Il y a près d’une décennie, l'utilisation des supernovae de type Ia comme indicateurs de distances a permis de découvrir l'expansion accélérée de l'univers. Les expériences de seconde génération ont augmenté de manière significative la taille et la qualité des échantillons à grand décalage vers le rouge. Cependant, l'échantillon de référence des supernovae à faible décalage vers le rouge, nécessaire à la cosmologie restait très restreint. The Nearby Supernova Factory a mesuré, à l'aide d'un instrument spectro-photométrique dédié (the Supernova Integral Field Sepctrograph), près de 200 nouvelles supernovae de type Ia. Ma thèse de doctorat a été effectuée à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon et au Lawrence Berkeley National Laboratory dans le cadre du projet international the Nearby Supernova Factory et a pour but l'étalonnage spectro-photométrique du spectrographe à champ intégral. Afin d'atteindre la précision souhaitée, une attention particulière a été apportée à plusieurs aspects majeurs de la procédure d'étalonnage, incluant: la détermination de la réponse impulsionnelle de l'instrument en vue de l'extraction 3D de sources ponctuelles, l'estimation de la qualité photométrique d'une nuit, l'obtention de l'extinction atmosphérique par nuit sur un domaine de longueur d'onde étendu, sa modélisation en terme de composantes physiques et sa variabilité au cours d'une nuit donnée. Une chaîne d'étalonnage multi-standard a été mis en \oe{}uvre utilisant approximativement 4000 observations spectro-photométriques d'étoiles standards. J'exposerai également à la fin de ce manuscrit les résultats scientifiques préliminaires de la collaboration SNfactory. / Ten years ago, type Ia supernovae used as distances indicators led to the discovery of the accelerating expansion of the universe. Today, a second generation of surveys has significantly increased the high-redshift type Ia supernovae sample. The low-redshift sample was however still limiting the cosmological analysis using SNe. In this framework, the Nearby Supernova Factory has followed 200 nearby type Ia supernovae using the dedicated Supernovae Integral Field Spectrograph with spectro-photometric capacities. My PhD thesis has been carried out at the Institut de Physique Nucléaire de Lyon and at the Lawrence Berkeley National Laboratoryin the framework of the international cosmological project SNfactory. In order to reach the design spectrophotometric accuracy, attention has been focused on several key aspects of the calibration procedure, including: determination of a dedicated point spread function for 3D point source extraction, estimating the nightly photometric quality, derivation of the nightly sky extinction over the extended optical domain, its modeling in terms of physical components and its variability within a given night. A full multi-standards calibration pipeline has been implemented using approximately 4000 observations of spectrophotometric standard stars taken throughout the night over nearly 500 individual nights. Preliminary scientific results of the whole SNfactory collaboration will be presented at the end of this thesis.

In this thesis we look at acoustic wave propagation under water. We look in particular at waves generated by a point source and what happens with the propagation when we model the bottom as flat or as curvilinear. We assume the source to be working at a certain frequency and therefore we model this problem by solving the Helmholtz equation. Since Helmholtz equation has some unwanted numerical properties we are interested in finding new numerical methods that could accelerate the solver. In this thesis we use the Waveholtz iteration, which solves Helmholtz equation by connecting it to the time-dependent wave equation. We use finite differences and the SBP-SAT method to approximate the spatial problem numerically and for modelling the sea bottom we use curvilinear coordinates.  To compare the Waveholtz iteration we also solve Helmholtz equation with a naive solver. The naive solver consists of approximating the equation with finite differences and then solving the linear system of equation by some iterative solver, which for our tests will be GMRES. The results show that the Waveholtz iteration converges in less iterations than our naive solver. It also shows that the number of iterations stays unchanged when changing our discretization, which otherwise is a big problem for our naive solver. This allows us to increase the accuracy of our numerical solution without changing the computation time too much.  We show that the number of iterations increases according to theory for an increasing frequency, and that for open problems we even see a smaller increase. For certain resonant frequencies in Helmholtz equation we do not expect the Waveholtz iteration to converge. In the neighbourhood of these frequencies the convergence becomes slow and we need many iterations for a solution of a certain accuracy. By reformulating the Waveholtz iteration as a Krylov solution we can see that resonances in Helmholtz equation have a smaller impact of the convergence. / I detta examensarbete undersöker vi akustisk vågutbredning i vatten. Vi kollar specifikt på vågor som genereras av en punktkälla och vad som sker när vi modellerar botten som plan eller som kurvlinjär. Då vi antar att punktkällan arbetar vid en bestämd frekvens, kommer vi modellera det fysikaliska problemet genom att lösa Helmholtz ekvation. Helmholtz ekvation har dock några numeriska egenskaper som är oönskade, och därför