Les systèmes qui se développent dans les roches carbonatées gardent une plus ou moins grande mémoire des épisodes responsables de leur recharge. Les études hydrodynamiques diachroniques (analyse des courbes de récession et ajustement à des lois mathématiques) ou l'exploitation statistique des données (étude des débits classés, analyse corrélatoire et spectrale) permettent de mettre en évidence cette mémoire et de la quantifier en termes de réserves. L'hydrochimie est aussi un outil très puissant pour l'étude de la mémoire du système, car elle permet, grâce à son aspect qualitatif, de préciser l'origine des masses d'eaux transitant par l'exutoire, et ainsi d'affiner la reconstitution du fonctionnement hydrocinématique de l'aquifère. Cette reconstitution a été tentée à partir de deux démarches complémentaires, le suivi diachronique, étude des variations temporelles de concentration ou de flux physico-chimique d'émergences sélectionnées (suivi hebdomaclaire du Pont de Gys en Haute-Savoie, du Verneau dans le Doubs, du Baget en Ariège et de la Fontaine de Vaucluse, suivi quotidien de la Fontaine de Vaucluse, du Groseau et d'Aurel dans le Sud-Est de la France), et le cliché synchrone, prospection spatiale d'une province hydrogéologique à une période judicieusement choisie (Jura, Haut-Doubs, Haute-Saône et Sud-Est de la France). Les deux modes d'approche fournissent des résultats concordants: le système karstique en période hydrodynamiquement réputée non influencée (tarissement s.s.) garde la mémoire d'épisodes de recharge ayant modifié la chimie de la réserve assurant ce tarissement. Inversement, les abondantes précipitations responsables d'une montée de crue peuvent mobiliser d'importants volumes d'une eau à marque chimique de la réserve : le système en crue garde l'empreinte chimique de ses réserves. Le fonctionnement hydrocinématique des systèmes résulte donc de l'interaction de ces deux types de mémoire: mémoire à court terme et à long terme. La première partie de ce travail traite du suivi des paramètres physico-chimiques au cours du cycle hydrologique ainsi qu'en étiage. L'analyse des données montre que pendant le tarissement au sens strict les teneurs caractéristiques des réserves permanentes du système oscillent de manière aléatoire, aux erreurs analytiques près, autour d'une moyenne caractéristique de l'état hydrodynamique et hydrochimique de la réserve, et de l'histoire de sa recharge ; c'est pourquoi il est nécessaire, pour comparer le comportement de plusieurs émergences, de les étudier simultanément. La physico-chimie du système en tarissement est très sensible aux apports d'eau par la surface : on peut observer d'une part des transits rapides et directs d'eau chimiquement marquée par la zone non saturée, sans que le débit varie de manière appréciable et d'autre part une recharge partielle des blocs capacitifs du système par cette même infiltration ; dans ce cas, on note une évolution de la qualité des eaux des réserves à la suite de ces précipitations. Les basses eaux consécutives à ces pluies ne peuvent dès lors plus être considérées comme du tarissement au sens strict. Dans les systèmes bien karstifiés, les montées de crues mobilisent des eaux (marquées chimiquement par la réserve) présentes dans les drains au moment de l'infiltration. Cet effet piston, bien visible dans la chimie des eaux de l'émergence est suivi par l'arrivée des eaux d'infiltration qui se mélangent aux eaux de réserve. La deuxième partie tente de calculer la part relative des deux composantes (infiltration et réserve) au cours de crues ou au cours de cycles. Les résultats ne contredisent pas ceux obtenus par des méthodes hydrodynamiques ; toutefois la méthode physico-chimique donne plus de poids à la contribution des réserves, mais surtout met bien en évidence les décalages temporels existant entre les variations du débit (transfert) et le passage effectif des masses d'eau à l'exutoire (transit). Ces décalages sont fonction du type et de l'importance de la karstification. La troisième partie justifie l'emploi des campagnes de prélèvements instantanés des eaux des principales sources d'une région karstique, elle en précise les limites. Dans le Jura, l'altitude moyenne des impluviums et des réserves permanentes peut être obtenue par l'étude des teneurs en oxygène 18 et des températures. La