L’empreinte humaine sur Terre est si profonde qu’elle entraine des changements environnementaux qui affectent et modifient le fonctionnement des écosystèmes. Parmi tous les biotopes, les écosystèmes aquatiques continentaux sont des habitats remarquables qui abritent une grande biodiversité, mais qui sont aussi les plus menacés par les activitéshumaines. Les principales causes de la perte de qualité de l'eau et de la perturbation des ces écosystèmes comprennent la pollution des eaux et l'introduction d'espèces exotiques. La partie première partie de ce travail de thèse a montré des invasions parasitaires sur les populations de tortues d'eau douce indigènes, transmis par des espèces de tortues introduites. De plus, la nécessité d'étudier et de décrire les nouvelles espèces de parasites invasives avec des techniques plus performantes a été soulignée. La deuxième partie de cette thèse a consisté en l'élaboration d'un outil pour évaluer l'état de la santé des populations de tortues d'eau douce sauvages, ce qui reflète également le niveau de contamination des cours d'eau. / Human imprint on Earth is actually so profound leading global environmental changes that affects and modifies the functioning of ecosystems. Among the natural biomes, freshwater ecosystems are remarkable habitats that comprise great species biodiversity but are also the most threatened by human activities. The main causes of the loss of water quality anddisruption of freshwater ecosystems includes water pollution and the introduction of alien species. The fisrt part of this thesis showed invasion of parasites on native freshwater turtle populations, carried by introduced turtle species. Furthermore, it highlighted the necessary to study and describe the new invasive parasite species with more performant technics. The second part of this thesis consisted in the development of a tool to evaluate the status of thehealth of wild freshwater turtle populations, allowed also the level of contamination of the watercourses.

Cette thèse étudie l'efficacité des normes d'émissions pour réguler les pollutions transfrontalières entre deux pays. Plusieurs types de norme sont abordés essentiellement des normes différenciées et de la norme uniforme, car ces normes sont souvent utilisées dans les accords environnementaux internationaux. Cette analyse théorique est conclue par une évaluation empirique sur le problème majeur de pollution de la mer Noire. D'un point de vue positif, nous justifions l'usage fréquent de la norme uniforme par la présence de transferts monétaires, peu coûteux, entre deux pays hétérogènes. D'un point de vue normatif, il peut être préférable pour les pays d'annoncer en avance, et de mettre en place plus tard de la norme uniforme, afin d'inciter les entreprises à investir dans une nouvelle technologie de dépollution. Ce résultat dépend du coût d'installation de cette technologie. L'évaluation empirique se réalise à partir d'un modèle d'optimisation dynamique qui autorise la comparaison d'efficacité de différents arrangements institutionnels internationaux parmi lesquels on peut compter la norme uniforme et les normes différenciées.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3778. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 140-146.

Le développement de capteurs optiques fonctionnant dans le moyen infrarouge est un enjeu majeur pour détecter les (bio-) molécules. En effet, le moyen infrarouge (4000 - 400 cm-1) contient une grande majorité des absorptions dues aux vibrations des molécules organiques. L'objectif de ces travaux de recherche est d'élaborer des capteurs plus sélectifs, plus sensibles et plus compacts. Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit concernent donc le développement de guides d'ondes optiques à base de verre de chalcogénure sensibles aux molécules cibles via l'absorption de la partie évanescente de la lumière guidée se propageant à la surface du guide. La synthèse des matériaux infrarouges est l'une des étapes clés. Les verres de chalcogénures sont des matériaux particulièrement appropriés pour cette application de détection de polluants. Ces verres présentent un large domaine de transparence dans l'infrarouge (2 - 15 µm pour les verres à base de sélénium) et des indices de réfraction élevés (entre 2 et 3). L'élaboration du guide d'onde nécessite la fabrication de couches minces de verre de chalcogénure par pulvérisation cathodique RF