La composition chimique atmosphérique dépend principalement des émissions de polluants, de leurs précurseurs et de la météorologie. Les stratégies de gestion de la qualité de l’air ambitionnent des réductions substantielles d’émissions à long terme. Mais il est légitime d’évaluer si l’impact du changement climatique pourrait compenser ces efforts.Afin de répondre à cette problématique, on a recours à la modélisation qui permet de faire des projections à long terme, sous différents scénarios de sensibilité pour isoler les principaux facteurs. Se pose alors le problème des incertitudes dans la modélisation. L’approche privilégié pour les études d’impact du climat est la modélisation ensembliste. Cependant du fait de l'important coût de calcul, on constate qu’aucune étude passée d’impact du climat sur la qualité de l’air ne repose sur un ensemble large de projections climatiques. C’est pourquoi, nous avons développé une méthode statistique alternative, entraînée sur des grands ensembles de simulation, pour caractériser l'impact des émissions et de la météorologie sur la qualité de l'air dans un contexte de changement climatique.Nous avons montré qu'un modèle statistique permettait d'obtenir des réponses sur l'impact du climat sans forcément avoir à réaliser explicitement des modélisations d'ensemble. La méthode développée donne des résultats avec une incertitude faible sur le long terme, même si nous avons montré ses limites lorsqu'il s'agit de traiter des cas de pollution extrêmes.Afin de quantifier l'erreur induite par les données climatiques des modèles actuellement conservées de manière partielle, nous avons réalisé une étude de sensibilité à la résolution verticale des modèles climatiques régionaux. Nous avons montré qu'un minimum de dix niveaux verticaux, ainsi que des variables supplémentaires à l'existant étaient indispensables si l'on voulait que l'erreur de simulation reste inférieure au signal climatique étudié.Enfin, nous avons utilisé le modèle statistique pour confronter l’impact du changement climatique aux réductions d'émissions anthropiques attendues à l’avenir. Les résultats ont permis de mettre en évidence que le bénéfice climatique pour les particules fines, PM2.5, était du même ordre de grandeur que les baisses réalisées dans le secteur le plus influent de chaque pays étudié. Ces baisses d'émissions vont donc être renforcées par le changement climatique. Au contraire, pour le SOMO35, la pénalité climatique va contrebalancer les efforts de réductions d'émissions réalisés entre 2050 et 2010. Pour les pays analysés, on peut estimer la date approximative de l’émergence du signal induit par le changement climatique malgré la réduction des émissions attendue dans la législation actuelle. / The atmospheric composition is mainly driven by the emission of primary pollutants and precursors and meteorology. Because of its sensitivity to unfavorable weather patterns, air pollution is expected to be sensitive to climate change. That is why the aim of this work is to estimate the effect of climate change over air pollution in Europe at the end of the century. To achieve this we rely on modeling which allow to cover such timescales. To reduce uncertainties and quantify the effect of climate change on air quality, ensemble approaches should be applied. However, the computing cost of such methods is substantial. To overcome this issue we developed a statistical method which does not require forcing a chemistry and transport model with a large ensemble of climate projections. The results obtained with this statistical method are in good agreement with full chemistry-transport models when considering long time periods. But we point out the limits of the method when focusing on extreme pollution events. The statistical model can be used to assess the uncertainty of using a comprehensive ensemble of climate forcing in terms of air quality impacts. The statistical approach can also help identifying a subset of climate forcing that should be explored in priority to drive chemistry-transport models.Such a subset of climate models is however only available at a degraded vertical resolution on existing databases such as EuroCordex. To quantify the error induced when using a meteorological variables only saved for a few vertical levels, a sensitivity study focused on the impact of the vertical resolution of the meteorological data has been perfomed. We emphasized that a minimum of 10 vertical levels and some specific variables were required to study the impact of climate change on air quality to keep the error lower than the climate change signal.Finally, we use the statistical method to compare the climate change effect and the future emissions reduction impact estimated also with a surrogate model. We exhibit that the magnitude of climate benefit for PM2.5 will be comparable to the emissions reductions of the dominant sector in each country studied. These emissions decreases will therefore be reinforced the climate change. On the opposite, for SOMO35, the climate penalty will jeopardize the emission reductions between 2010 and 2050. We also evaluate that climate change will become more important than the expected reduction emissions signal.

