Orientador: Anne Helene Fostier / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-06T07:09:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Magarelli_Gabriella_D.pdf: 1269237 bytes, checksum: d5caf3e28fdbea3e4b6060161d3437f4 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Foi objetivo principal deste trabalho de tese a quantificação dos fluxos de mercúrio gasoso (Hg0) na interface solo-atmosfera na Bacia do rio Negro utilizando câmaras dinâmicas de fluxo. O estudo metodológico realizado permitiu verificar que as câmaras de fluxo foram eficientes para comparar os fluxos dos diferentes sítios. No entanto, a umidade dentro da câmara e a baixa vazão de bombeamento podem ter subestimado os valores dos fluxos. Os fluxos encontrados nas áreas de floresta tanto de terra firme quanto inundável foram baixos, em concordância com dados da literatura. Nas áreas de floresta, os fluxos evasivos diurnos (média de 1,3 ± 1,3 pmol m-2 h-1) foram equivalentes aos fluxos invasivos noturnos (média de -1,3 ± 1,2 pmol m-2 h-1) e concluiu-se que os solos de floresta da Bacia não exportam Hg para a atmosfera. O que ocorre é uma ciclagem de cerca de 0,7 t ano-1 de Hg dentro das florestas. A deposição de Hg nos solos das florestas via serapilheira demonstrou ser a via de entrada de Hg mais significativa, cujo valor foi de 26,6 t ano-1. As áreas desmatadas da Bacia do Rio Negro apresentaram valores de fluxos de Hg na interface solo/atmosfera bem maiores que as áreas de floresta (média de 12,3 ± 9,9 pmol m-2 h-1). Isto levou à importante conclusão que a ausência de vegetação aumenta significativamente os fluxos de emissão, tanto em áreas de terra firme quanto em áreas inundáveis. Na bacia do rio Negro, considerando 1% de desmatamento, a massa de Hg exportada para a atmosfera pelos solos desmatados seria de 0,13 t ano-1. Além da importância de se estimar os fluxos de Hg0 na interface solo/atmosfera para o estudo do ciclo biogeoquímico do Hg na Bacia do rio Negro, o entendimento dos fatores que influenciam estes fluxos é de extrema importância. Dentre os fatores ambientais estudados, os que apresentaram uma correlação mais efetiva com os fluxos foram: a temperatura do solo, radiação solar e o teor de matéria orgânica no solo / Abstract: The aim of this thesis was to quantify the soil/air exchange of mercury in the Negro River Basin by using a Dynamic Flux Chamber. The methodological study showed that the flux chamber was efficient to compare the Hg fluxes in the different sites. However, the humidity inside the chamber and the low flushing flow rate could have subestimated the Hg fluxes. Hg fluxes found at the flooding forest and at the non-flooding forest were low but they are in agreement with literature reports. At the forest sites, the evasive diurnal Hg fluxes (mean of 1.3 ± 1.3 pmol m-2 h-1) were equivalent to the nocturnal fluxes (mean of -1.3 ± 1.2 pmol m-2h-1), concluding that the forest soils of the Negro River Basin do not export Hg to the atmosphere.What occurs is a Hg cycling of about 0.7 t y-1 inside the forest. The deposition of Hg to the forests soils from litterfall showed to be the most significative Hg input to the forest, whose value was 26.6 t y-1. The deforested sites of the Negro River Basin presented Hg fluxes in the soil/air exchange higher than the forest sites (12.3 ± 9.9 pmol m-2 h-1). This led to an important conclusion that the absence of vegetal covering significantly enhances Hg soil emissions, both in areas of flooding and in nonflooding soils. At the Negro River Basin, considering 1% of desforestation, the Hg mass exported to the atmosphere from the deforested soils would be 0.13 t ano-1. Besides the importance to estimating the Hg0 fluxes at the air/soil interface for a Hg biogeochemistry study of the Negro River Basin, the understanding of the factors that could affect these Hg fuxes is very important. Among the environmental paramethers studied, the soil temperature, the solar radiation and the soil organic matter were the paramethers which showed the highest correlations with the Hg fluxes. Key-words: mercury fluxes, soil/air exchange, flux chamber, Amazon, soil temperature / Doutorado / Quimica Analitica / Doutor em Ciências

Les risques de dégradation physique des sols forestiers sous l'effet de contraintes mécaniques externes liées à la mécanisation des opérations forestières, augmentent considérablement. Les mécanismes et le temps nécessaires à la restauration non assistée de la qualité des sols forestiers tassés restent encore peu étudiés, et leur identification nécessite de coupler les approches physiques, chimiques et biologiques. L'objectif de ce travail était d'étudier l'impact de la circulation d'un porteur forestier sur les conditions de l'enracinement (aération, régime hydrique et pénétrabilité) ainsi que son évolution à court terme. Ce travail s'appuie sur l'observation de deux sites expérimentaux mis en place dans le Nord Est de la France, concernant des sols de morphologie similaire (couche limono-argileuse de 50 cm d'épaisseur reposant sur un substrat argileux) et ayant