magnétron. Afin de maîtriser le développement du micro-capteur infrarouge, un plan d'expériences a été élaboré pour étudier l'influence des paramètres de dépôt sur les caractéristiques des couches minces. L'architecture du guide a été définie et réalisée par gravure RIE-ICP (gravure ionique réactive couplée au procédé de gravure plasma à couplage inductif) et les mesures de pertes optiques et d'injection dans le MIR (6,3 µm et 7,8 µm) ont été réalisées. Il s'agit des tous premiers guides fonctionnant aussi loin dans le moyen infrarouge. L'ultime étape consiste à fonctionnaliser la surface du guide augmenter sa sélectivité. Des premiers tests ont été réalisés sur un cristal ATR en ZnSe par un polymère hydrophobe. Ils ont permis la détection de molécules polluantes absorbant à 13,8 µm, présentes en très faible concentration (25 ppb) dans des solutions d'hydrocarbures (BTX) ou des eaux plus complexes (eaux de station d'épuration et eaux souterraines). / Development of mid-IR optical sensors is a challenge of great importance for detection of biochemical molecules. Mid-infrared range (4000-400 cm-1) contains the absorptions related to the vibrations of organic molecules. The aim of this work is the elaboration of sensors more selective, sensitive and compact. The work reported in this thesis concerns the development of optical waveguides based on chalcogenide glasses. The evanescent field is used for the detection of pollutant molecules diffusing to the surface of optical waveguide. One of the main step of this research is the synthesis of infrared material. Chalcogenide glasses are appropriate for sensing applications. Indeed, they are used for their wide transparency in the infrared range (2 – 15 µm for selenide glasses) and their high refractive index (between 2 and 3). Elaboration of optical waveguide requires fabrication of chalcogenide thin films by RF magnetron sputtering. In order to control the development of infrared micro-sensor, an experimental design was established to study the influence of sputtering parameters on thin films characteristics. Design of the optical waveguide was defined and etched by RIE-ICP (reactive ion etching-inductively coupled plasma). Measurement of optical losses and injection in mid-infrared (7,8 µm) were realized. This is the first optical waveguides working as far in the mid-infrared. The last step concerns the functionalization of surface waveguides in order to increase their selectivity. First tests were realized on ZnSe ATR prism with a hydrophobic polymer. Thus, detection of pollutant molecules absorbing at 13,8 µm, with very low concentrations (25 ppb), in hydrocarbons solutions (BTX) or in complex water (water purification plant and groundwater) was performed.

Les milieux poreux fracturés sont des milieux composés d'une roche présentant des zones de fracturation. Géologiquement, ces milieux sont caractérisés par la présence de fractures sur plusieurs échelles avec des propriétés hétérogènes créant des zones fortement perméables à comparer de la roche environnante. Hydrauliquement, ces milieux sont caractérisés par des temps de réponses courts correspondant aux sollicitations des structures fortement perméables et des temps de réponses longs correspondant aux sollicitations des structures faiblement perméables. Ce type de milieux est impliqué dans de nombreux enjeux sociétaux tels que l'étude de sites contaminés, le stockage d'éléments et l'exploitation de ressources. Le principal défi de la modélisation des milieux poreux fracturés réside en la représentation des hétérogénéités géométriques et physiques caractérisant ces milieux. Une représentation exacte du milieu naturel étant impossible, il s'agit de déterminer quelles sont les propriétés caractéristiques de ces milieux, c'est-à-dire les propriétés principales "responsables" de leur comportement. Mes travaux de thèse ont consisté à étudier l'impact des propriétés géométriques et physiques des fractures et de la matrice de l'échelle locale de la fracture et du bloc matriciel à l'échelle globale du réseau de fractures. Une première partie du travail correspond à la mise au point de méthodes d'évaluation des effets des structures et de leurs propriétés sur les échanges et une seconde partie en l'exploitation de ces méthodes. Au final, je propose un modèle double-porosité discret prenant en compte les propriétés du milieu identifiées comme caractéristiques de son comportement.