L'objet de cette recherche porte sur une ligne à grande vitesse appelée à desservir la Région Provence-Alpes-Côte d'Azur à l'horizon 2020. La LGV PACA est une infrastructure programmée mais qui n'en est qu'au stade de projet non encore réalisé, c'est pourquoi notre objectif est de proposer des scénarios visant à mesurer les incidences sur l'évolution du territoire transfrontalier franco-italo-monégasque, à partir de la démarche de géoprospective territoriale. Cette approche méthodologique repose ici sur une modélisation spatiale basée sur un modèle d'automate cellulaire contraint du nom de MOLAND. L'application de MOLAND a permis de procéder à une modélisation intégrant transport et usage des sols, ce qui a pour avantage de faciliter la compréhension de l'évolution actuelle et possible du comportement de l'occupation des sols au sein des espaces limitrophes de la frontière. Trois grandes parties sont proposées dans cette thèse. Il est suggéré dans la première partie un cadrage méthodologique portant sur l'interdépendance existante et pouvant exister entre le système territorial et le sous-système des transports. Dans la deuxième partie, nous abordons la problématique de la modélisation et de la simulation spatiale en insistant sur la difficulté du paramétrage des modèles dynamiques et spatialement explicites et notamment sur le paramétrage des modèles basés sur les automates cellulaires contraints. Dans la troisième et dernière partie de cette thèse, c'est la difficulté de l'exercice géoprospectif encore méconnu qui est mise en avant. À partir de différents scénarios géoprospectifs, cette thèse fournit des éléments de connaissance quant à l'avenir possible d'un espace transfrontalier qui s'apprête à accueillir la grande vitesse ferroviaire. Elle apporte des réponses concrètes aux questions liées à la croissance urbaine et à l'accessibilité des territoires jusque-là isolés des grands couloirs européens de communication. Les résultats de cette recherche sont plus que jamais d'actualité car, dans le cadre de l'aide à la connaissance du territoire et de l'aide à la décision, ils permettent de se pencher sur un volet ignoré jusqu'à présent par les études menées par le maître d'ouvrage RFF (Réseau Ferré de France) : la prise en compte simultanée de l'infrastructure de transport et de l'occupation des sols pour l'appréhension et la compréhension des dynamiques d'un territoire en devenir. La prise en compte de l'occupation des sols dans la modélisation géoprospective par automates cellulaires permet au géographe de poser les bonnes questions à partir d'une entrée territoriale. RFF a récemment lancé de nouvelles études sur l'opportunité qu'offre l'infrastructure grande vitesse ferroviaire pour améliorer la desserte de la Région PACA. En permettant de mesurer les impacts nationaux de cette infrastructure sur ce territoire transfrontalier, les simulations réalisées constituent une aide à la décision utile et indispensable.

Dans un contexte de mobilité durable, le vélo en libre-service (VLS) représente un élément important dans les politiques de mobilité urbaine pour favoriser les modes doux dans le centre urbain. Son développement rapide dans le monde nécessite des recherches pour mieux comprendre le succès de ce mode de déplacement. Notre contribution à travers cette recherche est d’analyser les éléments socio-économiques importants ainsi que les caractéristiques du système VLS qui influent son usage pour construire des modèles de prédiction de la demande en VLS. Partant de l’hypothèse que les éléments socio-économiques autour des stations de VLS constituent des facteurs qualitativement et quantitativement explicatifs pour l’usage du VLS, notre démarche de recherche repose d’abord sur une analyse statistique, temporelle et spatiale des éléments explicatifs du système VLS pour ensuite les quantifier. Ces éléments sont utilisés pour modéliser la génération de la demande journalière en VLS par la méthode de régression linéaire multiple. Les modèles estimant les flux entrants et sortants journaliers en VLS ont été développés. Ils sont basés sur l’environnement socio-économique autour des stations et des variables d’offre de VLS. Ces modèles sont utiles pour comprendre le fonctionnement du système VLS, l’améliorer et estimer la demande des nouvelles stations dans une perspective d’élargissement d’un système VLS existant. Les modèles développés peuvent être également utilisés pour la localisation et le dimensionnement des stations d’un nouveau système VLS. La démarche de détermination, de quantification des variables explicatives et de modélisation forment un cadre de travail pour modéliser la demande d’autres modes de déplacement partagés. / In a context of sustainable transport, the bike sharing is an important factor in the policies to promote soft modes of transport in the urban center. Its rapid development in the world requires a need to deepen the usage of this mode of travel. Our contribution through this research is to analyze the important built-environment factors and the characteristics of bike sharing system that influence the use of bike sharing in order to build predictive models of demand for bike sharing. Assuming that socio-economic elements around the bike sharing stations are qualitatively and quantitatively explanatory for the use of bike sharing, our approach are based primarily on statistical analysis of temporal and spatial elements explaining bike sharing usage in order to determine and quantify the important built-environment variables. These variables are then used to model the generation of the daily demand of bike sharing using multiple linear regression method. The models estimating inflows and outflows of bike sharing using socioeconomic variables determined in a buffer area of each station are built. These models are useful for estimating the demand for new stations in an enlargement perspective of an existing bike sharing system or location and sizing of a new bike sharing system. The similar process of determination, quantification of the explanatory variables and modelling can be used to form a framework to predict the demand of other vehicle sharing systems.