chimie des eaux jurassiennes et son analyse multidimensionnelle mettent en évidence l'opposition structurale Haute-Chaîne-plateaux : les émergences de la Haute-Chaîne drainant des systèmes à faibles réserves (à temps de séjour faible) peu affectés par l'activité humaine, celles des plateaux drainant des aquifères à réserves plus développées établis sous des zones cultivées. Elles permettent de reconnaître les influences anthroplques et par là d'envisager un réseau de surveillance de la qualité de l'eau des réserves. L'acquisition des données de pCO2, de température et d'oxygène 18 fait considérer les campagnes de basses eaux hivernales comme de la décrue (ces campagnes incluant l'écoulement d'eaux d'infiltration différée) et non comme du tarissement. Toutefois l'utilisation des instantanés dans des régions trop monotones ou trop contrastées en limite l'intérêt. Dans le sud-Est de la la France, le rôle de la lithologie (dolomies ou évaporites) prévaut sur celui du fonctionnement hydrocinématique. Cependant, le rôle de l'évapotranspiration de surface est bien visible dans l'écoulement de l'émergence en basses eaux.

L'objectif de ces travaux de thèse était de caractériser la toxicité de l'uranium sur le métabolisme du poisson zèbre, Danio rerio. Puisque les effets de l'uranium se traduisent par des modifications de la performance du métabolisme, la question suivante se pose: que savons-nous du métabolisme du poisson zèbre témoin? Très peu de chose. En effet, nos connaissances à ce sujet sont assez limitées en dépit d'un grand nombre de travaux sur le développement de ce poisson. C'est pourquoi les trois premiers chapitres de ce manuscrit sont dédiés à la caractérisation du métabolisme témoin du Danio. J'ai utilisé la théorie des bilans d'énergie dynamique (DEB) pour procéder à cette caractérisation; à l'heure actuelle c'est la seule théorie qui quantifie l'ingestion, l'assimilation, la croissance, la reproduction, la maturation, la maintenance et le vieillissement pendant le cycle de vie entier d'un organisme. L'effet de l'uranium sur l'organisme implique un effet sur au moins une des processus cités ci-avant. Étant donné que la longévité du poisson zèbre est d'environ quatre ans et demi, et que l'intensité des effets liés à un stress chimique est inversement proportionnel à la taille, nous avons centré nos efforts sur les stades de vie précoces (embryon, juvénile et reproduction adulte). De surcroît, les stades de vies précoces semblent plus sensibles aux effets de l'uranium surtout au niveau des effets sur la croissance. <br /><br /> D'importants progrès ont été réalisés dans le domaine de la quantification du développent, de la croissance et de la reproduction du poisson zèbre. Il s'est avéré que le poisson zèbre accélère son développent après la naissance (c'est-à-dire l'instant où l'individu commence à se nourrir), jusqu'à la métamorphose, où l'accélération cesse. Ce processus a été constaté chez d'autre espèces de poissons, mais pas toutes. Une autre conclusion surprenante était que la maintenance somatique est beaucoup plus élevée que la valeur typique d'un poisson. Nous n'arrivons pas encore à expliquer pourquoi. De plus nous avons découvert que les détails sur la physiologie reproductive sont importants pour caractériser les effets de l'uranium: chez l'adulte les ressources allouées à la reproduction sont stockées dans un compartiment où siègent les processus de préparation de "batch " d'œufs (=buffer de reproduction). Il est donc important de comprendre ce processus pour comprendre comment le poisson zèbre élimine l'uranium via les œufs. <br /><br /> La théorie DEB spécifie que l'individu atteint un stade de développement à un niveau de maturité donné. Selon la température et/ou la nourriture, ce niveau de maturité peut être atteint à des tailles ou des âges différents. Nous avons élargi le concept pour inclure tous les stades de développement (définis sur la base de critères morphologiques) publiés dans les atlas de développement. Ce travail nous a permis d'expliquer par la théorie DEB à présent la variabilité en termes de taille et d'âge. <br/><br /> Dans le but de tester si la théorie DEB peut expliquer des perturbations au niveau de la maturation, nous avons étudié le développement de deux espèces de grenouilles taxonomiquement proches et de taille