The present thesis is conducted in the frame of a research project involving the ‘von Karman Institute (VKI Belgium)’ and the ‘Ecole des mines d’Alès (EMA France) with the support of the CEA Gramat. This project is about theoretical study, experimental characterization and modeling of hazards from pressurized or atmospheric reservoirs, containing liquids, flammable or not. <p><p>The objective of this thesis is to study the apparition criteria and the consequences of an accident involving a container of pressure liquefied gas (BLEVE phenomenon) or liquid fuels (Boilover phenomenon). After a bibliographic research on the two phenomena, an experimental study in laboratory scale is conducted and from the results, the phenomena and their hazards are modeled. Small scale experiments are performed in the BABELs facility (Bleve And Boilover ExperimentaL setup) that consists of a cylindrical chamber of 2m diameter and 3m high, with round shape flanges, made out of steel with a rated pressure of 0.5 MPa. It has 3 series of 7 optical accesses, an entrance door, and an optional air venting system. <p><p>A Boilover is a violent ejection of fuel due to the vaporization of a water sublayer, resulting in an enormous fire enlargement and formation of fireball and ground fire. Small scale experiments with cylindrical reservoirs of 0.08 to 0.3m diameter in glass or metal, filled with a mixture of diesel and oil have been performed. Instrumentation of the measurements consists of thermocouples rake, Medtherm radiometers, load cell and CCD or high-speed camera with a fisheye. During the quasi-steady combustion prior the Boilover, the typical variables describing a pool fire like burning rate, flame size, puffing frequency and radiation can be predicted with semi-empirical correlations available in the literature. At Boilover onset, high speed visualizations in glass reservoir show that the growth of one big bubble leads to a boiling front that propagates radially all along the fuel-water interface, ejecting the upper fuel layer and leading to the increase of flame size. LS-PIV technique applied to high-speed camera images shows that the flame enlargement is directly linked to the velocity of the flame.<p><p>A BLEVE (or Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) is an explosion resulting from the catastrophic failure of a vessel containing a liquid at a temperature significantly above its boiling point at normal atmospheric pressure. Small scale experiments are performed with cylinders of 42g of propane, laid horizontally and heated from below by an electrical resistor. A groove of the reservoirs on the upper part allows better reproducibility of the rupture. High speed visualization and shadowgraphy are helping in visualizing the rupture and the content release. Thermocouples and PCB are also used to measure respectively the temperature and the blast wave overpressure. These experiments show that the fluid behavior during rupture differs with the size of the weakened part and therefore with the rupture pressure. The internal pressure measurement showed that the rupture pressure and temperature are supercritical, leading to the definition of a new type of BLEVE since there is no distinction between liquid and vapor phases prior rupture.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les calcaires hémipélagiques du Sud-Est de la France sont caractérisés par de faibles valeurs de porosité et de perméabilité. Ces caractéristiques permettent de considérer ces roches comme de potentiels analogues des réservoirs pétroliers non-conventionnels ou des aquifères fissurés. Ces réservoirs sont d’une importance capitale dans le contexte économique actuel. Néanmoins, l’exploitation de ce type de réservoir représente des risques industriels et des challenges techniques qui doivent être gérés pour réduire leur empreinte sur l’environnement.Ce travail apporte une quantité significative de nouvelles données et des méthodes pour caractériser les réservoirs carbonatés non-conventionnels. Il démontre l’importance des figures de compaction (stylolites, microstylolites et faisceaux de pression-dissolution) sur la capacité de stockage des fluides dans ce type de réservoir. Il montre aussi que l’évolution diagénétique des sédiments carbonatés hémipélagiques dépend de processus précoces (cimentations précoces, compaction différentielle) et éventuellement de réactivations plus tardives (inversion de contraintes tectoniques). Le couplage des modèles 3D avec les géostatistiques apparaît comme un protocole valide et rapide pour identifier les éléments clef (faciès, fractures et stylolites) qui jouent un rôle dans la distribution des hétérogénéités pétrophysiques des réservoirs non-conventionnels. Cette méthode permet aussi de générer des modèles équiprobable de corps géologiques fracturés et perméables permettant de possible investigations sur la distribution des zones d’écoulement préférentiels. / Hemipelagic limestones from the South-East of France are characterized by low values of porosity and permeability that allow considering these rocks as potential analogs to unconventional oil and gas reservoirs or fissured aquifers. These reservoirs are of primary importance in today’s economical context where the energy and the water’s demands grow with the increase in the world population. Nevertheless, the industrial exploitation of such reservoirs faces series of environmental risks and technical challenges that require to be managed in order to reduce their footprint on the environment.This work brought a significant amount of new data on unconventional carbonate reservoirs. It highlights how important compaction features (stylolites, microstylolites, solution seams) may be to fluids storage in such reservoirs. It shows that the diagenetic evolution of hemipelagic carbonate sediments depends on both early processes (sorting, early cementation, differential compaction) and eventual late reactivations (under tectonic stress inversion for example). Coupling three-dimensional modeling with geostatistics appear as an accurate and fast protocol to identify key elements (facies, fractures and stylolite) that play a role in the petrophysical heterogeneity of such unconventional reservoirs. This method also allows identifying equiprobable models of fractures geobodies and investigating the distribution of flow preferential pathways.