subi des contraintes identiques. Des paramètres physiques (température et humidité du sol, densité apparente et résistance à la pénétration) et chimiques (composition de l'atmosphère du sol) ont été suivis pendant trois à quatre ans, à des fréquences allant d'un pas de temps quotidien à annuel. Le suivi du climat du sol et de la composition de son atmosphère a mis en évidence une diminution forte des conditions aérobies pendant un à un an et demi après le passage du porteur. Cet effet initial sur l'aération du sol a diminué subitement dès l'apparition de la première période de sécheresse édaphique, probablement grâce à la formation de fissures dans l'horizon de surface du sol tassé. Cependant un effet significatif du traitement sur la composition de l'atmosphère du sol pouvait toujours être observé trois à quatre ans après tassement. Pour suivre l'évolution des propriétés physiques du sol après circulation du porteur, il a été nécessaire d'opérer une normalisation par rapport à l'humidité au moment du prélèvement. Trois ou quatre ans après la circulation du porteur, une différence toujours significative existe entre les propriétés physiques des sols témoins et celles des sols tassés. Cependant une évolution de l'impact du porteur peut être mise en évidence dans la couche de surface (0–10 cm) des deux sites. Ce début de restauration se traduit, sur un des deux sites, par une différence entre traitement qui n'est plus significative quand les sols sont humides mais qui l'est encore quand les sols sont secs. Sur le deuxième site, cette différence a diminué quelle que ce soit l'humidité du sol. Ainsi, le début de régénération de la structure du sol perturbé ne s'accompagne pas d'une disparition de son comportement de prise en masse lors de son desséchement sur un des deux sites. Ce travail a permis de mettre en évidence une évolution des conséquences du porteur en surface du sol tassé qui serait liée à des processus physiques (gonflement –retrait, gel – dégel). Cependant, l'impact sur les conditions de l'enracinement (forte résistance à la pénétration quand les sols sont secs, faible aération quand ils sont humides) reste élevé de même que sur la résilience à long terme du peuplement. / Soil compaction belongs to the major treats to soil quality with no exceptions of forest ecosystems where the frequency and intensity of loads application increase since several decades. The mechanisms and the duration of soil quality recovery following heavy traffic in forests remain poorly documented and their study requires multidisciplinary approaches.The aim of this work was to evaluate the impact of forwarder traffic on the potential constraints to roots growth (aeration, water content, and penetrability) growing in two forest soils sensitive to compaction, and the evolution of these consequences in the short-term. This work is based on two experimental sites, set up in the northeast of France, with soils displaying similar morphologies (50 cm thick silt loam layer laying on a clayey layer) and having being loaded with the same forwarder under similar (wet) soil conditions. Soil climate (temperature and moisture), soil air composition, and soil bulk density and resistance to penetration were investigated continuously, monthly and yearly, respectively. Soil climate and air composition monitoring showed a strong initial decrease in aerobic conditions lasting one to one and a half year. The strong initial impact on soil aeration decreased concurrently with the first soil drought experimented at both sites, probably because of soil cracks formation in the disturbed soil. Yet heavy traffic still affected significantly soil air composition 3 to 4 years after compaction at both sites. To monitor changes in soil physical parameters, we had to standardize measures with regards to soil climatic conditions at the time of sampling. Three to four years after soil compaction, the difference in soil physical properties between treatments was still significant. However, changes in the impact of the forwarder traffic on soil physical characteristics could be stated in the surface layer (0–10 cm) of both sites. This beginning of soil restoration results at one of both sites in a difference between treatments that is no longer significant when soils are wet but that is still significant when the soils are dry. At the second site, the difference is still significant whatever soil moisture conditions but it has decreased since the start of the experiment. Consequently, this beginning of soil structure recovery is not accompanied by a disappearance of the hardsetting behaviour (decrease in hydrostructural stability) of the compacted soil at one site. In this study changes in the consequences of the forwarder traffic were stated in the surface soil layers of both sites, these changes may be due to physical processes (wetting – drying, freezing – thawing). Nevertheless, the impact remains strong on roots growth (high resistance to penetration when dry, poor gas transfer when wet) and on stand resilience to external stresses (drought, storm).