similaires. Une des espèces possède un développement typique comprenant un stade embryonnaire, un stade têtard qui se nourrit et puis un stade juvénile avec la morphologie typique d'une grenouille. Par contre la deuxième espèce témoigne d'une accélération du développement après l'éclosion mais avant la naissance- qui correspond au stade de développement où l'individu commence à se nourrir. Cette accélération est trahie par une augmentation de la respiration et un retard de la croissance avec au final une diminution de la taille à chaque stade de développement par rapport à la première espèce. Cette accélération s'estompe après la métamorphose (le moment où les jeunes grenouilles quittent l'eau). Toutes les différences entre les deux types de développement ont été expliquées par la théorie DEB en considérant qu'un seul paramètre changeait temporairement de valeur: la fraction de la réserve mobilisée vers la croissance et la maintenance somatique. La conclusion est que les perturbations observées au niveau de la maturation et de la variabilité de l'âge et la taille entre les différents stades de développement soutiennent empiriquement la façon que la théorie DEB incorpore la maturation. <br /><br /> Non seulement notre étude requérait une quantification détaillée de la maturation, mais elle requérait aussi la prise en compte de périodes (prolongées) de jeune, et ce plus particulièrement pour les stades précoces. Selon la théorie DEB la maintenance est alimentée avec l'énergie mobilisée de la réserve. Dès lors que la nourriture devient rare ou disparait cette dernière ne suffit plus pour alimenter la maintenance somatique. Nous avons détaillé ce cas de figure en modélisant le lien entre les processus de rajeunissement et d'amaigrissement extrême et la probabilité de survie. Les prédictions du modèle sont en accord avec les trajectoires de survie de larves obtenues en conditions de laboratoire. Certaines poissons libèrent plus d'un million d'œufs par événement de ponte et pourtant, si la dynamique de la population est stable, à chaque génération chaque poisson n'est remplacé que par un seul individu. Le processus de survie des larves représente une grande énigme irrésolue dans le domaine de la dynamique de populations de poisson. <br /><br /> Par le biais de ces travaux de doctorat, nous disposons à présent d'un outil permettant de comprendre, et de prédire, la manière dont la performance physiologique du poisson zèbre dépend de son niveau de nutrition. Le modèle a été utilisé pour détecter les modifications induites par l'uranium sur la performance physiologique d'un individu exposé par rapport à celle du témoin. A cette fin, nous avons développé un modèle dynamique qui spécifie la manière dont l'uranium s'accumule et s'élimine chez un individu qui se nourrit, grandit et se reproduit. Nous avions imaginé que l'uranium pourrait affecter le système immunitaire ainsi que d'autres mécanismes de défense cellulaire (e.g. système antioxydant). Selon la théorie DEB, l'allocation des ressources à la maturation comprend une fraction fixe de la réserve mobilisée auquel est soustrait le coût de maintenance de la maturité. Notre idée est que les coûts du système immunitaire et de défense cellulaire contribuent à la maintenance de la maturité. Si l'uranium augmentait les coûts de ce dernier alors la maturation ralentira, ainsi j'ai porté une attention soutenu aux taux de maturation. <br /><br /> Nous avons montré que l'uranium altère l'histologie de la paroi intestinale (acteur majeure dans l'assimilation des nutriments) et pourrait potentiellement modifier l'homéostasie des interactions hôte-bactérienne (acteur majeur dans l'assimilation et l'immunité inné). De plus nos travaux suggèrent que l'uranium augmenterait les coûts de synthèse de la structure et diminuerait l'assimilation et/ou augmenterait le coût de la maintenance somatique. Chose étonnante, malgré ce que nous pensions, nous n'avons pas pu détecter d'effets notables sur la maturation à ces faibles concentrations. Puisque la maturation interagit avec la croissance, la reproduction et la maintenance, je considère néanmoins que les travaux que j'ai pu mener sur la maturation sont pertinents. La toxicité de l'uranium est telle que les effets sur le coût de la synthèse de la structure et de la maintenance somatique sont estimés