finns ett intresse av att hitta nya numeriska metoder som löser ekvationen. I detta examensarbete undersöker vi Waveholtz iteration, som löser Helmholtz ekvation genom att koppla den till den tidsberoende vågekvationen. Vi använder finita differenser och SBP-SAT metoden för att approximera det rumsliga problemet numeriskt. För att ge en detaljerad beskrivning av botten använder vi kurvlinjära koordinater. För att jämföra Waveholtz iterationen med något löser vi även Helmholtz med hjälp av en naiv lösare. Den naiva lösaren består av att approximera problemet med finita differenser och sedan lösa det linjära systemet rakt av med en iterativ lösare (vilket för våra fall kommer vara GMRES). Resultatet visar att Waveholtz iteration konvergerar på ett lägre antal iterationer än vår naiva lösare. Det visar även att antalet iterationer inte förändras när vi ändrar diskretisering, vilket annars är ett problem för vår naiva lösare. Detta innebär att vi kan få en högre noggrannhet utan att förlänga beräkningstiden alltför mycket.  Vi visar även att antalet iterationer ökar som förväntat med en ökad frekvens, samt att för öppna problem så ökar antalet iteration mindre än enligt teorin. Vid vissa resonanta frekvenser i Helmholtz ekvation förväntar vi oss att Waveholtz iteration inte kommer konvergerar. I närheten av dessa frekvenser blir konvergensen långsam och vi behöver många iterationer för att lösa problemet. Genom att formulera Waveholtz iteration som en Krylov lösning kommer resonanser i Helmholtz ekvation ge en mindre negativ effekt på konvergensen än om den är formulerad som en fixpunkts iteration.

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De nos jours, les matériaux composites sont très largement utilisés dans l’industrie aéronautique et aérospatiale car ils ont de très bonnes tenues mécaniques, mais ces matériaux comportent de fortes hétérogénéités dues aux fibres et aux liants qui les constituent. Ainsi, depuis de nombreuses années, l’équipe TIFC «Thermal Imaging Fields and Characterization » du département TREFLE de l’institut I2M développe des méthodes de mesure des propriétés thermophysiques de matériaux hétérogènes dans le plan ou dans l’épaisseur. Ces méthodes sont très variées du point de vue des méthodes inverses (transformée intégrale, double décomposition en valeurs singulières, …) ou expérimentale (Flash, diode laser, …). Le faible coût des diodes lasers et des systèmes de déplacement de miroirs galvanométriques ont permis de développer un système complet de scanner optique laser, monté sur un banc de mesure. Il permet de revisiter les différents types de sollicitations thermiques et de réaliser une infinité de combinaisons spatiotemporelles d’excitations thermiques par méthode laser. Ceci est une des principales originalités de ce travail. De nouvelles méthodes inverses basées sur la réponse thermique au point source impulsionnel et sur la séparabilité des champs de température ont été proposées. Ces méthodes ont permis d’estimer le tenseur de diffusivité thermique selon les axes principaux d’anisotropie, mais aussi hors des axes du repère de l’image, où il est possible de déterminer l’orientation des axes d’anisotropie, lorsque le transfert de chaleur s’effectue hors des axes du repère de l’image. Ces méthodes ont permis d’obtenir des résultats intéressants comptetenu de leur simplicité. De plus, elles ont permis d’obtenir des cartographies de diffusivités thermiques dans le plan car, comparées aux autres méthodes, elles permettent d’obtenir des estimations du tenseur de diffusivité thermique localement grâce à l’obtention d’une cartographie de flux thermique surfacique via le scanner optique laser. / Nowadays, composite materials are widely used in the aeronautic and aerospace industries because of their high mechanical resistance. However, they have a large heterogeneity due to the fiber and matrix they are made of. In this way, for many years, the TIC team «Thermal Imaging Fields and Characterization » from TREFLE department of I2M laboratory develops methods to measure thermal in-plane properties of heterogeneous materials such as inverses (integral transforms, double singular value decomposition…) or experimental (Flash, laser diode…) methods. The recent progress made in optical control, lasers and infrared (IR) cameras enables the development of a new scanning system (based on galvanometer-mirror) which allows the easy control of a laser hot spot spatial and temporal displacements over a plane surface. The low cost of laser diodes and optical control (galvanometric mirror) systems allows to develop a laser scanning system fixed on a test bench. We can revisit the different types of thermal excitation and realize infinite spatio-temporal combinations of thermal excitations by laser method. This is one of this thesis aims. New inverse methods based on the thermal response to an instantaneous point source heating, and temperature fields separability, have been proposed. These methods allow to estimate the thermal diffusivity tensor along the main axes of anisotropy, but also out of those axes, where it is possible to estimate the anisotropy axes orientation when the heat transfer takes place out of the image axes. These methods have produced interesting results in view of their simplicity. Moreover, they made it possible to obtain in-plane thermal diffusivities maps because, compared to the other methods, they allow to obtain, locally, thermal diffusivity tensor estimations by getting a surface heat flux map using the laser optical scanner.

