Les préoccupations de la population mondiale à l’égard des problèmes de pollution des cours d’eau et de l’environnement en général datent de longtemps et ne cessent de prendre de plus en plus d’ampleur dans le monde actuel. Bien que plusieurs recherches aient été menées en vue [de] cerner la problématique, Santé Canada et l’U.S. EPA (United States Environment Protection Agency) ont souligné le besoin de surveiller les polluants émergents, dans les effluents et les boues d'épuration des eaux usées, dans les lixiviats de sites d'enfouissement et dans les eaux réceptrices situées en aval des stations d’épuration des eaux usées (STEP). C'est dans cette optique que l’étude présente, qui vise à simuler le transport in situ de polluants émergents et de métaux traces dans un cours d’eau, en aval de l’exutoire d'une STEP municipale à l’aide du modèle hydrodynamique-environnemental Delft3D, a été élaborée. L'étude porte spécifiquement sur le plastifiant bisphénol A (BPA), 22 molécules pharmaceutiques et 6 métaux traces (Cu, Pb, Mn, Mo, V, Fe). Les données requises pour caler et valider le modèle hydrodynamique ont été mesurées in situ dans le bief étudié de la rivière Coaticook (Qc, Canada). Quant aux concentrations des substances visées requises pour la modélisation de qualité, elles ont été analysées à l’aide d’un Ultra Performance Liquid Chromatography couplé à un spectromètre de masse en tandem (UPLC/MS-MS) pour le cas du BPA et des pharmaceutiques et d’un Induced Coupled Plasma couplé à un spectromètre de masse (ICP/MS) pour le cas des métaux traces. Dans le cas du BPA et des molécules pharmaceutiques, les concentrations dans les échantillons de l’effluent de la STEP, de l’eau de surface et des sédiments étaient inférieures à leurs limites de quantification (évaluées respectivement à 3.5ppb et 10ppt). Seul l’ibuprofène a été retrouvé avec une concentration de 10ppt dans l’effluent de la STEP. Pour ce qui est des métaux traces, les concentrations respectives du Mn, V et Fe étaient de 12.9ppb, 0.15ppb et 1303ppb dans l’effluent de la STEP et de 3.3±0.6ppb, 0.06±0.04ppb, 381±65ppb dans l’eau de surface. Les concentrations du Pb et du Mo dans l’effluent et dans l’eau de surface se sont avérés inférieures à leurs LDQ. Dans les sédiments, seuls le Mn et le Fe ont été retrouvés avec des concentrations de 2261+ 967 mg/kg et de 15664+ 6040 mg/kg respectivement. Ainsi, seul le Fe et le Mn se sont avérés problématique pour la modélisation de qualité vu que les résultats d’analyse des autres substances étaient soit peu pertinents, soit en dessous des LDQ ou soit inférieurs aux critères de qualité des sédiments d'Environnement Canada et du MDDEFP. Les résultats de la modélisation ont montré qu’il existe une bonne concordance entre les résultats de modélisation de qualité et ceux observés in situ. Les erreurs relatives moyennes dans le bief étudié ont été évaluées à 27.3% (r² = 0.7) pour les hauteurs d’eau et 32.5% (r² = 0.66) pour les vitesses moyennes lors de la modélisation hydrodynamique et à 7.4 % (R² = 0.95) et de 16.10 % (R² = 0.88) respectivement sur les concentrations de Mn dans l’eau de surface et dans les sédiments lors de la modélisation de la qualité de l’eau.

L'objectif de cette thèse est de déterminer des caractéristiques générales du comportement de la sensibilité dans la modélisation hydrodynamique des écoulements en milieu karstique. Nous étudions l'influence des spécificités du milieu karstique (forte hétérogénéité de structure, dualité de l'écoulement, forte non-linéarité de fonctionnement) sur la propagation de la sensibilité en vue de déterminer des règles générales pour la calibration. En particulier, nous essayons de répondre aux questions suivantes: (i) la calibration est-elle possible ? (ii) la calibration est-elle robuste ? (iii) est-il possible de réduire l'équifinalité via une calibration multi-objectif ou multi-variable ? L'analyse est menée pour le cas d'une modélisation conceptuelle globale et pour celui d'une modélisation hybride distribuée. Cette contribution met en évidence le potentiel des méthodes locales d'analyse de sensibilité. En dépit des limitations inhérentes à cette approche (approximation locale), l'analyse locale permet une compréhension fine du fonctionnement du modèle, pour un coût de calcul réduit. Par ailleurs, cet travail souligne l'intérêt d'une calibration multi-variable par rapport à une calibration multi-objectif, dans une optique de réduction de l'équifinalité.