proches de 0 nM d'uranium dans l'eau. <br /><br /> Un résultat très important se dégageant de ces travaux est que la condition des poissons (structure, maturité, réserve, buffer de reproduction, stade de préparation des "batch") au début de l'expérience dépend de l'individu et conditionne la réponse de celui-ci au stress pendant (toute) l'expérience. Ce problème s'aggrave lorsque nous travaillons avec des poissons zèbres adultes car la contribution de la masse du buffer de reproduction par rapport à la masse totale diffère de manière important entre chaque individu. Ceci affecte alors non seulement les trajectoires de masse dans le temps, mais aussi la concentration interne, car la reproduction représente une voie importante d'élimination de l'uranium. La quantité totale de réserve (à savoir : réserve + buffer de reproduction) conditionne la sévérité de l'effet toxique contribuant ainsi à la variabilité dans les données. En prenant en compte les différences entre les conditions initiales de chaque individu, j'ai pu expliquer les résultats contradictoires publiés dans la littérature ainsi qu'expliquer mes propres résultats sur les effets de l'uranium. La leçon à retenir est que des données acquises sur des individus ne devraient pas être moyennées sur des groupes d'individus. <br /><br />

Ce travail de thèse est destiné à l'élaboration d'une méthodologie d'analyse des risques issus des pollutions accidentelles par hydrocarbures. Cette méthodologie s'appuie sur l'intégration d'outils de modélisation des phénomènes complexes de pollution des eaux souterraines par les LN APL ("Light Non Aqueous Phase Liquids"). En zone non saturée, il s'agit de représenter un écoulement polyphasique puisque les phases air, eau et huile coexistent. La modélisation de la propagation d'une pollution polyphasique se heurte aux limites dues aux nombreuses incertitudes introduites par les phénomènes de non-linéarité. Néanmoins, les échelles spatiales et temporelles sont plus petites qu'en zone saturée. De ce fait, 1' erreur introduite pour 1' estimation des risques est moins importante. En zone saturée, la propagation de la pollution se fait sous forme dissoute. Nous effectuons la simulation par approche hydrodispersive. Dans cette zone, la direction de propagation est essentiellement horizontale. Il est donc nécessaire de disposer d'un outil d'analyse spatiale pour estimer les risques de propagation. Pour obtenir une erreur homogène sur tout le trajet de propagation d'une pollution ponctuelle, il faut prendre en compte l'influence de l'échelle à laquelle les coefficients de dispersivité sont déterminés. A l'aide d'un système d'information géographique, les paramètres d'un site d'application test sont introduits dans les modèles hydrodynamiques. L'interprétation des résultats s'effectue par analyse spatiale pour représenter l'évolution spatio-temporelle de la propagation de la pollution.

Le changement climatique a pris une place considérable en constante augmentation dans l'actualité politique et médiatique, et contribue puissamment à reconfigurer le social et le politique. Décrit comme radicalement global, parce que les gaz à effet de serre émis dans une partie du monde affectent toute la planète, indétectable et ingérable sans l'appui des sciences naturelles, économiques et sociales, le changement climatique pose des questions fondamentales sur l'articulation des échelles et les relations sciences-politiques. Cette thèse s'intéresse à la façon dont le climat a été problématisé et " mis en politique " dans quatre contextes différents : au niveau global, c'est-à-dire dans le cadre des négociations onusiennes, à l'échelle européenne, en France et en Allemagne. En combinant des approches et outils de la sociologie des problèmes publics, des sciences politiques, et de l'étude des sciences et techniques, et en adoptant un regard à la fois historique et comparatif, elle s'attache à montrer comment le changement climatique a émergé comme thématique dans les contextes analysés, et comment des interprétations spécifiques du problème se sont imposées. Ces interprétations émergent de l'expertise scientifique et technique, mais aussi de l'interaction et de la compétition entre différents acteurs, qui essaient d'imposer leur vision du problème, et promouvoir des mesures spécifiques pour y faire face.