Cette thèse porte sur l'étude de quelques questions liées à l'identifiabilité et l'identification d'un problème inverse non-linéaire de source. Il s'agit de l'identification d'une source ponctuelle dépendante du temps constituant le second membre d'une équation de type advection-dispersion-réaction à coefficients variables. Dans le cas monodimensionnel, la souplesse du modèle stationnaire nous a permis de développer des réponses théoriques concernant le nombre des capteurs nécessaires et leurs emplacements permettant d'identifier la source recherchée d'une façon unique. Ces résultats nous ont beaucoup aidés à définir la ligne de conduite à suivre afin d'apporter des réponses similaires pour le modèle transitoire. Quant au modèle bidimensionnel transitoire, en utilisant quelques résultats de nulle contrôlabilité frontière et des mesures de l'état sur la frontière sortie et de son flux sur la frontière entrée du domaine étudié, nous avons établi un théorème d'identifiabilité et une méthode d'identification permettant de localiser les deux coordonnées de la position de la source recherchée comme étant l'unique solution d'un système non-linéaire de deux équations, et de transformer l'identification de sa fonction de débit en la résolution d'un problème de déconvolution. La dernière partie de cette thèse discute la difficulté principale rencontrée dans ce genre de problèmes inverses à savoir la non identifiabilité d'une source dans sa forme abstraite, propose une alternative permettant de surmonter cette difficulté dans le cas particulier où le but est d'identifier le temps limite à partir duquel la source impliquée a cessé d'émettre, et donc ouvre la porte sur de nouveaux horizons.

Les émissions du trafic routier sont une des sources majeures de pollution dans les villes. La modélisation de la pollution de l'air et des eaux de ruissellement due aux émissions du trafic routier est essentielle pour comprendre les processus qui mènent à cette pollution et fournir les éléments d'information nécessaires au développement de politiques publiques efficaces pour la réduction des niveaux de pollution. L'objectif de cette thèse est d'évaluer la faisabilité et la pertinence de chaînes de modèles pour simuler l'impact du trafic routier sur la pollution de l'air et des eaux de ruissellement. La première partie a consisté à réaliser un état de l'art des outils de modélisation des différents phénomènes (trafic, émissions, pollution atmosphérique, qualité des eaux de ruissellement), mettant en exergue les enjeux liés à l'intégration des différents modèles pour constituer une chaîne cohérente en termes de polluants et d'échelles spatio-temporelles. Deux exemples de chaînes de modélisation ont été proposés, l'une statique avec des pas de temps horaires, la seconde envisageant une approche dynamique du trafic et des pollutions associées. Dans la deuxième partie de la thèse, des outils automatisés d'interfaçage ont été développés pour construire des chaînes de modèles. Ces chaînes de modèles ont ensuite été testées avec différents cas d'étude : (1) Couplage trafic / émissions avec une simulation d'une voie urbaine utilisant un modèle dynamique de trafic en lien avec des modèles d'émissions instantané et moyenné, (2) couplage émissions / pollution atmosphérique en bordure d'une autoroute, (3) couplages trafic / émissions / pollution atmosphérique en bordure d'une autoroute urbaine, (4) couplage émissions / pollution atmosphérique pour un quartier suburbain, (5) couplage dépôts atmosphériques / qualité des eaux de ruissellement pour un bassin versant suburbain, et finalement (6) une chaîne de modélisation complète avec couplages trafic / émissions /qualité de l'air et des eaux de ruissellement pour un bassin versant suburbain. Ces travaux ont permis à travers ces différents cas d'étude d'identifier les enjeux associés à l'intégration de modèles pour le calcul de la pollution de l'air et des eaux de ruissellement due au trafic routier en zone urbaine. Par ailleurs, ils fournissent une base solide pour le développement futur de modèles numériques intégrés de la pollution urbaine / Road traffic emissions are a major source of pollution in cities. Modeling of air and stormwater pollution due to on-road vehicles is essential to understand the processes that lead to the pollution and to provide the necessary information for the development of effective public policies to reduce pollution. The objective of this thesis is to evaluate the feasibility and relevance of modeling chains to simulate the impact of road traffic on air and stormwater pollution. The