Les réservoirs hydroélectriques contribuent à la remise en suspension du mercure (Hg) inorganique terrestre et de la matière organique suite à l’inondation des terres lors de la construction d’un barrage. Le développement de zones anoxiques dû à l’augmentation de la colonne d’eau et à la dégradation de matière organique inondée est une condition propice pour la méthylation du Hg par les communautés bactériennes aquatiques, le rendant neurotoxique et bioamplifiable. Les résultats de cette étude, conduite dans le complexe de réservoirs hydroélectriques de la rivière Romaine, démontrent que le pourcentage du mercure total (THg) étant du méthylmercure (MeHg) retrouvé dans les zones inondées est en moyenne 10 fois plus élevé que dans les systèmes naturels avoisinants et dans la portion de la rivière en amont de la série de barrages. Les concentrations en MeHg demeurent toutefois relativement faibles comparativement à d’autres réservoirs au Québec et ailleurs dans le monde. Des patrons de l’amont vers l’aval ont pu être observés, où le MeHg augmente de façon concomitante au dioxyde de carbone (CO2) à travers les réservoirs, les deux ayant des valeurs plus élevées au printemps, suite à la fonte des glaces, qu’en été, suggérant qu’une production sous la glace est probable due à une anoxie partielle avant que le retrait des glaces ne revienne oxygéner la colonne d’eau. De plus, les concentrations de mercure total ainsi que les patrons des composantes de matière organique dissoute et du carbone organique dissous demeurent très peu variables entre les sites inondés et naturels. Cela suggère que les réservoirs hydroélectriques agissent plutôt comme réacteurs de transformation du mercure inorganique terrestre en méthylmercure que comme mobilisateurs de mercure nouvellement importé dans le système, et que les processus opérant des centaines de kilomètres en amont et des mois auparavant sont importants pour les dynamiques de carbone et de mercure observées dans ce système hautement connecté. / Following the flooding of soil during the construction of hydroelectric reservoirs, terrestrial inorganic mercury (Hg) and organic matter typically increase in concentrations in the aquatic environment. The anoxia developed due to the deepening of the water column and the degradation of organic matter due to aquatic microbial communities create new conditions in the system that are prone to the methylation of mercury into its neurotoxic and bioaccumulative form : methylmercury (MeHg). Results from this study, led in the hydroelectric complex of reservoirs of the Romaine River, showed that the percentage of total mercury which is methylmercury in the flooded area is on average 10 times higher than in surrounding natural systems from the watershed and in the upstream section of the river. MeHg concentrations in the Romaine River, however, remain relatively low when compared to other reservoirs in Quebec and worldwide. Upstream to downstream patterns have been observed, where MeHg increases along with carbon dioxide (CO2) throughout the series of reservoirs and where both showed higher values in June than in August, following the snowmelt and the melting of the ice cover. Concentrations were lower in the summer campaign, suggesting there was under-ice production due to the development of partial anoxia before the water column is mixed and oxygenated in spring. Moreover, the distribution of total mercury concentrations, dissolved organic carbon and dissolved organic matter components remained stable between flooded and natural sites. This suggests that hydroelectric reservoirs act as reactors for the transformation of terrestrial inorganic Hg in MeHg rather than as mobilizers of newly imported Hg and that processes occurring several kilometers upstream and months prior to sampling affect the carbon and Hg dynamics of this inter-connected system.