Ce mémoire de thèse porte sur la modélisation dynamique et la commande en poussée des propulseurs navals. Un état de l'art de la modélisation des propulseurs électriques est d'abord présenté. Un modèle quasi-statique de propulseur est étudié et identifié expérimentalement en employant le bassin d'essais du Laboratoire IREENA. La nécessité d'un modèle dynamique d'hélice plus précis est mise en évidence. Deux approches sont alors envisagées. La première consiste à modéliser physiquement une hélice marine. Les théories des moments et la théorie des éléments de pale sont rappelées, puis la théorie dynamique du moment linéaire des hélices, développée dans un cadre rigoureux, est exposée. Un modèle dynamique d'hélice est déduit de cette dernière théorie et est étudié. La modélisation dynamique de l'hélice est ensuite envisagée par une approche fréquentielle, mieux adaptée à la commande. Des méthodes d'identification sans mesure hydrodynamique sont proposées et validées expérimentalement. La commande en poussée des propulseurs est abordée dans la dernière partie. Des méthodes de commande existantes sont brièvement étudiées et testées expérimentalement. Les tests réalisés mettent en évidence la nécessité de disposer d'une méthode de commande plus robuste vis-à-vis de la ventilation de l'hélice, qui occasionne des pertes de poussée importantes. Une nouvelle loi de commande, s'appuyant sur un observateur du couple hydrodynamique et sur le modèle dynamique de l'hélice, est finalement proposée. Des résultats expérimentaux, attestant la précision de la commande proposée, sont présentés.

La gestion durable des aquifères est une problématique grandissante depuis la fin du 20ème siècle. L'exploitation d’une ressource en eau souterraine est qualifiée de durable lorsque la capture des flux environnementaux est considérée comme acceptable sur le long terme. La modélisation hydrodynamique s'impose comme un outil indispensable pour remplacer une gestion réactive par une approche anticipative. Les paramètres hydrodynamiques qui caractérisent un aquifère et contrôlent les variables de sorties des modèles hydrodynamiques sont souvent mal connus. L’estimation de ces paramètres par la modélisation inverse souffre de la non-unicité de la solution optimale. Une approche simplifiée pour la quantification des incertitudes (analyse linéaire) est présentée comme une alternative pragmatique à des méthodes stochastiques inapplicables pour des modèles opérationnels. A partir de la réalisation d’une station expérimentale pilote, différentes méthodes (parfois complémentaires) ont été évaluées pour contraindre la recharge météorique et les propriétés hydrauliques d’un aquifère afin de réduire l’incertitude prédictive. La réalisation d’un modèle vertical couplé sol-surface a permis de démontrer que, dans le contexte étudié, la tension matricielle apporte suffisamment d’informations afin de contraindre la recharge prédite. Une interprétation conjointe d’un essai de nappe libre et des fluctuations piézométriques a permis une estimation intégrée de la recharge et des paramètres hydrodynamiques de la nappe libre. Ce travail de thèse a ainsi permis (i) de démontrer l’intérêt de disposer de méthodes algorithmiques pour la calibration et la quantification des incertitudes paramétriques pour un modèle hydrodynamique de gestion ; (ii) de mener une réflexion méthodologique sur l’utilisation de méthodes existantes afin d’apporter de l’information complémentaire fiable sur les paramètres hydrodynamiques ainsi que sur la recharge météorique. Ce travail offre des perspectives quant à la mise en place d’un réseau de suivi complet à l’échelle d’un bassin hydrogéologique. / The sustainable management of aquifers is a growing problem since the end of the 20th century. For groundwater withdrawals to be considered as sustainable, the capture of environmental flow should remain acceptable over a long-term period. Groundwater modeling is an essential tool to move from a reactive management to an anticipatory approach. Hydrodynamic parameters characterizing the aquifers are often poorly constrained by prior information or history matching. The estimation of these parameters by inverse modeling suffers from the non-uniqueness of the solution. This is an issue when predicted values by groundwater model are used to define legal frameworks. A simplified approach for the quantification of uncertainties (linear analysis) is presented as a pragmatic alternative to stochastic methods that cannot be applied to operational groundwater management models. The implementation of a pilot experimental station brings possibility to evaluate different approaches for the estimate of groundwater recharge and hydrodynamic parameters estimation in order to reduce the uncertainty of groundwater management models. A 1D coupled soil-surface model was used to demonstrate that, in the studied context, matrix potential measurements alone appear as sufficient to constrain coupled model-based estimates of recharge. In addition, a joint interpretation of an unconfined aquifer-test and water table fluctuations has been conducted. Reliable estimates of groundwater recharge can be obtained from water level records when considering long recharge events and a consistent value of drainable porosity. This thesis highlights (i) the necessity to use algorithmic methods for parameters estimation and uncertainty quantification for a groundwater management model; (ii) the interest of different methods to collect reliable hydrodynamic parameters and groundwater recharge estimation. This work can be used to support a monitoring network for parameters estimation at a basin scale.