Il s'agit de constituer un système capable d'assister les responsables de projets d'aménagement en eau (décideurs, bureaux d'études) à partir des informations obtenues au cours d'expériences de simulation effectuées à l'aide du modèle MISE (Modèle Intégré de Stratégie de l'Eau). La variété de ces informations qui peuvent être descriptives, quantitatives ou provenir du savoir - faire des spécialistes nous a amenés à donner à ce système un environnement informatique rappelant celui des systèmes experts. Quelques exemples d'application de modules d'expertise sont présentés, ils concernent en particulier le dimensionnement des dispositifs d'assainissement autonome et la prospection des ressources en eau.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont produits au cours de processus de pyrolyse et de combustion. Ils se retrouvent dans les sols, souvent à des concentrations importantes. La réhabilitation d'anciens sites pollués par des HAP nécessite un diagnostic initial de la pollution. Dans cette optique, une procédure analytique basée sur la spectrophotométrie UV a été développée et validée sur environ 80 échantillons de sol. Les différentes méthodes d'exploitation des spectres UV des extraits organiques de sol ont conduit au développement d'outils simples et rapides de caractérisation. La méthodologie de laboratoire a été adaptée au terrain et a conduit à la réalisation d'un kit de caractérisation rapide des HAP. L'ensemble des résultats est donné en 20 minutes.

La thèse est structurée en trois chapitres. Dans le premier, on rappelle brièvement le contexte historique et législatif de l'évolution de l'assainissement en Europe. Le deuxième chapitre s'intéresse à l'étude diagnostic du réseau d'assainissement de la ville de Saint-Etienne, tant sur les plans quantitatif que qualitatif. Pour cela, nous développons un logiciel de simulation dont l'originalité réside dans sa structure informatique. Nous effectuons une étude de la pluviométrie locale, nous localisons les points de dysfonctionnement par la simulation et nous analysons l'impact des rejets stéphanois en phosphore sur la qualité des eaux de la Loire. Le troisième chapitre essaie par des développements méthodologiques de répondre aux questions soulevées précédemment, tout d'abord par une étude visant à caractériser les structures spatiales des pluies en utilisant des techniques issues de l'analyse de données, ensuite par une étude de sensibilité du modèle d'écoulement à la distribution spatiale de la pluie, au coefficient de ruissellement et au temps de réponse de bassins versants élémentaires, enfin par une dernière étude visant à déterminer la localisation optimale du réseau de pluviographes, en utilisant la technique du krigeage, en y intégrant la structure spatiale de la pluie et les coefficients de ruissellement des bassins versants

L'élaboration de la Directive Cadre sur l'Eau (DCE) en 2000 et de la Loi sur l'Eau et les Milieux Aquatiques (LEMA) en 2006 a mis en lumière l'importance de la quantification et de la caractérisation des transferts hydrosédimentaires dans les cours d'eau pour la gestion des milieux et des ressources naturelles. En effet, les conséquences associées à ces transferts peuvent être catastrophiques pour les écosystèmes continentaux et aquatiques, la biodiversité et même pour les populations (inondations, pollutions). A l'heure où l'on s'interroge sur les modalités de gestion des masses d'eau et des bassins versants, nous avons mené une étude centrée sur les cours d'eau " ordinaires " de l'ouest de la France, qui disposent généralement d'une énergie réduite (<15W/m²), et qui contrairement aux systèmes fluviaux plus dynamiques du sud du pays, restent peu étudiés jusqu'à présent. En effet, si des études se sont attachées à évaluer le degré d'érosion des sols à l'échelle de la parcelle, à analyser les dynamiques de ruissellement au sein des blocs