Dans cette thèse, on étudie un système de particules en interaction qui généralise un processus de contact, évoluant en environnement aléatoire. Le processus de contact peut être interprété comme un modèle de propagation d'une population ou d'une infection. La motivation de ce modèle provient de la biologie évolutive et de l'écologie comportementale via la technique du mâle stérile, il s'agit de contrôler une population d'insectes en y introduisant des individus stérilisés de la même espèce: la progéniture d'une femelle et d'un individu stérile n'atteignant pas de maturité sexuelle, la population se voit réduite jusqu'à potentiellement s'éteindre. Pour comprendre ce phénomène, on construit un modèle stochastique spatial sur un réseau dans lequel la population suit un processus de contact dont le taux de croissance est ralenti en présence d'individus stériles, qui forment un environnement aléatoire dynamique. Une première partie de ce document explore la construction et les propriétés du processus sur le réseau Z^d. On obtient des conditions de monotonie afin d'étudier la survie ou la mort du processus. On exhibe l'existence et l'unicité d'une transition de phase en fonction du taux d'introduction des individus stériles. D'autre part, lorsque d=1 et cette fois en fixant l'environnement aléatoire initialement, on exhibe de nouvelles conditions de survie et de mort du processus qui permettent d'expliciter des bornes numériques pour la transition de phase. Une seconde partie concerne le comportement macroscopique du processus en étudiant sa limite hydrodynamique lorsque l'évolution microscopique est plus complexe. On ajoute aux naissances et aux morts des déplacements de particules. Dans un premier temps sur le tore de dimension d, on obtient à la limite un système d'équations de réaction-diffusion. Dans un second temps, on étudie le système en volume infini sur Z^d, et en volume fini, dans un cylindre dont le bord est en contact avec des réservoirs stochastiques de densités différentes. Ceci modélise des phénomènes migratoires avec l'extérieur du domaine que l'on superpose à l'évolution. À la limite on obtient un système d'équations de réaction-diffusion, auquel s'ajoutent des conditions de Dirichlet aux bords en présence de réservoirs. / In this thesis, we study an interacting particle system that generalizes a contact process, evolving in a random environment. The contact process can be interpreted as a spread of a population or an infection. The motivation of this model arises from behavioural ecology and evolutionary biology via the sterile insect technique ; its aim is to control a population by releasing sterile individuals of the same species: the progeny of a female and a sterile male does not reach sexual maturity, so that the population is reduced or potentially dies out. To understand this phenomenon, we construct a stochastic spatial model on a lattice in which the evolution of the population is governed by a contact process whose growth rate is slowed down in presence of sterile individuals, shaping a dynamic random environment. A first part of this document investigates the construction and the properties of the process on the lattice Z^d. One obtains monotonicity conditions in order to study the survival or the extinction of the process. We exhibit the existence and uniqueness of a phase transition with respect to the release rate. On the other hand, when d=1 and now fixing initially the random environment, we get further survival and extinction conditions which yield explicit numerical bounds on the phase transition. A second part concerns the macroscopic behaviour of the process by studying its hydrodynamic limit when the microscopic evolution is more intricate. We add movements of particles to births and deaths. First on the d-dimensional torus, we derive a system of reaction-diffusion equations as a limit. Then, we study the system in infinite volume in Z^d, and in a bounded cylinder whose boundaries are in contact with stochastic reservoirs at different densities. As a limit, we obtain a non-linear system, with additionally Dirichlet boundary conditions in bounded domain.