Les polluants organiques persistants (POPs) sont des substances toxiques ayant la capacité de se bioaccumuler le long de la chaîne alimentaire. Une fois émis dans l'atmosphère, ils sont dispersés par le vent puis se déposent au sol. Du fait de leur persistance, ils peuvent être réémis depuis le sol vers l'atmosphère et parcourir ainsi de longues distances. Ce processus est couramment appelé « effet saut de sauterelle ». On peut donc retrouver les POPs très loin de leurs sources d'émissions. Pour pouvoir prendre des décisions visant à réduire leur impact environnemental, il est nécessaire de comprendre leur comportement dans l'atmosphère mais également dans les autres milieux, tels que le sol, la végétation ou l'eau. De nombreux modèles numériques de complexité variable ont été développés dans le but de prédire le devenir des POPs dans l'environnement. La plupart d'entre eux considèrent le sol comme un compartiment homogène, pouvant ainsi mener à une sous-estimation des réémissions du sol vers l'atmosphère. Or, du fait de la mise en place de réglementations visant à réduire les émissions anthropiques des POPs, la concentration dans l'atmosphère tend à diminuer et le sol, qui semblait jusqu'alors être seulement un réservoir, devient une source potentielle de POPs pour l'atmosphère. Il apparaît donc nécessaire de coupler les modèles de dispersion atmosphérique à un modèle de sol réaliste. Mes recherches ont permis d'étudier l'impact des interactions entre le sol et l'atmosphère sur la concentration dans les différents milieux. Pour cela, nous avons développé un modèle de sol multi-couches permettant de mieux estimer le profil de concentration dans le sol et les échanges entre ces deux milieux. Une analyse de sensibilité a été effectuée afin d'identifier les paramètres clés dans la détermination des réémissions. Puis ce modèle a été couplé à un modèle 3D de chimie-transport atmosphérique. Une étude de cas à l'échelle européenne a alors été réalisée afin d'évaluer ce modèle et d'estimer l'impact des réémissions sur les concentrations de POPs dans l'environnement / Persitent Organic Pollutants (POPs) are toxic substances that bioaccumulate in the food chain. Once emitted in the atmosphere, they are transported by the wind and deposited on soil. Since they are persistent, they can be reemited from soil to atmosphere by volatilization and travel over very long distances. This process is called grasshopper effect. Thus, POPs may be found at significant levels far from their emission source. It is necessary to understand the transport and fate of these pollutants in order to support the decision making process and reduce human exposure to POPs. Regulations over the last decades lead to a decrease of anthropogenic emissions and subsequent decrease of atmospheric concentration. In this context, the soil is no longer a sink of POPs but can be a source to the atmosphere. Many numeric models aim to study the behavior of POPs in the environment. Most of them consider soil compartment as a homogeneous box, leading to an underestimation of reemissions. Then, it appears of great importance to develop more realistic soil models. The objective of my thesis was to develop such a model, with vertical transport within the soil. This model was evaluated against measured concentration soil profile. We also conducted a sensitivity analysis to identify the key parameters involved in the process of reemissions. Then, the soil model was coupled with an atmospheric transport model. A case study was finally undertaken to estimate the impacts of reemissions on global-mass balance of POPs at European scale

Face au changement climatique global, il est de plus en plus important de prêter attention à la performance thermique-hydro-mécanique des constructions géotechniques sous l'effet des conditions atmosphériques. L'objectif principal de cette étude est d'étudier le comportement hydro-thermique des sols soumis au effets du changement climatique par la modélisation numérique.Un modèle hydro-thermique couplé est tout d'abord développé pour décrire le comportement du sol hydro-thermique. La théorie utilisée pour décrire l'interaction sol-atmosphère est présentée sous forme des bilans de masse et d'énergie. Ensuite, une approche numérique pour analyser le comportement hydro-thermique du sol est proposée en combinant le modèle hydro-thermique couplé avec un modèle d'interaction sol-atmosphère. La validation de cette approche est réalisée par la comparaison entre les résultats numériques obtenus en utilisant le code FreeFem++ et les données des essais de la colonne de séchage qui sont trouvées dans la littérature. Cette approche est d'abord utilisée pour la modélisation