culturaux ou à quantifier les volumes de sédiments exportés des bassins versants, les modalités de transferts des sédiments entre la parcelle agricole et l'exutoire du bassin restaient difficile à déterminer. C'est pourquoi, pour améliorer la connaissance de ces systèmes et aller au-delà d'une approche en boîte noire du fonctionnement du bassin versant, nous avons mis en place un réseau de mesures des flux de MES dans le bassin versant de la Seulles (430 km²), représentatif des hydrosystèmes bas-normands. Il a permis de suivre en continu durant plusieurs années les flux de MES dans différents contextes géologiques, géomorphologiques et paysagers, et de s'interroger sur le rôle des effets d'échelles sur les dynamiques spatiales et temporelles des transferts sédimentaires. De plus, la réalisation de bilans quantitatifs et qualitatifs a permis d'identifier l'origine des sédiments dans le bassin et de hiérarchiser les contributions de chaque source afin de proposer des budgets sédimentaires emboîtés. L'ensemble de ces études amène le bassin de la Seulles à devenir le premier observatoire des transferts sédimentaires régional.

Favoriser l'harmonie entre les humains et entre l'homme et la nature, dit le Rapport Brundtland. Développement durable, gouvernance, négociation, conservation, ces quatre notions décortiquées conduisent à nos questions de départ: (i) sur le plan théorique, comment s'articulent relations entre humains (rapport social) et liens homme-nature (rapport patrimonial) sur un hydrosystème territorialisé? (ii) sur le plan pratique, comment fournir une aide à la négociation environnementale dans un contexte multi-acteurs? Une proposition : l'Acteur en 4 Dimensions. Ce modèle conceptuel d'analyse transdisciplinaire vise à saisir la place attribuée aux acteurs faibles et aux acteurs absents sur un territoire, pour encourager une négociation plus écologique et une conservation plus humaine. L'A4D est expérimenté sur trois hydrosystèmes : Plaine du Forez, pentes sud du Kilimandjaro, Barthes de l'Adour au travers de l'empreinte territoriale, spectre graphique vecteur de connaissances et de dialogue.

La pollution des eaux est particulièrement problématique pour les pays industrialisés et les pays en développement. Des suivis environnementaux se sont alors avérés nécessaires afin de progresser dans la compréhension des origines et des conséquences de la présence de ces polluants. Parmi les polluants organiques les plus dangereux, les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) et les pesticides qui peuvent se retrouver à l'état de traces dans les milieux aquatiques. Leur analyse nécessite des méthodes analytiques à la fois spécifiques et sensibles. L'Extraction sur Phase Solide (SPE) suivi d'une analyse par la Chromatographie Gazeuse couplée à la Spectrométrie de Masse (GC-MS) est la méthode la plus couramment employée. Les travaux de thèse s'inscrivent ainsi dans l'optique générale visant à développer des nouvelles méthodes analytiques pour l'extraction et l'analyse de ces deux familles de polluants organiques présents dans l'eau. Afin de pallier les contraintes classiques de la SPE, une nouvelle approche a été développée qui consiste à introduire la technique de centrifugation dans certaines étapes de la procédure SPE. La nouvelle méthode élaborée a permis de réduire considérablement le temps de préparation et d'économiser l'utilisation et le rejet des solvants organiques, en réduisant presque 10 fois les volumes nécessaires à l'obtention des rendements de récupération satisfaisants. Une méthode d'analyse par injection à température programmable (PTV) a été optimisée afin d'améliorer les seuils de détection des HAP. Cette étude a permis également d'avoir les informations sur la qualité des eaux de pluie, eaux souterraines et eaux de surface au Liban quant au niveau de leur contamination pour les HAP et les pesticides.