Le fonctionnement optimal d'un système de réservoirs est un processus décisionnel complexe impliquant, entre autres, l'identication d'un compromis temporel concernant l'utilisation de l'eau : la dernière unité d'eau doit-elle être conservée ou plutôt utilisée pour un usage immédiat? La variabilité des apports hydrologiques complique encore davantage ce processus décisionnel puisque la recherche de ce compromis doit être effectuée sans une connaissance parfaite des conditions futures. De manière générale, l'équilibre optimal entre les utilisations immédiates et futures de l'eau nécessite l'intégration de règles de gestion à court et à long terme. Si les règles à court terme conduisent à des décisions à courte vue, les stratégies opérationnelles à long terme ne sont pas appropriées pour gérer des événements à court terme tels que les inondations. Nous proposons un cadre de modélisation basé sur l'approche de décomposition temporelle (DT) : Les stratégies à moyen/long terme sont tout d'abord déterminées puis utilisées comme limites pour l'optimisation des stratégies à court terme. Le modèle d'optimisation à moyen terme capture la persistance temporelle trouvée dans le processus des apports hydrologiques hebdomadaires, alors que les prévisions hydrologiques d'ensemble (PHE) sont utilisées pour piloter le modèle à court terme sur un pas de temps journalier. Plus spécifiquement, la programmation dynamique stochastique duale (SDDP) génère les fonctions des bénéces de valeur hebdomadaires qui sont ensuite imposées à un modèle de programmation linéaire implémenté sur chaque membre des PHE de 14 jours. Ce cadre de modélisation est mis en oeuvre selon un mode de gestion en horizon roulant sur une cascade de centrales hydroélectriques dans le bassin de la rivière Gatineau dans la province du Québec au Canada. À l'aide de ce cadre de modélisation, nous analysons la relation entre la valeur économique et les caractéristiques statistiques des PHE. Les résultats montrent que l'énergie générée par le système hydroélectrique augmente avec la précision et la résolution de la prévision, mais que la relation n'est pas univoque. En effet, d'autres facteurs semblent contribuer à l'utilité de la prévision / The optimal operation of a system of reservoirs is a complex decision-making problem involving, among others, the identification of a temporal trade-offs regarding the use of water. Should the last unit of water be kept in storage or rather be released for use downstream? The variability of natural inflows further complicates this decision-making problem: at any given point in space and time, this trade-off must be made without a perfect knowledge of future reservoir in flows. Generally speaking, the optimal balance between immediate and future uses of water requires the integration of short- and long-term policies. If short-term policies lead to shortsighted decisions, long-term operational strategies are not appropriate to handle short-term events such as floods. We propose a modeling framework based on the time decomposition (TD) approach: mid/long-term policies are determined first and then used as boundary conditions for the optimization of short-term policies. The mid-term optimization model captures the temporal persistence found in the weekly streamflow process whereas Ensemble Streamflow Forecasts (ESF) are used to drive the short-term model on a daily time step. More specifically, a Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP) generates the weekly benefit-to-go functions that are then imposed to a linear programming model implemented on each 14-days member of the ESF. This modelling framework is implemented in a rolling-horizon mode on a cascade of hydropower stations in the Gatineau River basin, Quebec, Canada. Using this modelling framework, we analyze the relationship between the economic value of different sets of short-term hydrologic forecasts. The results show that the energy generated by the hydropower system increases with the forecast's accuracy and resolution but that the relationship is not univocal; other factors seem to contribute to the forecast's utility.

La trithérapie antirétrovirale a considérablement augmenté l’espérance de vie des personnes vivant avec le virus de l’immunodéficience humaine (VIH), mais ne permet pas de guérir l’infection. En effet, le virus latent persiste dans des réservoirs, comme les lymphocytes T CD4+, ce qui empêche son élimination complète. Bien que plusieurs études aient montré un lien entre l’âge et la progression de la maladie, la relation entre le vieillissement et la persistance virale demeure peu explorée. Puisqu’il est connu que la diminution de la production thymique avec l’âge a un impact sur l’homéostasie lymphocytaire, nous avons étudié l’association entre le vieillissement, l’activité thymique et les réservoirs du VIH. Chez les personnes infectées traitées, nos résultats montrent que le réservoir viral inductible est significativement corrélé à l’âge. Cette association est partiellement expliquée par la diminution de la production thymique, causant notamment une réduction de la fréquence des lymphocytes T CD8+. De plus, nous avons observé que les individus ayant des plaques athérosclérotiques, un indicateur sous clinique