numérique des essais à la chambre environnementale, réalisés par Song en 2014. Des résultats de simulation satisfaisants sont obtenus en termes de variations de la température et de la teneur en eau volumétrique du sol. Ensuite, cette approche est appliquée à deux remblais, à Héricourt et à Rouen. Pour le remblai d’Héricourt, une étude numérique a été menée pour une durée de 20 jours. La bonne concordance obtenue entre les résultats de simulation et les mesures montre que l'approche proposée est pertinente pour l'analyse du comportement hydro-thermique du sol dans le cas de remblais bidimensionnels. Elle prouve également que les conditions aux limites et les paramètres du sol adoptés sont appropriés. Dans le cas du remblai de Rouen, deux périodes différentes, 187 jours et 387 jours, sont prises en considération. On vérifie également la bonne performance de l'approche proposée pour estimer le comportement hydro-thermique du remblai sous l'effet du climat. La comparaison entre les calculs et les mesures révèle également l'importance d'adopter correctement les conditions aux limites thermiques et hydrauliques ainsi que les paramètres du sol. De plus, à partir des simulations numériques, plusieurs suggestions sont faites pour collecter des données d'entrée dans l'application de cette approche pour prédire les variations de la température et de la teneur en eau du sol à plus long terme / Facing the global climate change, it is more and more important to pay attention to the thermal-hydro-mechanical performance of geotechnical constructions under the effect of atmospheric conditions. The main objective of this study is to investigate the hydro-thermal behavior of soil subjected to climate change through numerical modelling.A coupled hydro-thermal model is developed for describing the coupled hydro-thermal soil behavior. The soil-atmosphere interaction is studied through the mass and energy balances. Afterwards, a numerical approach to estimate soil hydro-thermal behavior by integrating the coupled hydro-thermal model with a soil-atmosphere interaction model is proposed. The validation of this approach is performed through the comparison between the numerical results using FreeFem++ code and the experimental data available from column drying tests reported in literature. This approach is firstly used for the numerical modelling of the environmental chamber tests carried out by Song in 2014. Satisfactory simulation results are obtained in terms of variations of soil temperature and soil volumetric water content. Afterwards, this approach is further applied to two cases of embankments, in Héricourt and in Rouen respectively. For Héricourt embankment, a numerical investigation was conducted for 20 days, and a good agreement between simulation results and filed measurements is obtained, showing that the proposed approach is suitable for analyzing the soil hydro-thermal behavior in the case of two-dimensional embankments. It proves also that the boundary conditions and the soil parameters adopted are appropriate. In the case of Rouen embankment, two different periods, 187 days and 387 days, are considered. The good performance of the proposed approach in estimating the embankment hydro-thermal behavior under the climate effect is also verified. The comparison between calculations and measurements also reveals the importance of appropriately adopting the thermal and hydraulic boundary conditions as well as the soil parameters. Based on the numerical simulations, several suggestions are made in terms of collection of input data for the application of this approach to predict soil temperature and volumetric water content variations in longer term

En Europe, l'augmentation des températures moyennes de surface de l'air projetée au cours du 21ème siècle s'accompagne d'une augmentation des extrêmes chauds et d'une diminution des extrêmes froids. Dans les dernières décennies, des indices témoignent déjà de ces changements, comme l'établissement récurrent de nouveaux records de chaleur ou l'augmentation des canicules. Nous étudions l'évolution des extrêmes journaliers de température au cours du 20ème et du 21ème siècle en France et en Europe, et ce en termes d'occurrence et d'intensité. Un intérêt particulier est aussi porté aux mécanismes responsables de ces futurs extrêmes climatiques, ainsi qu'aux futures températures maximales. Nous nous intéressons tout d'abord à l'évolution des records journaliers de température à partir d'observations et de modèles de climat. Entre 1950 et 1980, l'évolution théorique des records dans le cadre d'un climat stationnaire représente correctement l'évolution observée des records chauds et froids. Depuis les années 