This study assesses the contribution of agricultural non-point source pollution, to poor water quality of the Vaal River within the Grootdraai dam catchment area. The study evaluates agricultural pollutants affecting the quality of water within the study area. The impact of agricultural non-point source pollution on the water quality of the Vaal River was evaluated by establishing a correlation between the quantity of polluted runoff reaching the River and the quantity of measured nitrates and phosphates in its waters. A questionnaire using random sampling was used to capture data from 15 commercial farmers 35 local residents and the Department of Water Affairs management. The results of the study show that agricultural nutrients are heavily impacting and compromising the water quality of the Grootdraai Dam. The mean concentrations of Nitrogen and Phosphorus were found to be well above the water quality guidelines there by promoting eutrophication. / Environmental Sciences / M. Sc. (Environmental Management)

Face à la pollution généralisée des masses d’eau souterraines par les nitrates et les pesticides, l’agriculture biologique (AB) est présentée comme un outil pertinent pour la reconquête de la qualité des eaux sur les aires d’alimentation de captage (AAC). Ce travail vise à mieux définir l’opportunité d’un développement de l’AB sur des zones à enjeu eau. L’objectif de la thèse est d’évaluer conjointement la faisabilité des conversions sur les exploitations de l’AAC et l’efficacité de ces conversions par rapport aux enjeux de reconquête de la qualité de l’eau.Etudier l’opportunité d’un développement de l’AB à l’échelle territoriale suppose d’instruire la diversité des exploitations et des profils d’agriculteurs sur la zone à enjeu eau. Pour être en mesure de tester l’opportunité des conversions, une méthode typologique permettant d’analyser conjointement la variabilité actuelle des pressions sur les zones à enjeu eau et la propension des agriculteurs conventionnels à la conversion est nécessaire.Pour produire cette typologie, nous avons développé une méthode innovante d’analyse compréhensive des pratiques, centrée sur les principes d’action à l’origine des systèmes de culture. Les principes d’action correspondent à des méta-raisonnements à l’origine de l’organisation concrète des pratiques agricoles sur le territoire d’exploitation. Par l’analyse conjointe du discours des agriculteurs et de la variabilité des règles de décision, nous avons élaboré des typologies basées sur les postures techniques des agriculteurs pour i) identifier des principes d’action associés aux pratiques à risque et ii) dégager des proximités éventuelles entre agriculteurs biologiques et agriculteurs conventionnels. La méthode a été testée sur deux territoires à enjeu eau en Rhône-Alpes, sur lesquels des entretiens semi-directifs ont été réalisés auprès d’exploitants conventionnels et biologiques.Cinq principes d’action génériques à l’origine de l’organisation de l’assolement et cinq principes d’action génériques à l’origine des pratiques culturales ont été dégagés. A partir des différents principes d’action, des typologies des postures techniques ont été produites sur les deux terrains. Les pressions à l’origine de la lixiviation des nitrates et des pesticides ont été évaluées et spatialisées via le recours à des indicateurs agro-environnementaux. Nous avons démontré que la variabilité forte des indicateurs et leur distribution spatiale sur les AAC étaient liées à la diversité des postures techniques entre agriculteurs.Nous avons comparé les principes d’action mobilisés par les agriculteurs conventionnels et les agriculteurs biologiques « références » présents sur les zones à enjeu eau. Par l’étude des spécificités des postures techniques en AB, trois critères de propension à la conversion ont été identifiés. Plusieurs degrés de propension à la conversion ont été dégagés parmi les agriculteurs conventionnels des deux territoires.L’analyse croisée des degrés de propension à la conversion et des différentiels de pressions entre systèmes conventionnels et biologiques nous a permis d’évaluer l’opportunité d’un développement de l’AB sur les deux territoires. Nos résultats ont mis en évidence des niveaux de pression limités quant à la lixiviation des nitrates sur les systèmes biologiques : un développement exhaustif de l’AB à l’échelle des deux AAC entrainerait potentiellement une réduction forte de la lixiviation des nitrates. Néanmoins, l’opportunité d’un tel développement doit être relativisée. Les agriculteurs présentant une propension réelle ou forte à la conversion sont minoritaires sur les AAC. Ensuite, le différentiel des pressions entre systèmes conventionnels et systèmes biologiques diminue à mesure que la propension à la conversion augmente. Pour envisager une diminution forte des pressions sur les zones à enjeu eau, la conversion devrait concerner des exploitants pour lesquels cette conversion est difficilement envisageable à moyen terme. / Many problems with nitrate and pesticide contamination from agriculture exist in European drinking water catchments. In France, a new mitigation approach