La biodétérioration du béton, très courante dans les systèmes d'égouts et de traitement des eaux usées, entraîne une dégradation significative de la structure. Normalement, le processus peut être décrit par les deux étapes suivantes : 1) Des réactions biochimiques produisent des espèces agressives dans les biofilms qui tapissent la surface du béton. L'un des plus importants acides biogéniques que l'on trouve dans les canalisations d'égout est l'acide sulfurique (H2 SO4 ) que est produit par des bactéries sulfo-oxydante (BSO)à partir de l'hydrogène sulfuré (H2 S). 2) Les réactions chimiques entre les espèces agressives biogéniques et les produits d'hydratation du ciment sont responsables de la détérioration du béton. Un modèle de transport réactif est proposé afin de simuler les processus des détériorations chimique et biochimique des matériaux cimentaires en contact avec les BSO et le H2 S ou une solution d'acide sulfurique. L'objectif de ce modèle est de résoudre simultanément le transport et la biochimie / chimie dans les biofilms et les matériaux cimentaires par une approche globale couplée. Afin de fournir un environnement approprié pour la croissance des BSO, la neutralisation de la surface du béton (i.e., l'absorption de H2 S et la corrosion aqueuse de H2 SO4 ) est considérée. Pour obtenir la quantité de H2 SO4 biogénique, la bio-oxydation du H2 S par l'activation des bactéries est simulée par un modèle simplifié. Puis, pour alimenter un environnement convenable pour la croissance des BSO, la réduction abiotique du pH du béton est introduite. Le taux de production de H2 SO4 est régi par la valeur du pH dans les biofilms et la quantité de H2 S dans le gaz. On fait l'hypothèse que tous les processus chimiques sont en équilibre thermodynamique. La dissolution de la portlandite (CH) et du silicate de calcium hydratés (C-S-H), ainsi que la précipitation de gypse (CSH2) et du sulfure de calcium sont décrites par la loi d'action de masse et le seuil des produits d'activité ionique. Pour prendre en compte la décroissante continue du rapport Ca/Si lors de la dissolution de la C-S-H, une généralisation de la loi d'action de masse est appliquée. En simplifiant le processus de précipitation du gypse, un modèle d'endommagement est introduit pour caractériser la détérioration du béton due au gonflement du gypse. Ainsi, l'évolution de la porosité et de la profondeur de la détérioration pendant le processus de dégradation sont pris en compte. Seule la diffusion des espèces aqueuses est considérée. Différents coefficients de diffusion sont utilisés pour divers ions et l'équation de Nernst-Planck est implémentée. L'effet, pendant la détérioration, de la modification de la microstructure sur les propriétés de transport est aussi considéré. Pour les biofilms et les matériaux cimentaires, les équations d'équilibre de masse totale de chaque atome (Ca, Si, S, K, Cl) sont utilisées pour coupler les équations de transport et les réactions (bio) chimiques. Le modèle est implémenté dans un code volumes finis, Bil. Grâce à l'introduction de la méthode des volumes finis, on illustre le couplage du processus bio-chimie dans les biofilms et le processus de la chimiedes matériaux cimentaires. Par ce modèle, certaines expériences rapportées dans la littérature, dont des tests d'immersion chimiques (condition de la solution statique et condition de la solution d'écoulement) et des simulations microbiologiques, sont simulées. Les résultats numériques et les observations expérimentales sont comparés et discutés. L'influence des propriétés des matériaux cimentaires (porosité initiale, couche carbonatée, etc.) et les facteurs d'environnement (concentration de H2 SO4 quantité de H2 S etc) sont aussi étudiés par ce modèle. En outre, une prédiction à long terme est menée / Bio-deterioration of concrete, which is very common in sewer system and waste water treatment plant, results in significant structure degradation. Normally, the process can be described by the two following parts: 1) Biochemistry reactions producing biogenic aggressive species in biofilms which are spread on the surface of concrete. As one of the most significant biogenic acid in sewer pipes, sulfuric acid (H2SO4) is produced by sulfur oxidizing bacteria (SOB). 