1980, un écart à ce climat stationnaire est observé, avec respectivement une augmentation et une diminution de l'occurrence des records chauds et froids. Les modèles climatiques suggèrent une accentuation de ces changements au cours du siècle. L'occurrence moyenne des records chauds à la fin du siècle présente une forte augmentation par rapport aux premières décennies de la période observée. L'augmentation la plus importante des records chauds est projetée en été, en particulier dans la région méditerranéenne. Quant aux records froids, les modèles indiquent une diminution très importante de leur occurrence, avec une occurrence quasi-nulle dans les dernières décennies. Les variations observées d'occurrence de records sont, au début du 21ème siècle, toujours dans l'éventail des fluctuations de la variabilité interne du climat. Au cours du siècle, l'émergence de l'influence anthropique de ces fluctuations est détectable dans l'évolution des records chauds et froids en été, et ce respectivement autour des décennies 2030 et 2020. À l'horizon de la fin du siècle, les changements moyens d'occurrence de records ne peuvent pas être uniquement expliqués par des fluctuations naturelles. Nous nous sommes ensuite intéressés aux futures températures estivales extrêmes, ainsi qu'aux canicules intenses qui peuvent être à l'origine de ces extrêmes. Pour cela, l'utilisation de modèles climatiques globaux est associée à la modélisation climatique régionale et à des stations d'observations en France. Tout d'abord, l'augmentation maximale des valeurs maximales des records journaliers de température en été en France est estimée à partir d'une simulation régionale à haute résolution spatiale. À l'horizon 2100, les projections indiquent une augmentation maximale de ces valeurs extrêmes en été comprise entre de 6.6°C et 9.9°C selon les régions de la France. La comparaison de ces projections avec un ensemble de modèles climatiques indique que ces augmentations maximales pourraient être plus importantes. La médiane de la distribution des modèles indique en effet une augmentation maximale de ces valeurs maximales des records journaliers de température de 11.8°C en été et en France. Puis, des expériences de modélisation de canicules intenses du climat européen de la fin du 21ème siècle ont été réalisées à partir d'événements particuliers d'un modèle de climat. Ces expériences ont mis en évidence le rôle des interactions entre le sol et l'atmosphère dans l'amplification des températures extrêmes lors de futurs évènements caniculaire intenses. L'occurrence de telles canicules est d'abord dépendante de la circulation atmosphérique, mais l'intensité des températures peut ensuite être fortement amplifiée en fonction du contenu en humidité des sols avant la canicule, et donc des conditions climatiques des semaines et des mois précédents. / Over the 21st century, the mean increase in surface air temperatures is projected to be associated with an increase in warm temperature extremes and a decrease in the cold ones. Over the last decades, evidence already suggests these changes, as for example recurrent warm record-breaking temperatures or the increase in heatwave occurrence. We investigate the evolution of daily temperature extremes over the 20th and the 21st centuries in France and in Europe, their possible changes in frequency and intensity. We also focus on the mechanisms responsible for these projected climate extremes, as well as the maximum values of temperature extremes at the end of the century. First, we investigate the evolution of daily record-breaking temperatures in Europe based on the observations and an ensemble of climate models. From the 1950s to the 1980s, the theoretical evolution of the records in a stationary climate correctly reproduce the observed one, for both cold and warm records. From 1980, a shift from that theoretical evolution is observed, with an increase in the occurrence of warm records and a decrease in the occurrence of the cold ones. Climate models suggest an amplification of these changes over the century. At the end of the 21st century, the mean number of warm records shows a strong increase compared to the first decades of the observed period. The strongest increase in warm record-breaking temperatures is found in summer, and particularly over the Mediterranean edge. On the contrary, the occurrence of cold record-breaking temperatures is projected to strongly decrease, with almost no new records in the last decades of the century, for all seasons and over the entire European domain. Observed variations of daily record-breaking temperatures are still, at the beginning of the 21st century, consistent with internal climate