Les karsts sont l'une des formations aquifères les plus présentes au monde. Exploités, ils fournissent de l'eau potable pour près de 25% de la population mondiale. Cependant la forte hétérogénéité de leur structure implique un comportement non-linéaire et les rendent particulièrement difficiles à étudier, à simuler et à prévoir. Les réseaux de neurones formels sont des modèles d'apprentissage statistiques qui ont été largement utilisés en hydrologie de surface depuis les années 1990, grâce à leurs propriétés de parcimonie et d'approximation universelle.Dans cette thèse, il est proposé d'utiliser les réseaux de neurones pour étudier le comportement des aquifères karstiques. L'aquifère du Lez est choisi pour appliquer le modèle par réseaux de neurones. Cet aquifère, situé près de l'agglomération de Montpellier (400 000 habitant), est exploité pour fournir de l'eau potable à une grande partie de l'agglomération.Dans un premier temps, un réseau de neurones « classique », de type boîte noire, est appliqué à la simulation et à la prévision des débits de la source du Lez. Une méthode de sélection des entrées de pluie est proposée, couplant analyse par corrélations croisées et méthode de validation croisée. Les résultats montrent l'adéquation du modèle neuronal pour la simulation et la prévision du débit de la source d'un aquifère karstique complexe. Le test du modèle est effectué sur les deux cycles hydrologiques comportant les crues les plus intenses de la base de données. Les hydrogrammes montrent que le modèle neuronal a été capable d'extrapoler puisque les débits prévus pour les crues majeures en test sont corrects et supérieurs aux débits présents dans la base d'apprentissage du modèle. La prévision est acceptable jusqu'à un horizon de prévision de un jour. Dans un second temps, une méthode d'extraction des données contenues dans la boîte noire est proposée. Afin de contraindre le modèle neuronal à donner des valeurs physiquement interprétables, des connaissances a priori sur la géologie de l'aquifère sont incluses dans l'architecture du réseau de neurones. La méthode KnoX (Knowledge eXtraction) proposée dans cette étude permet d'extraire du modèle les contributions des différentes zones géologiques à la source du lez ainsi que les temps de réponse correspondants. L'application de la méthode KnoX a un hydrosystème fictif dont on contrôle en particulier les temps de réponse et les contributions des différents sous-hydrosystèmes fictifs a permis de valider cette méthode. Les résultats obtenus sur le bassin du Lez sont très satisfaisants et en adéquation avec les connaissances actuelles que l'on a sur ce système. De plus la méthode a permis d'affiner ces connaissances, notamment l'infiltration retardée par des aquifères perchés et concernant la limite du bassin d'alimentation de la source du Lez. Enfin, la méthode KnoX est générique et applicable à tout hydrosystème pour lequel on dispose de mesures de pluie et de débit. / Karst is one of the most widespread aquifer formations in the worlds. Their exploitation provides fresh water to practically 25% of the global population. The high level of structure heterogeneity in these aquifers however makes them complex and their behavior is difficult to study, simulate and forecast.Artificial neural networks are machine learning models widely used in surface hydrology since the 90's thanks to their properties of parsimony and universal approximation.In this thesis, artificial neural networks are used to study karst aquifer behavior. Application is done in the Lez. This aquifer situated near Montpellier conurbation (400 000 inhabitants) provides fresh water for a large part of this population.First, a “classical” black box neural network is applied to simulate and forecast Lez spring discharge. A rainfall input selection method is proposed, using cross correlation analysis and cross validation method at the same time. Results show neural model efficiency in order to simulate and forecast the spring discharge of a complex karstic aquifer. The model was tested using two hydrologic cycles including the two most intense floods of the database. Hydrographs shows that neural model was able to extrapolate the maximum flood discharge of the learning database. Forecasting is satisfactory until a one-day horizon.In a second time, extraction of the knowledge data included in the black box is proposed. In order to constrain the model to give physically plausible solution, a priori knowledge about aquifer geology is included into the network architecture. KnoX (Knowledge eXtraction) method proposed in this study aims at extract geological zone contributions to the Lez spring and corresponding response times. The KnoX methodology was applied to a fictitious hydrosystem built using a model with controlled parameters, in particular contributions of subbasin to the outlet and lag time of each subbasin. This application permitted to validate the KnoX methodology. Results obtained on the Lez basin are satisfactory and agree with current knowledge about this hydrosystem. In addition, the KnoX methodology allows to refine this knowledge, in particular concerning delayed infiltration because of infiltration in perched aquifer and concerning Lez spring alimentation basin boundaries. Lastly the KnoX methodology is a generic methodology that can be applied on any basin with available discharge and rainfall data.

