulation intense induite par les vagues au-dessus d’un système barre/chenal, ainsi que la dispersion des eaux douces introduites par une rivière dans la zone de déferlement. Ce travail fournit finalement un outil de modélisation 3-D pour l’étude de la circulation et du transport sous l’effet de l’ensemble des forçages littoraux. / This work aimed at providing a better understanding of nearshore circulation and dispersion processes under the effect of waves. An operational numerical modeling tool was developed, based on the spectral wave model WAVEWATCH III R and the 3-D hydrodynamical model MOHID Water. The MOHID implementation was extended to the glm2z approach for 3-D wave-current interactions. Theoretical developments leading to glm2z equations are gathered and detailed in the present work. The numerical implementation of glm2z equations is described. The model is validated in academic cases, in which the obtained solution is shown to be consistent with that provided by reference numerical models. Both numerical modeling and in situ measurements are then used to study two nearshore environments, located on the French South Atlantic coast. These complex areas combine a significant effect of waves on dynamics and remarkable salinity stratification. Comparison of 3-D model results with field data are encouraging and offers interesting insights for current and salinity profile variability. Dynamics of a semi-enclosed estuarine bay is first studied. Modeling results suggest that waves may have a significant impact on river plumes, leading to a reduction of the global bay flushing during a raining event. The second study site allows the investigation of the intense circulation generated by waves over a ridge and runnel system, and the dispersion of reshwaters introduced in the surfzone by a small river. Finally, this work provides a 3-D numerical modeling tool for the study of the circulation and related transports under the effects of nearshore forcings.