variability only. Over the century, the anthropogenic influence emerge from these fluctuations in the summer record evolutions, around the 2030 and the 2020 for the warm and cold records respectively. By 2100, the mean changes in record occurrences cannot be explained by the internal climate variability solely, for all seasons and over the entire European domain. Then, we investigate future extreme temperatures at the end of the 21st century, as well as severe heatwaves leading to these extremes. Climate models analyses are associated with regional climate modeling and a French station-based dataset of observations. The summer 21st century evolution of the maximum values of daily warm record-breaking temperatures is first examined in the observations and the high resolution simulation of the regional model. By 2100, an increase of these values is projected, with maximum changes between +6.6°C and +9.9°C in summer among the French regions. These projections assessed from a regional model may underestimate the changes. The multi-model mean estimate of the maximum increase of these values is indeed around +11.8°C in summer over France. Finally, regional modeling experiments of severe heatwaves in the climate of the end of the 21st century in Europe are performed. These severe heatwaves are selected cases from a global climate model trajectory. The experiments results show the role of the soil-atmosphere interactions in the amplification of the extreme temperatures during such future severe warm events. The occurrence of the heatwave is first caused by the atmospheric circulation, but the temperature anomaly can then be amplified according to the soil moisture content before the event, and thus the climatic conditions of the preceding weeks and months.

La compréhension des écoulements souterrains est importante pour de nombreuses applications comme l’énergie ou le stockage des déchets nucléaires. Cette thèse, effectuée en collaboration avec le Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), est dédiée à la simulation des écoulements diphasiques compositionnels thermiques en milieux poreux et ses applications à la géothermie haute énergie et plus particulièrement au champ géothermique de Bouillante (Guadeloupe). Tout d’abord, deux formulations à variables persistantes sont comparées en termes d’implémentation et de convergence numérique. Dans ces deux formulations, les fractions molaires d’une phase absente sont étendues par celles à l’équilibre thermodynamique avec la phase présente. Il en résulte que l’ensemble des variables principales et des équations ne dépend pas de l’ensemble de phases présentes. De plus, l’équilibre thermodynamique est exprimé par une contrainte de complémentarité pour chacune des phases, ce qui permet l’utilisation de méthodes de type semi-smooth Newton pour résoudre les systèmes non-linéaires. D’autre part, cette thèse présente une nouvelle méthodologie combinant des discrétisations centrées aux noeuds (le schéma Vertex Approximate Gradient - VAG) et aux faces (le schéma Hybrid Finite Volume - HFV) sur une partition arbitraire des ensembles de mailles ou de faces, dans le but d’adapter le choix du schéma aux différentes parties du maillage. En effet, les maillages hybrides composés de différents types de mailles sont plus adaptés à la discrétisation de la géologie et de la géométrie des différents domaines d’un système géothermique. Ainsi le schéma peut être choisi localement en fonction de la géométrie de la maille et des propriétés pétrophysiques. L’analyse de convergence est effectuée dans le cadre des discrétisations Gradient pour des problèmes de diffusion du second ordre et la convergence est confirmée numériquement sur différents types de maillages hybrides 3D. Ensuite la discrétisation VAG-HFV est étendue au cas des écoulements de Darcy diphasiques non-isothermes compositionnels et est appliquée au cas test 2D représentant le plan de faille vertical du réservoir géothermique de Bouillante. Un autre aspect important de la modélisation des flux géothermiques consiste à prendre en compte les interactions entre le flux dans le milieu poreux et l’atmosphère. Puisque le couplage entre le modèle poreux et un modèle 2D surfacique ou 3D atmosphérique n’est pas réaliste en terme de coût de calcul aux échelles spatiale et temporelle géologiques, l’interaction sol-atmosphère est modélisée grâce à une condition limite prenant en compte l’équilibre de matière et d’énergie à l’interface. Ce modèle considère une couche limite atmosphérique avec transfert convectif molaire et thermique (en supposant l’évaporation de la phase liquide), une condition de débordement liquide aux surfaces d’infiltration, ainsi que le