On s'intéresse dans cette thèse à la modélisation et à la simulation multidimensionnelle de l'hydrodynamique fluviale, notamment près des estuaires. Le modèle physique de référence est le modèle 3D, mais au vu de son important coût de calcul, il est intéressant de disposer de modèles plus simples en 1D, 2D ou 2.5D, que l'on peut utiliser dans des zones adéquates du fleuve, en fonction de sa bathymétrie. Ainsi, à partir du modèle 3D basé sur les équations instationnaires et incompressibles de Navier-Stokes, des modèles plus simples sont dérivés par projection par formulations faibles du problème 3D. On obtient ainsi un modèle en 1D, écrit sur la courbe médiane de la surface libre du fleuve, ainsi que deux modèles en 2D, le 2D-vertical écrit sur la surface longitudinale médiane du fleuve et le 2D-horizontal écrit sur la surface libre. Enfin on définit un modèle en quasi-3D, le modèle 2.5D, écrit dans la somme des espaces 2D-vertical et 2D-horizontal. Tous ces modèles prennent en compte la géométrie du fleuve et fournissent une vitesse tridimensionnelle ainsi que la pression, qui n'est pas supposée hydrostatique mais qui est une inconnue entière du problème. En outre, on définit et justifie un estimateur de modèles entre le modèle 3D et chacune de ses approximations en 1D, 2D et 2.5D. Cet estimateur calcule l'erreur entre le modèle 3D et son approximation, et donne ainsi une indication sur la qualité des résultats obtenus à partir des modèles 1D, 2D ou 2.5D, dans leurs zones respectives de calcul. Tous ces modèles hydrodynamiques sont implémentés dans des codes d'éléments finis, écrits en C++. Enfin, ils sont couplés numériquement à l'aide de l'estimateur de modèles.

L'hydrodynamique du Golfe du Lion, situé en Méditerranée Nord Occidentale, fait intervenir de nombreux processus physiques, présentant des échelles de variabilité spatiale et temporelle très hétérogènes. La plupart de ces processus sont générés en réponse aux conditions atmosphériques et en particulier au forçage du vent. Ce travail de thèse contribue à la compréhension de cet impact sur les processus de petit échelle et met en évidence l'intérêt de la haute-résolution de ces forçages. Dans un premier temps, une étude de processus a permis de mettre en évidence l'influence du vent sur la génération d'un tourbillon méso-échelle situé à l'Est du golfe, pécédemment observé par radars HF. Les influences respectives de la bathymétrie, des effets de flottabilité et de la circulation générale ont également été évaluées à l'aide de configurations idéalisées du modèle hydrodynamique MARS3D. Dans un deuxième temps, différents modèles atmosphériques, de résolutions différentes, ont été comparés en tant que forçage d'un modèle hydrodynamique réaliste du Golfe du Lion. D'un point de vue énergétique, les mouvements inertiels de la couche de surface, les oscillations de la thermocline et la variabilité méso-échelle de l'océan sont amplifiés avec le modèle atmosphérique haute- résolution AROME. Cette étude également permis de mettre en évidence l'importance de la variabilité spatiale du vent pour la génération de l'upwelling au Nord du plateau et les intrusions le long de la côte Ouest.