fortement associée au vieillissement, ont un réservoir viral plus élevé. Finalement, nos résultats montrent que la restauration du thymus par l’administration d’hormone de croissance semble avoir un impact bénéfique sur la taille du réservoir total. Nos résultats suggèrent que le réservoir évolue différemment en fonction de l’âge et que l’involution du thymus contribue à la persistance du VIH, ce qui ouvre la voie à de nouvelles approches thérapeutiques. Également, ils indiquent que certaines mesures du réservoir viral pourraient contribuer à l’évaluation du risque de développement de plaques d’athérosclérose. / Antiretroviral therapy has prolonged the life expectancy of people living with the human immunodeficiency virus (HIV), but does not cure the infection. Indeed, latent virus persists in reservoirs, like CD4+ T cells, which is a major barrier to it’s complete elimination. It is well established that age has an impact on the clinical progression of the disease. However, the relationship between aging and viral persistence is still unknown. As age-associated reduction of thymic production has important consequences on lymphocyte homeostasis, we studied the association between aging, thymic activity avec HIV reservoirs. In infected individuals under antiretroviral therapy, we show that the inducible reservoir is significantly correlated with age. This association can be partially linked to the reduction of thymic production with age, causing a decrease in the frequency of CD8+ T cells. Furthermore, we highlight that individuals with atherosclerotic plaques, a sub-clinical factor highly associated with aging, have a bigger HIV reservoir. Finally, we show that restauration of thymic activity induced by the administration of recombinant growth hormone has a modest but significant beneficial effect on the size of total HIV reservoir. Overall, our results indicate that HIV reservoir evolves differently with age and that thymic involution contributes to viral persistence, which open the way to novel therapeutic approaches. In addition, they suggest that some viral reservoir measures could contribute to the evaluation of the risk of atherosclerotic plaques development.

La gestion des maladies infectieuses dans la faune sauvage se heurte à de nombreuses limites, et le développement de stratégies efficaces représente un défi de taille. Pour atteindre cet objectif, une compréhension fine des facteurs influençant la transmission et la persistance de l’infection est nécessaire. Parmi ces facteurs, l’hétérogénéité de transmission est une caractéristique importante des populations sauvages. En effet, la diversité des comportements, des structures sociales et spatiales, ou encore des espèces peut conduire à des contributions très variables au nombre de nouvelles infections. Par conséquent, quantifier l’hétérogénéité de transmission pourrait permettre d’améliorer l’efficacité des mesures de gestion sanitaire dans la faune sauvage, en ciblant les individus ou les unités de population qui sont responsables de la majorité des évènements de transmission. L’objectif de cette thèse était d’améliorer les connaissances sur la gestion des maladies infectieuses dans des populations sauvages hétérogènes, en utilisant la brucellose à Brucella melitensis dans une population de bouquetin des Alpes (Capra ibex) comme modèle d’étude. En effet, la biologie de la brucellose et l’écologie de l’espèce hôte se prêtent bien à l’existence et donc à l’étude d’une hétérogénéité de transmission à différentes échelles. A l’aide de cultures bactériennes, nous avons tout d’abord montré que seulement 58 % des individus séropositifs sont à risque d’excréter la brucellose, et que ce risque diminue avec l’âge. Ensuite, mettant à profit l’existence d’informations détaillées sur la dynamique de population et le comportement du bouquetin, et de données épidémiologiques dans la population d’étude, nous avons développé un modèle individu-centré afin de quantifier l’hétérogénéité individuelle et spatiale de la transmission. Nous avons démontré que la transmission de la brucellose était hétérogène entre individus, les femelles provoquant environ 90% des nouvelles infections, et entre unités spatiales, plus de 80% des cas de transmission ayant lieu dans les trois sous-unités socio-spatiales qui forment la zone cœur du massif. Nous avons également estimé l’évolution temporelle de la séroprévalence et de la force d’infection, en utilisant différents modèles statistiques. Les résultats suggèrent que l’importante opération de capture menée en 2015, avec test systématique et élimination des individus séropositifs, a permis de diminuer la transmission de la brucellose dans la population. Sur la base de l’ensemble de ces résultats, nous avons évalués une série de stratégies de gestion sanitaire qui pourraient être utilisées à l’avenir dans la population. Les résultats, issus du modèle individu-centré, confirment que la stratégie prioritaire devrait être d’éliminer le plus d’individus séropositifs, et que cibler les femelles et/ou la zone cœur permet d’améliorer l’efficacité des mesures. Bien qu’il n’y ait pas de solution évidente pour la gestion de la brucellose dans notre cas d’étude, les stratégies de gestion ciblées sont très