2) Chemical reactions between biogenic aggressive species and cement hydration products which is responsible for concrete deterioration. A reactive transport model is proposed to simulate the bio-chemical and chemical deterioration processes of cementitious materials in contact with SOB and H2S or sulfuric acid solution. This model aims at solving simultaneously transport and biochemistry/chemistry in biofilms and cementitious materials by a global coupled approach. To provide an appropriate environment for SOB to grow, the surface neutralization of concrete (i.e., the absorption of H2S and aqueous H2S corrosion) is considered. To obtain the amount of biogenic H2SO4, the bio-oxidation of H2S by the activation of bacteria is simulated via a simplified model. To provide a suitable environment for SOB to grow, the abiotic pH reduction of concrete process is introduced. The production rate of H2SO4 is governed by the pH in the biofilms and the content of H2S in gas.It is assumed that all chemical processes are in thermodynamical equilibrium. The dissolution of portlandite (CH) and calcium silicate hydrates (C-S-H) and the precipitation of gypsum (C¯S H2) and calcium sulfide are described by mass action law and threshold of ion activity products. To take into account the continuous decrease of the Ca/Si ratio during the dissolution of C-S-H a generalization of the mass action law is applied. By simplifying the precipitation process of gypsum, a damage model is introduced to characterize the deterioration of concrete due to the swelling of gypsum. Thus, the porosity evolution and deterioration depth during deterioration process are taken into account. Only diffusion of aqueous species are considered. Different diffusion coefficients are employed for various ions and Nernst-Planck equation was implemented. The effect of the microstructure change during deterioration on transport properties is considered as well. For both biofilms and cementitious materials, the balance equations of total mass of each atom (Ca, Si, S, K, Cl) are used to couple transport equations and (bio-)chemical reactions. The model is implemented within a finite-volume code, Bil. Following the introduction of principle of the finite volume method, the coupling of the bio-chemistry process in biofilms and chemistry process in cementitious materials is illustrated. By this model, some experiments reported in literature, including chemical immersion tests (statical solution condition and flow solution condition) and microbiological simulation tests, are simulated. The numerical results and the experimental observations are compared and discussed. The influence of properties of cementitious materials (initial porosity, carbonated layer, etc.) and environmental factors (concentration of H2SO4, content of H2S, etc.) are investigated by this model as well. Furthermore, a long term predictionis conducted

Cette thèse concerne l'étude théorique et expérimentale des limitations de la puissance de sortie des lasers à cascade quantique (LCQ). Nous y exposons une modélisation globale de leurs propriétés électro-optiques. Le fonctionnement du laser est décrit en incluant la structure électronique, les mécanismes de diffusion responsables des transitions non radiatives des électrons et le couplage électron- photon de la cavité. Ce modèle nous a permis de reproduire avec succès l'ensemble des caractéristiques (courant et puissance optique en fonction de la tension appliquée) d'un LCQ sur un large domaine de température de fonctionnement. Dans un premier temps, ce modèle a été utilisé pour le calcul de la température électronique dans les LCQ. Il en ressort que la diffusion par des phonons-LO est le seul mécanisme avec lequel le gaz d'électrons peut transférer son énergie vers le réseau. Les mécanismes élastiques de diffusion sont des sources d'énergie pour le gaz d'électrons. Deux paramètres physiques permettent de décrire complètement le comportement de la température électronique dans le composant : la résistance thermique électronique de l'hétérostructure et le coefficient de couplage courant température électronique. Ensuite, l'étude du couplage des électrons avec les photons de la cavité montre que ce couplage peut modifier notablement la distribution électronique sur les niveaux énergétiques. Le gain de la zone active du laser diminue avec la densité de photons. Cet effet appelé saturation de gain joue un rôle important sur les performances des LCQ. La minimisation de cet effet peut augmenter la puissance maximale de sortie du laser d'un facteur deux. Cette étude nous a permis de proposer de nouveaux dessins de zone active ayant des performances améliorées. La fabrication de certaines de ces structures a permis de valider l'approche que nous avons suivie pour améliorer les performances de ce type de laser.