La région sud-ouest du Burkina partage avec le sud du Mali un système aquifère transfrontalier, celui de la bordure sud-est de Taoudéni. A cette échelle (180.000 km2 environ) la connaissance des écoulements se heurte à l'absence de piézométrie fine indispensable pour une meilleure exploitation et gestion des eaux souterraines. Cette absence est d'autant vraie qu'il existe peu ou presque pas de nivellement topographique adapté. Une approche multicritère combinant entre autres techniques, la géochimie isotopique et l'hydrodynamique couplée à un essai de modélisation est utilisée pour comprendre le fonctionnement hydrogéologique de ce vaste bassin sédimentaire. Les études chimiques et isotopiques donnent une homogénéité de faciès qui ne dégage pas d'éléments convaincants pour envisager l'existence d'une circulation souterraine individualisée entre les différentes formations géologiques. Le bassin sud-est de Taoudenni dans sa grande partie contient des eaux qui se renouvellent lentement. Cette faiblesse de recharge est confirmée par l'esquisse de modélisation hydrogéologique. Cela hypothèque pour l'avenir le développement socio-économique de la région. Malgré la cohérence de ces différentes approches, la question de l'individualisation des aquifères demeure. L'hypothèse de base, sur laquelle a reposé notre travail, est la continuité hydraulique des différentes roches réservoirs à l'échelle de l'ensemble de la série.

La pollution des sols correspond à une problématique récente. Au même titre que l'eau et l'air, la contamination des sols industriels constitue un risque pour la santé humaine et une menace pour la protection de l'environnement, et doit donc faire l'objet d'une réhabilitation. Toutefois la volonté politique française en la matière ne s'étant affirmée qu'à partir des années 1990, les outils de gestion des sols contaminés restent encore à développer. Pour cela une réflexion a été engagée afin de mettre au point, à partir de l'expérience acquise dans les autres pays industrialisés et à partir des connaissances actuelles, des outils méthodologiques d'aide à la gestion des sites contaminés, en particulier lors des étapes : - d'évaluation de l'état de pollution du site, notamment par la caractérisation du niveau de danger et de risque que présente un site contaminé. Pour cela nous avons développé un outil, appelé TRACES (Tool for Risk Assessment from Chemical Exposure to Soils) permettant un diagnostic progressif dans le but d'établir l'opportunité d'une réhabilitation et de déterminer les objectifs de cette réhabilitation éventuelle, - d'identification des filières de réhabilitation les plus adaptées pour le traitement des sols pollués basée sur une méthode d'analyse multicritère, ELECTRE III, permettant d'intégrer les intérêts de chaque acteur de la réhabilitation, ce qui a abouti à l'outil RACES (Remediai Alternative Classification and Evaluation System). A travers ce travail, nous avons pu mettre en évidence l'importance d'outils méthodologiques pour faciliter et accélérer la prise de décision grâce à une approche structurée, objective et transparente des sols contaminés.

Les sondages par Résonance Magnétique des Protons (RMP) est une méthode géophysique non invasive qui permet d'estimer la quantité d'eau dans le sous-sol et la perméabilité du milieu poreux. L'objectif de la thèse est de mieux comprendre les facteurs qui conditionnent la précision des résultats RMP et d'améliorer cette précision. <br />Des études expérimentales incluant des mesures géophysiques, des mesures sur échantillon et des essais de pompage ont été menées sur quatre sites représentant un panel varié de contextes hydrogéologiques. Parallèlement, des modélisations numériques ont permis de tester la sensibilité de la méthode RMP à différents paramètres.<br />Ainsi, la précision d'estimation du toit de nappe dépend de sa profondeur et des propriétés de la zone non saturée. Pour les milieux hétérogènes, une nouvelle méthodologie d'acquisition et d'interprétation 2D/3D des sondages RMP a été développée et validée sur un conduit karstique.<br />Les mesures sur échantillon montrent que la teneur en eau mesurée par RMP a tendance à être sous-estimée par rapport à celle mesurée par RMN ou par des méthodes classiques. La quantité d'eau manquée dépend de la susceptibilité magnétique de la roche. Souvent, la teneur en eau RMP correspond approximativement à la porosité cinématique, mais une relation quantitative entre ces deux paramètres reste à trouver. La précision sur la teneur en eau RMP peut être améliorée par la prise en compte dans l'interprétation de données géologiques et géophysiques.<br />Les transmissivités estimées par RMP donnent des valeurs et des incertitudes similaires à celles obtenues par essai de pompage, et sont utilisables quantitativement dans une modélisation hydrodynamique.