rayonnement thermique et la recharge en eau douce due aux précipitations. Cette condition limite est évaluée à l’aide d’une solution de référence couplant les écoulements non-isothermes liquide-gaz en milieu poreux et le gaz dans le milieu libre. Elle est ensuite étudiée numériquement en terme de convergence et de solution sur des cas tests géothermiques, dont le plan de faille vertical du réservoir géothermique de Bouillante. En complément est présenté le travail issu d’une collaboration lors de l’école d’été du CEMRACS 2016. Le projet consistait à ajouter un modèle de puits multi-branche thermique au code ComPASS, un nouveau simulateur géothermique parallèle basé sur des maillages non-structurés avec la possibilité de représenter des fractures. / The study of the subsurface flows is important for various applications such as energy or nuclear waste storage. This thesis, performed in collaboration with the French Geological Survey (BRGM), is dedicated to the simulation of non-isothermal compositional two-phase flows in porous media and its applications to high-energy geothermal fields and more precisely to the Bouillante field (Guadeloupe, French West Indies). First of all, two persistent variable formulations are compared in terms of implementation and numerical convergence. In these two formulations, the choice of the principal variables is based on with the extension of the phase molar fractions by the one at thermodynamic equilibrium with the present phase. It results that the set of principal variables and equations does not depend on the set of present phases. It also has the advantage to express the thermodynamic equilibrium as complementarity constraints, which allows the use of semi-smooth Newton methods to solve the non-linear systems. Moreover, this thesis presents a new methodology to combine a node-centered discretization (the Vertex Approximate Gradient scheme - VAG) and a face-centered discretization (the Hybrid Finite Volume scheme - HFV) on arbitrary subsets of cells or faces in order to choose the best-suited scheme in different parts of the mesh. Indeed, hybrid meshes composed of different types of cells are best suited to discretize the geology and geometry of the different parts of the geothermal system. Then, the scheme is adapted locally to the type of mesh/ cells and to petrophysical properties. The convergence analysis is performed in the gradient discretization framework over second order diffusion problems and the convergence is checked numerically on various types of hybrid three-dimensional meshes. Then, the VAG-HFV discretization is extended to non-isothermal compositional liquid-gas Darcy flows and is applied on the two dimensional cross-section of the Bouillante high temperature geothermal reservoir. Another important aspect of the geothermal flows modelling consists in considering the interactions between the porous medium and the atmosphere. Since the coupling between the porous medium and the 2D surface of 3D atmospheric flows is not computationally realistic at the space and time scales of a geothermal flow, the soil-atmosphere interaction is modelled using an advanced boundary condition accounting for the matter (mole) and energy balance at the interface. The model considers an atmospheric boundary layer with convective molar and energy transfers (assuming the vaporization of the liquid phase in the atmosphere), a liquid outflow condition at seepage surfaces, as well as the heat radiation and the precipitation influx. This boundary condition is assessed using a reference solution coupling the Darcy flow to a full-dimensional gas free flow. Then, it is studied numerically in terms of solution and convergence of the Newton-min non-linear solvers on several geothermal test cases including two-dimensional simulations of the Bouillante geothermal field. In addition is presented the collaborative project which took place during the CEMRACS summer school 2016. The project consisted in adding a multibranch thermal well model into the ComPASS code, a new geothermal simulator based on unstructured meshes and adapted to parallel distributed architectures with the ability to represent fractures.