prometteuses et permettent de raffiner les mesures sanitaires classiquement utilisées. Il est donc primordial de bien comprendre l’hétérogénéité de transmission dans les populations sauvages infectées, et de rechercher des stratégies ciblées qui peuvent permettre d’améliorer la gestion en termes d’efficacité et d’acceptabilité / The management of infectious diseases in wildlife reservoirs is particularly challenging and faces several limitations. The development of appropriate management strategies requires a detailed understanding of the factors affecting the transmission and persistence of the infectious agent in the population. Among these factors, heterogeneity of transmission is a common characteristic in natural host-pathogen systems. Indeed, wild animals express a broad range of behaviours, are organised in a variety of social and spatial structures, occupy many areas with very different characteristics and belong to a large diversity of species. Such heterogeneities, from between-individuals to between-species, may result in different contributions to the overall number of new cases of infections. Thus, understanding transmission heterogeneity could provide valuable insights on how to effectively manage these systems, by targeting the individuals or areas that are responsible for most transmissions. The aim of this thesis was to provide insights on the monitoring and management of infectious diseases in heterogeneous wild populations, using Brucella melitensis infection in a French population of wild Alpine ibex (Capra ibex) as a case study. The biology of brucellosis and the ecology of Alpine ibex makes this case study a good candidate for transmission heterogeneity at several levels. Using bacterial examinations, we first established that only 58% of seropositive individuals were at risk to excrete Brucella, and that this risk decreased with increasing age. Then, we took advantage of detailed information available on ibex population dynamics, behaviour, and habitat use, and on epidemiological surveys, to build an individual-based model in order to quantify heterogeneity at the individual and spatial levels. The transmission is extremely heterogeneous between individuals, with females generating around 90% of the new cases of brucellosis infection, and between spatial units, three of the five socio-spatial units (the core area) accounting for more than 80% of brucellosis transmission. Using statistical models to estimate the temporal dynamics of the seroprevalence and of the force of infection in the population, we found evidence that the massive captures with test-and-remove operations that were conducted in 2015 managed to reduce brucellosis transmission in the population. Based on these results, we evaluated several predictive disease management strategies in the individual-based model. Our results confirmed that the primary strategy should be to remove as many seropositive individuals as possible, and that strategies targeting females and/or the core area are more effective than untargeted management. Although there is no silver bullet for the management of brucellosis in the population of study, targeted strategies offer a wide range of promising refinements to classical sanitary measures. We therefore encourage to look for heterogeneity in other infection-wildlife systems and to evaluate potential targeted strategies for improving management schemes in terms of efficiency and acceptability

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017 / La Ville de Victoriaville fait face à des problèmes d’ensablement du réservoir Beaudet, source d’eau potable pour la moitié de ses habitants. En collaboration avec Agriculture et Agroalimentaire Canada ainsi qu’avec l’University of Manitoba, une étude de traçage des sédiments a été mise sur pied afin d’évaluer la contribution de différentes sources de sédiments à la problématique. En comparant les propriétés physiques et géochimiques des particules, la technique de traçage permet d’estimer la contribution des sources de sédiments, soit les sols forestiers, les sols agricoles et les berges de rivière dans le bassin versant de la rivière Bulstrode, à la charge sédimentaire en suspension. L’analyse spatiale de la taille des particules indique que les sédiments des sources et en suspension sont de plus en plus fins en allant de l’amont vers l’aval du bassin versant. L’analyse temporelle de la taille des particules montre, quant à elle, que le transport des sédiments varie en fonction des saisons étudiées, soit le printemps et l’automne. L’empreinte des sédiments nécessaire à l’estimation de la contribution des différentes sources est composée du radionucléide 137on et des coefficients de couleur x, y, X, Y, Z, L, b, v, c, h, R, G et B. Aucun élément géochimique n’a été retenu dans la suite finale des traceurs. La modélisation par la méthode de Monte Carlo par chaînes de Markov réalisée à partir de ces traceurs indique que la source majeure des sédiments en suspension passe des sols forestiers à l’amont du bassin versant aux berges de rivière à l’embouchure de la rivière Bulstrode. À cet endroit, les berges de rivière contribuent à entre 75.7 et 86.9 % de la charge sédimentaire échantillonnée et représentent donc la source