first part of the thesis consisted in assessing the state of the art of modeling tools available for the different relevant phenomena (traffic, emissions, atmospheric dispersion, and stormwater quality), highlighting challenges associated with the integration of the different models to create a consistent modeling chain in terms of pollutants and spatio-temporal scales. Two examples of modeling chains have been proposed, one static with hourly time-steps, the other based on a dynamic approach for traffic and its associated pollution. In the second part of the thesis, different interface tools have been developed to link models and construct modeling chains. These modeling chains were tested with different case studies: (1) coupling traffic and emissions for the simulation of an urban street using a dynamic model of traffic with instantaneous and time-averaged emission models, (2) coupling on-road emissions and atmospheric dispersion/deposition near a freeway, (3) coupling traffic, emissions and atmospheric dispersion/chemistry near a freeway, (4) coupling emissions and atmospheric dispersion/deposition in a suburban neighborhood (5) coupling atmospheric deposition and stormwater quality for an urban catchment, and finally (6) a complete modeling chain with traffic / emissions / air and stormwater quality models for urban catchment drainage. This work allows one to identify different possibilities of model integration to calculate air and stormwater pollution due to road traffic in urban areas. Moreover, it provides a solid basis for the future development of integrated numerical models of urban pollution

En conditions hivernales rigoureuses, l'application des fondants routiers (principalement du chlorure de sodium - NaCl) permet d'assurer la sécurité des usagers de réseaux. Toutefois, son utilisation généralisée entraîne des risques de contamination des écosystèmes aquatiques et terrestres. En milieu routier, le Na+ et Cl- sont transportés par les eaux de ruissellement vers des ouvrages de traitement tels que les bassins de rétention-décantation. Or, ces bassins n'ont pas la capacité de traiter efficacement cet apport de fondants sous forme dissoute. L'objectif de cette thèse est d'étudier le transfert de ces fondants au sein du système routier et de déterminer leur rôle dans la libération des polluants en période hivernale. Les caractéristiques du bassin situé à Azerailles (Lorraine, France) sur une route nationale moyennement fréquentée ont été étudiées, ainsi que les conditions météorologiques, les salages, la composition des matières en suspension (MES) et la concentration en éléments traces métalliques (ETM). Les résultats ont permis de montrer que entre 50 et 90 % du Cl- ont été collectés par le bassin. Il joue un rôle de tampon qui permet une libération du Cl- dilué durant la période de ruissellement suivant la période de salage. La présence de NaCl dans les eaux a joué un rôle sur la diminution de la qualité des matières en suspension, en mettant en évidence la présence de polluants organiques en période de salage. Elle entraîne également une modification de la chimie des eaux et une augmentation des polluants métalliques (zinc). / In severe winter conditions, the application of deicer salts (mainly sodium chloride -NaCl) ensures the safety of network users. However, its spreading carries contamination risks of aquatic and terrestrial ecosystems. On the road, Na+ and Cl- are transported by runoff water to retention-decantation ponds. These ponds do not have the capacity to efficiently treat this flux of deicer salts in dissolved form. In addition, they allow the modification of water and soil chemistry, generating the mobility of metallic pollutants. The objective of this thesis is to study the deicer salt transfer and to determine its role in the release of pollutants during winter. The characteristics of the pond located in Azerailles (Lorraine, France) on a medium-frequented national road were studied, as well as the weather and salting conditions, the composition of the suspended matters and the concentration of traces metals. The results highlighted that between 50 and 90 % of Cl- was collected by the pond. The pond acts as a buffer which allows a release of the collected Cl- diluted during the runoff period following the salting period. The presence of NaCl in runoff water reduced the quality of suspended solids with the presence of organic markers of road pollution and the increase of zinc. It also influenced the increase of zinc in water, the chemical composition and the speciation of elements.