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:53:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1349952 bytes, checksum: 7c1d8a7ee6647c7d23f9e903f8120640 (MD5) Previous issue date: 2011-05-30 / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The emission of gases of the greenhouse effect has increased dramatically since the geological era until the present days. Currently the use of fossil fuels and the changing of the use of the Earth are most responsible for the emission of these gases to the atmosphere.The carbon in the soil represents more than three times the carbon in the terrestrial biomass and about two times the carbon in the atmosphere, been a potential source of CO2 and CH4.The biogeochemical process that occurs in the soil or sediments for the emission of gases such as carbon dioxide and methane are controlled by process like the reduction of mineral compounds mainly oxides and amorphous and poor crystalline in anaerobic environment. These process leads to the formation of a favorable habitat suitable to the population grows of Methanogenic bacteria consequently with the production of gases of greenhouse effective. Nowadays there are several projects that defend that the hydroelectric dam offers a great contribution to the emission of the effective of greenhouse gases. This project has the purpose of study what the characteristics has more influence for the production of the emission of greenhouse effective in flood soils in hydroelectric lakes. The chapter one is dedicated to literature review where are addressed the more relevant topics. The chapter II had the purpose of studying the electrochemical dynamics of the soil at Zona da Mata mineira subject to flood due to the construction of hydroelectric. As a result we obtained that how bigger is the of Fe, bigger will be reduction of the soil, which lead us to establish the habitats proper for the establishment of the growth of Methanogenic bacteria‟s. population. The contents of Fe, CO and N have more influence in the ox reduction of flood soil. The chapter III had the purpose of studying dynamics and reactivity of the soil organic carbon (SOC) such as it is also dedicated to estimate the production of CH4 in soils flooded by hydroelectric dams lake with the purpose of identifying which characteristics has more influence in the production of methane comes from an eventually flooded of soils. As a result were obtained that the reactivity of SOC receives influence of the texture of the soil, and the finer is the texture greater is the presence of free fractions. The N shows an important factor to be analyzed due to its relation with the degradation of organic compound and microbial activity. / As emissões de gases do efeito estufa (GEE) têm aumentado vertiginosamente desde eras geológicos até os dias atuais. Atualmente a utilização de combustíveis fósseis, e alterações no uso da Terra, são as maiores responsáveis pelas grandes emissões destes gases para a atmosfera. O carbono contido no solo representa mais de três vezes o carbono contido em toda a biomassa terrestre e cerca de duas vezes o carbono contido na atmosfera, sendo, dessa forma, uma potencial fonte emissora de CO2 e CH4. Os processos biogeoquímicos que ocorrem em solos e ou sedimentos para emissão de gases como o dióxido de carbono e metano, são controlados por processos como a redução de compostos minerais, principalmente óxidos, amorfos e mal cristalizados em ambientes anaeróbios. Estes processos levam a formação de um habitat propício para o crescimento populacional de bactérias metanogênicas, com a conseqüente produção de gases do efeito estufa. Atualmente há diversos trabalhos que defendem que barragem de usinas hidroelétricas oferece uma grande contribuição na emissão de gases do efeito estufa. Nesta pesquisa objetivou-se estudar quais as características do exercem mais influencia para a produção de gases do efeito estufa em solos alagados em lagos de hidroelétricas. O capítulo I é dedicado a revisão de literatura, onde são abordados temas que se julgam relevantes. No capítulo II se objetivou estudar a dinâmica eletroquímica de solos da zona da mata mineira passíveis de serem submetidos a alagamento devido a construção de hidroelétricas. Como resultado obteve-se que quanto maior for a atividade de Fe, maior será o potencial de redução do solo, o que leva ao estabelecimento de habitats, apropriados para o estabelecimento de populações de bactérias metanogênicas. Os teores de Fe, CO e N, são os que mais exercem influencia no processo de oxiredução de solos alagados. O capítulo III teve por objetivo estudar dinâmica e reatividade do carbono orgânico do solo (COS), bem como dedicado a estimar a produção de CH4 em solos alagados por lagos de usinas hidroelétricas, com o intuito de identificar quais características exerce mais influência na produção de metano, provinda do eventual alagamento dos solos. Como resultados foram obtidos que a reatividade do COS recebe influencia da textura do solo, sendo que quanto mais fina a textura maior a presença de frações livres. O N total se mostra um importante fator a ser analisado devido sua relação com a degradação de compostos orgânicos e atividade microbiana.