La planification urbaine stratégique en France se voit chargée de manière croissante des questions environnementale et climatique. Mais est-elle réellement capable d'infléchir les dynamiques d'étalement ainsi que de former un cadre efficace pour la réduction des émissions des transports ? Et que peuvent apporter l'analyse économique et la simulation prospective à la démarche de planification ? Pour y répondre nous avons replacé notre analyse de l'apport des outils économiques à la planification urbaine dans la perspective d'ensemble de réforme politique et administrative du contexte français. Cela a pris la forme d'une analyse critique de la pratique actuelle de la planification, des évolutions à l'œuvre et des conditions d'une meilleure intégration de l'analyse économique dans la démarche et les méthodes de planification. Nous avons construit et utilisé sur le cas de Grenoble, des outils d'analyse économique permettant de traiter la question des politiques climatiques locales dans la planification, d'une manière prospective et systémique. Il s'agit de la 1ère application du modèle de simulation urbanisme-transport TRANUS en France, et de son utilisation dans le cadre d'une méthodologie économique pour produire des courbes de coût d'abattement intégrant le caractère systémique de la ville pour le secteur des transports. Le modèle et la méthodologie économique qui lui est adossée constituent ce que nous appelons l'outil TRANUS+. Nous avons également réinterrogé plusieurs points à partir du cadre de la planification urbaine : la question du choix des outils de modélisation ainsi que celle des modalités du calcul économique, la question de la vulnérabilité énergétique liée à la mobilité, celle enfin du déploiement des véhicules électriques. Cela nous permet d'avoir une vision d'ensemble des apports de la planification et des voies pour la renforcer.

La planification urbaine stratégique en France se voit chargée de manière croissante des questions environnementale et climatique. Mais est-elle réellement capable d'infléchir les dynamiques d'étalement ainsi que de former un cadre efficace pour la réduction des émissions des transports ? Et que peuvent apporter l'analyse économique et la simulation prospective à la démarche de planification ? Pour y répondre nous avons replacé notre analyse de l'apport des outils économiques à la planification urbaine dans la perspective d'ensemble de réforme politique et administrative du contexte français. Cela a pris la forme d'une analyse critique de la pratique actuelle de la planification, des évolutions à l'œuvre et des conditions d'une meilleure intégration de l'analyse économique dans la démarche et les méthodes de planification. Nous avons construit et utilisé sur le cas de Grenoble, des outils d'analyse économique permettant de traiter la question des politiques climatiques locales dans la planification, d'une manière prospective et systémique. Il s'agit de la 1ère application du modèle de simulation urbanisme-transport TRANUS en France, et de son utilisation dans le cadre d'une méthodologie économique pour produire des courbes de coût d'abattement intégrant le caractère systémique de la ville pour le secteur des transports. Le modèle et la méthodologie économique qui lui est adossée constituent ce que nous appelons l'outil TRANUS+. Nous avons également réinterrogé plusieurs points à partir du cadre de la planification urbaine : la question du choix des outils de modélisation ainsi que celle des modalités du calcul économique, la question de la vulnérabilité énergétique liée à la mobilité, celle enfin du déploiement des véhicules électriques. Cela nous permet d'avoir une vision d'ensemble des apports de la planification et des voies pour la renforcer. / Strategic spatial planning in France is currently given a rising importance for environmental and climate issues. But is this tool really able to reduce urban sprawl and to produce a efficient framework for reducing transport emissions? And what can be the potential contributions to planning of economic analysis and prospective modelling? To answer this, we developed our study on the contribution of economic tools to planning into the global political and administrative reforms of France. We then produced a critical analysis of current planning practices and recent evolutions, and try to define the conditions for a better integration of economic analysis into planning processes and methods. For our case study (Grenoble urban area) we built and used economic tools able to inform local climate policies in the framework of urban planning. It is the first implementation of the land -use transport interaction model TRANUS in France, which was linked to an original economic methodology in order to produce marginal abatment cost curves useful at the urban level. This model and the methodology can take into account the systemic nature of cities and then help to define better transport policies: we call this tool TRANUS+. To have a more complete view of the urban planning question and the way to improve it, we investigated several issues from the perspective of planning: the choice of modelling tool and the role of cost-benefit analysis, energy poverty in the transport sector, electric vehicle deployement.