principale de sédiments dans la problématique d’ensablement du réservoir Beaudet. Des mesures de contrôle de l’apport de sédiments au cours d’eau sont cependant recommandées pour l’ensemble du bassin versant, en fonction des sources prédominantes dans chaque secteur étudié. / The city of Victoriaville faces sedimentation problems in Beaudet reservoir, the drinking water source for half of town’s population. A sediment fingerprinting study has been launched in collaboration with Agriculture and AgriFood Canada and University of Manitoba. Comparing the particles’ physical and geochemical properties, a fingerprinting technique can estimate the contribution of each sediment source - forested fields, agricultural fields and streambanks - in Bulstrode river watershed case, to the suspended sediment load. Particle size spatial analysis indicates that source particles and suspended sediment become finer moving downstream in the watershed. Particle size temporal analysis indicates that sediment transport changes according to the season, here spring and fall. The sediment fingerprint used to estimate the source contributions comprises radionuclide 137Cs and color coefficients x, y, X, Y, Z, L, b, v, c, h, R, G and B. No geochemical element has been kept in the final sediment fingerprint. MonteCarlo Markov chain modeling based on that fingerprint shows that the major sediment source is forested soils in the upstream part of the watershed and switches to river banks at the Bulstrode river outlet. At that location, streambanks represents 75.7 to 86.9 % of the sampled suspended load and are therefore the main sediment source in the sedimentation problems occurring at the Beaudet reservoir. Sediment control practices are however recommended to be implemented all across the watershed, based on the major sources identified at each site.

Le mémoire suivant présente l'étude spatiale et temporelle de la déformation d'un couvert de glace d'un réservoir de barrage réalisée durant l'hiver 2008-09 au barrage Beaumont, situé près de la ville de La Tuque au Québec, Canada. Quarante-quatre pôles furent implantés dans le couvert auxquels étaient fixés deux prismes réfléchissants. Le mouvement de ces prismes fut suivi en continu pendant tout l'hiver avec une station totale robotisée qui réalisait un tour d'horizon chaque heure. La précision des mesures de distance perpendiculaires était de l'ordre du millimètre après avoir corrigé les données brutes en fonction des conditions météorologiques et ajusté par rapport aux deux prismes de référence fixés sur les berges. Le mode opératoire du traitement des mesures a été déterminé grâce aux séries de tests réalisés sur le site de l'Université Laval en extérieur et en laboratoire. En extrapolant les coordonnées des prismes, les coordonnées à la base des pôles, c'est-à-dire à la surface de la glace, furent calculées. Hormis les points situés sur la glace collée au mur du barrage ou sur les berges du réservoir, l'analyse du mouvement vertical démontre que le couvert de glace suit la fluctuation du niveau d'eau (exepté à longterme où le couvert de glace s'abbaisse dû au poids de la neige). L'étude des mouvements horizontaux du couvert de glace a permis de mettre en avant un mouvement global vers le centre du réservoir dû aux fluctuations d'eau et à l'expansion thermique de la glace. Des déplacements maximums perpendiculaires au barrage de 18 cm ont été observés près du barrage ainsi que des mouvements perpendiculaires aux rives d'un maximum de 8 cm près de celles-ci. Les déformations calculées étaient hautement corrélées avec les fluctuations du niveau de l'eau ce qui implique que celui-ci provoque les déformations horizontales du couvert. Les vitesses de déformation (filtrées à l'aide d'une moyenne mobile sur 16 heures pour enlever le bruit) furent converties en contraintes à l'aide de l'équation Glen de fluage dont les constantes de proportionnalité dépendent de la température interne de la glace. Une analyse de l'ensemble des poteaux a permis d'estimer les contraintes perpendiculaires en II fonction de la distance par rapport au barrage. Des contraintes maximales de 470 kPa ont été calculées à 5 m du barrage, 260 kPa à 15 m, 170 kPa à 25 m et de 140 kPa à 100 m, démontrant un phénomène d'atténuation des contraintes avec la distance. Au niveau des contraintes parallèles au barrage, celles-ci étaient trop faibles dans les zones observées pour en arriver à un résultat définitif, mais les valeurs semblaient indiquer que les contraintes ne dépassaient pas 60 kPa. Cette campagne de mesures a été réalisée par l'Université Laval en partenariat avec l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), State University of New York (Cobleskill), le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et avec la contribution de BMT Fleet Technology. L'étude des déformations spatiales et temporelles a permis d'avoir une vue globale sur le mouvement de la glace de l'ensemble du réservoir ; de mieux comprendre les données ponctuelles relevées par d'autres instruments de mesure de contraintes incorporés dans le couvert et installés sur le barrage ; de fournir de l'information sur les phénomènes d'atténuation et d'aider à la compréhension du phénomène de poussée de glace.