aims at preventing water quality degradation in explicitly targeting agricultural non-point source pollutions associated with leaching of nitrates and pesticides. This work aims at assessing the opportunity to develop organic farming in water catchment areas in order to reduce nitrate and pesticide leaching from root zone. The objective was to analyze both i) feasibility of conversions to organic farming on farms concerned by water preservation and ii) the potential impacts of these conversions in terms of nitrate and pesticide leaching reduction.To explore the potential contribution of organic farming in water catchment areas, we develop an innovative typology approach to characterize farmers’ conceptions and strategies related to cropping systems’ organization on the farm territory. Our method was tested in two French water catchment areas characterized by diversified production systems, where semi-structured interviews were carried out with conventional and organic farmers. Resulting typologies of farmers were used to assess leaching risks variability related with current cropping systems and to identify potential similarities between conventional and organic farmers’ conceptions. Nitrate and pesticide leaching risks for cropping systems were assessed and spatialized by using four agro-environmental indicators. Our results show major variations for all indicators at both study sites, for example N-surpluses which range from -105 to 192 kg N ha-1 year-1. These variations are deeply related with diversity of farmers’ conceptions summarized in typologies. To assess proximity of conventional farmers to organic farming, we used typologies to compare conceptions related to organization of cropping systems between conventional and organic farmers. By analyzing specificities of organic farmers’ conceptions, we determined three main criteria of proximity to organic farming; these criteria were then used to identify various degrees of proximity to organic farming among conventional farmers in the catchment areas.To assess potential contribution of organic farming to water preservation in catchment areas, we firstly compared nitrate leaching risks between conventional and organic cropping systems. Our results reveal low leaching risks from organic systems, characterized by reduced N-surpluses and lower bare soils frequencies in autumn. According to these results, massive development of organic farming should decrease nitrate leaching in our two water catchment areas. However, analysis of similarities between conventional and organic farmers’ conceptions shows that a majority of farmers are characterized by a low level of proximity to organic farming. Moreover, the farmers who show strongest similarities with organic farmers’ conceptions are already those with low leaching risks cropping systems. To significantly lower nitrate leaching risks, conversions should concern conventional farmers with low degree of proximity to organic farming.

This thesis describes the conception and implementation of the hydrological model ArcEGMO-URBAN and its application to the basin of the Havel river in north-eastern Germany. The model has been developed in order to make up the balance of nitrogen and phosphorus inputs from point sources in urban areas on the scale of river basins. The nutrient input can be calculated with a high spatial resolution and according to its seasonal variation. At the same time, the impact of the rainfall on the nutrient input is being focused on in this project. ArcEGMO-URBAN models rainfall-runoff processes and pollution-transport processes in urban areas taking natural, technological and social parameters into consideration. Input data are meteorological and terrestrial data with a high spatiotemporal resolution as well as statistic data on the scale of municipalities. The digitally available spatial data are being analysed with GIS functions before the actual modelling and later merged to areas with similar attributes. Technological and social parameters are assigned to these areas which were derived from statistic data. The diversity of the input data and their high spatial resolution allow for the description of relevant processes differentiated on the scale of urban patches. The model considers different urban water technologies and their determined matter fluxes as well as different sewer systems. With regard to rainfall-runoff processes the following sub-processes are considered for this model: the runoff-generation and runoff-concentration on sealed surfaces, the runoff-transformation and combination with the dry weather flow in the sewer system, and the split-up of the runoff in retention tanks and waste water treatment plants. Referring to pollution-transport processes the following sub-processes are taken into account: the atmospheric pollution and surface pollution dependent on the type of land use, and the matter transport in the sewer system. The sub-processes of matter accumulation and matter erosion on the land surface can be calculated by using mean values of pollution or, more detailed, by using special functions for processes of accumulation as well