The continuous demand on new residential and economic areas of the modern society has to face up with problems posed by polluted sites related to former industrial activities, typically located in suburbs areas. These sites, known as brownfields, are often located nearby navigable rivers to facilitate transport operations of industrial manufacturing, which increase their potential environmental threat due to the possible migration of pollutants in groundwater to surface water bodies through groundwater discharge. In this context, the objective of this research, performed in the scope of the FP6-IP AquaTerra project, was to contribute to a better assessment of the risk of groundwater contaminant dispersion for a brownfield located next to the Meuse River (Belgium), in a context where strong groundwater - surface water interactions prevail. The brownfield of interest corresponds to the site of the former coke factory of Flémalle. Resulting from industrial activities, soil and groundwater located in the alluvial aquifer are heavily contaminated with various types of organic (BTEX, PAHs, mineral oils...) and inorganic (As, Zn, Cd...) pollutants. To do so, detailed characterisation campaign was performed, consisting of, on the one hand, classical field experiments such as pumping tests, injection tests and tracer experiments; on the other hand, advanced and original field experiments such as detailed monitoring of groundwater - surface water interaction and dynamics, and the development and application of an innovative tracer technique, the Finite Volume Point Dilution Method (FVPDM), used to quantify and monitor groundwater fluxes. Monitoring and field works data was subsequently used to develop and calibrate a groundwater flow model using the finite difference code MODFLOW, with an automatic parameter estimation approach based on an original combined regional scale (zonation) and local scale (pilot points) approach. A transport model was also developed using MT3DMS and calibrated using tracer experiments performed in the brownfield. This groundwater flow and transport model was used to better quantify the dynamics of groundwater - surface water interactions and to model various scenarios of contaminant dispersion through the aquifer - river system. For these scenarios, benzene was considered because it is one of the main pollutants encountered in the site, its large solubility and mobility in groundwater and its acute toxicity. These scenarios were established considering various groundwater flow conditions (steady state vs. transient) and various hydrodispersive processes possibly affecting the mobility of benzene in groundwater, namely advection, hydrodynamic dispersion, sorption - desorption and, as evidenced by the research results of the University of Neuchâtel (Switzerland), benzene degradation under sulphate reducing conditions. These simulations indicate that benzene attenuation is mainly controlled by ongoing benzene degradation processes, aquifer heterogeneity and river stage fluctuations. Based on this analysis, the risk of benzene dispersion is low, and monitored natural attenuation (MNA) is a valuable option with (1) monitoring benzene at control planes downstream from the sources; (2) further investigation on risk of sulphate depletion in the alluvial aquifer; and (3) further investigation on mobilisation/immobilisation of heavy metals related to dynamics of organic pollutant plumes.

Cette thèse porte sur l’étude de quelques questions liées à l’identifiabilité et l’identification d’un problème inverse non-linéaire de source. Il s’agit de l’identification d’une source ponctuelle dépendante du temps constituant le second membre d’une équation de type advection-dispersion-réaction à coefficients variables. Dans le cas monodimensionnel, la souplesse du modèle stationnaire nous a permis de développer des réponses théoriques concernant le nombre des capteurs nécessaires et leurs emplacements permettant d’identifier la source recherchée d’une façon unique. Ces résultats nous ont beaucoup aidés à définir la ligne de conduite à suivre afin d’apporter des réponses similaires pour le modèle transitoire. Quant au modèle bidimensionnel transitoire, en utilisant quelques résultats de nulle contrôlabilité frontière et des mesures de l’état sur la frontière sortie et de son flux sur la frontière entrée du domaine étudié, nous avons établi un théorème d’identifiabilité et une méthode d’identification permettant de localiser les deux coordonnées de la position de la source recherchée comme étant l’unique solution d’un système non-linéaire de deux équations, et de transformer l’identification de sa fonction de débit en la résolution d’un problème de déconvolution. La dernière partie de cette thèse discute la difficulté principale rencontrée dans ce genre de problèmes inverses à savoir la non identifiabilité d’une source dans sa forme abstraite, propose une alternative permettant de surmonter cette difficulté dans le cas particulier où le but est d’identifier le temps limite à partir duquel la source impliquée a cessé d’émettre, et donc ouvre la porte sur de nouveaux horizons. / The thesis deals with the two main issues identifiability and identification related to a nonlinear inverse source problem. This problem consists in the identification of a time-dependent point source occurring in the right hand-side of an advection-dispersion-reaction equation with spatially varying coefficients. Starting from the stationnary case in the one-dimensional model, we derived theoritical results defining the necessary number of sensors and their positions that enable to uniquely determine the sought source. Those results gave us a good visibility on how to proceed in order to obtain similar results for the time-dependent (evolution) case. As far as the two-dimensional evolution model is concerned, using some boundary null controllability results and the records of the generated state on the inflow boundary and its flux on the outflow boundary of the monitored domain, we established a constructive identifiability theorem as well as an identification method that localizes the two coordinates of the sought source position as the unique solution of a nonlinear system of two equations and transforms the identification of its time-dependent intensity function into solving a deconvolution problem. The last part of this thesis highlights the main difficulty encountred in such inverse problems namely the nonidentifiabilityof a source in its abstract form, proposes a method that enables to overcome this difficulty in the particular case where the aim is to identify the time active limit of the involved source. And thus, this last part opens doors on new horizons and prospects.