Les problèmes de gestion des réservoirs sont stochastiques principalement à cause de l’incertitude sur les apports naturels. Ceci entraine des modèles d’optimisation de grande taille pouvant être difficilement traitables numériquement. La première partie de cette thèse réexamine la méthode d’agrégation de scénarios proposée par Rockafellar et Wets (1991). L’objectif consiste à améliorer la vitesse de convergence de l’algorithme du progressive hedgging sur lequel repose la méthode. L’approche traditionnelle consiste à utiliser une valeur fixe pour ce paramètre ou à l’ajuster selon une trajectoire choisie a priori : croissante ou décroissante. Une approche dynamique est proposée pour mettre à jour le paramètre en fonction d’information sur la convergence globale fournie par les solutions à chaque itération. Il s’agit donc d’une approche a posteriori. La thèse aborde aussi la gestion des réservoirs par la programmation dynamique stochastique. Celle-ci se prête bien à ces problèmes de gestion à cause de la nature séquentielle de leurs décisions opérationnelles. Cependant, les applications sont limitées à un nombre restreint de réservoirs. La complexité du problème peut augmenter exponentiellement avec le nombre de variables d’état, particulièrement quand l’approche classique est utilisée, i.e. en discrétisant l’espace des états de « manière uniforme ». La thèse propose une approche d’approximation sur une grille irrégulière basée sur une décomposition simpliciale de l’espace des états. La fonction de valeur est évaluée aux sommets de ces simplexes et interpolée ailleurs. À l’aide de bornes sur la vraie fonction, la grille est raffinée tout en contrôlant l’erreur d’approximation commise. En outre, dans un contexte décision-information spécifique, une hypothèse « uni-bassin », souvent utilisée par les hydrologues, est exploitée pour développer des formes analytiques pour l’espérance de la fonction de valeur. Bien que la méthode proposée ne résolve pas le problème de complexité non polynomiale de la programmation dynamique, les résultats d’une étude de cas industrielle montrent qu’il n’est pas forcément nécessaire d’utiliser une grille très dense pour approximer la fonction de valeur avec une précision acceptable. Une bonne approximation pourrait être obtenue en évaluant cette fonction uniquement en quelques points de grille choisis adéquatement. / Reservoir operation problems are in essence stochastic because of the uncertain nature of natural inflows. This leads to very large optimization models that may be difficult to handle numerically. The first part of this thesis revisits the scenario aggregation method proposed by Rochafellar and Wets (1991). Our objective is to improve the convergence of the progressive hedging algorithm on which the method is based. This algorithm is based on an augmented Lagrangian with a penalty parameter that plays an important role in its convergence. The classical approach consists in using a fixed value for the parameter or in adjusting it according a trajectory chosen a priori: decreasing or increasing. This thesis presents a dynamic approach to update the parameter based on information on the global convergence provided by the solutions at each iteration. Therefore, it is an a posteriori scheme. The thesis also addresses reservoir problems via stochastic dynamic programming. This scheme is widely used for such problems because of the sequential nature of the operational decisions of reservoir management. However, dynamic programing is limited to a small number of reservoirs. The complexity may increase exponentially with the dimension of the state variables, especially when the classical approach is used, i.e. by discretizing the state space into a "regular grid". This thesis proposes an approximation scheme over an irregular grid based on simplicial decomposition of the state space. The value function is evaluated over the vertices of these simplices and interpolated elsewhere. Using bounds on the true function, the grid is refined while controlling the approximation error. Furthermore, in a specific information-decision context, a "uni-bassin" assumption often used by hydrologists is exploited to develop analytical forms for the expectation of the value function. Though the proposed method does not eliminate the non-polynomial complexity of dynamic programming, the results of an industrial case study show that it is not absolutely necessary to use a very dense grid to appropriately approximate the value function. Good approximation may be obtained by evaluating this function at few appropriately selected grid points.