as erosion. In order to guarantee an easy application, the model's conception allows the use of input data and parameters of varying accuracy. Both, either measurements or statistical data can be used for the calculation dependent on the available data. The model is programmed in "C" and, therefore, usable on every established computer system. The model's validation succeeds for several sub-processes as well as sub catchments. Results of the model's application in the basin of the Havel river illustrate that the model calculates similar annual matter loads when compared to established other models. Furthermore, the results show the potential of the model to calculate the seasonal variation of matter loads and to calculate scenarios by using GIS based parameters. ArcEGMO-URBAN therefore is a capable tool for the identification of nutrient input from point sources on the scale of river catchments. / Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung des Modells ArcEGMO-URBAN sowie die Modellanwendung im Flussgebiet der Havel. ArcEGMO-URBAN wurde entwickelt um die punktuell in Gewässer eingetragenen Frachten von Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor aus urbanen Räumen auf der Ebene von Flussgebieten zu bilanzieren. Die Nährstoffeinträge werden mit einer hohen räumlichen Auflösung und in ihrer innerjährlichen Dynamik berechnet, wobei der Einfluss des Niederschlagsgeschehens auf die Stoffeinträge besonders thematisiert wird. ArcEGMO-URBAN modelliert die Niederschlags-Abfluss- und die Schmutz-Transport-Prozesse in urbanen Räumen unter Berücksichtigung von naturräumlichen, technologischen und sozialen Parametern. Eingangsgrößen sind meteorologische und terrestrische Daten mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung sowie statistische Angaben auf Gemeindeebene. Die digital vorliegenden Flächendaten werden vor der Modellierung mittels GIS-Funktionen ausgewertet und zu Flächen mit gleichen Eigenschaften zusammengefasst. Diesen Flächen werden technologische und soziale Parameter zugeordnet, welche aus den statistischen Angaben abgeleitet wurden. Durch die hohe inhaltliche und räumliche Auflösung der Eingangsdaten können relevante Prozesse teilflächendifferenziert beschrieben werden. Es können sowohl unterschiedliche Wasserver- und -entsorgungstechnologien und die durch sie induzierten Stoffströme als auch unterschiedliche Kanalisationsverfahren berücksichtigt werden. Bezogen auf den Niederschlags-Abfluss-Prozess werden die Abflussbildung und Abflusskonzentration auf befestigten Flächen, die Abflusstransformation und Überlagerung mit dem Trockenwetterabfluss im Kanalnetz und die Abflussaufteilung an Sonderbauwerken bzw. Kläranlagen berechnet. Für die Berücksichtigung der Stoff-Transport-Prozesse werden die durch die Atmosphäre und spezifische Nutzungen bedingten Stoffeinträge sowie der durch die Kanalisation bestimmte Stofftransport berechnet. Die auf der Oberfläche stattfindenden Teilprozesse von Stoffakkumulation und -abtrag können über mittlere Verschmutzungswerte oder detailliert über Akkumulations- und Abtragsfunktionen berechnet werden. Um ein weites Anwendungsspektrum zu gewährleisten, ist das Modell so konzipiert, dass eine Parametrisierung mit Eingangsdaten unterschiedlicher Qualität möglich ist. Abhängig von der verfügbaren Datenbasis werden entweder konkrete Messwerte oder statistische Größen verwendet. Das Programm ist in "C" programmiert und damit auf jeder Rechnerarchitektur lauffähig. Die Validierung des Modells gelingt für einzelne Teilprozesse aber auch für Teilgebiete gut. Die Ergebnisse im Flussgebiet der Havel belegen, dass das Modell ähnliche jährliche Nährstofffrachten wie bereits eingeführte Modelle berechnet. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse das Potenzial des Modells, die innerjährliche Dynamik punktueller Stoffeinträge abzubilden und durch die GIS-gestützte Parametrisierung aufwandsarm Szenarien zu berechnen. Damit ist ArcEGMO-URBAN ein geeignetes Modell zur Bestimmung von Nährstoffeinträgen aus punktuellen Quellen auf der Ebene von Flussgebieten.

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This study assesses the contribution of agricultural non-point source pollution, to poor water quality of the Vaal River within the Grootdraai dam catchment area. The study evaluates agricultural pollutants affecting the quality of water within the study area. The impact of agricultural non-point source pollution on the water quality of the Vaal River was evaluated by establishing a correlation between the quantity of polluted runoff reaching the River and the quantity of measured nitrates and phosphates in its waters. A questionnaire using random sampling was used to capture data from 15 commercial farmers 35 local residents and the Department of Water Affairs management. The results of the study show that agricultural nutrients are heavily impacting and compromising the water quality of the Grootdraai Dam. The mean concentrations of Nitrogen and Phosphorus were found to be well above the water quality guidelines there by promoting eutrophication. / Environmental Sciences / M. Sc. (Environmental Management)