Le phosphore (P) est un nutriment essentiel dans le contrôle de l'eutrophisation des eaux de surface. La majorité du P causant cette eutrophisation dans les pays occidentaux est aujourd'hui issu des sols agricoles, ce qui explique pourquoi les recherches actuelles sur l'eutrophisation se focalisent sur la compréhension des mécanismes par lequel le P est relargué de ces sols. Dans cette thèse, nous étudions ces mécanismes en nous focalisant sur la fraction dissoute (DP) du P, fraction la plus menaçante du point de vue de l'eutrophisation. Une double approche a été utilisée, combinant le suivi de la composition d'eaux du sol et d'eaux de ruisseau dans un petit bassin versant (BV) agricole représentatif (BV de Kervidy-Naizin, France) et des simulations expérimentales au laboratoire. Les suivis de terrain ont révélé que les zones humides ripariennes (RW) étaient les principales zones de relargage de DP dans le BV étudié, via deux mécanismes essentiellement déclenchée par les fluctuations des hauteurs de nappe, i) la réhumectation des sols (DRW) et ii) la dissolution réductrice des oxydes de fer du sol dans de périodes d'anoxie. Ces mêmes suivis ont révélé la présence de fortes variations spatiales de la nature chimique (inorganique et organique/colloïdale) du DP relargué. Les variations saisonnières et interannuelles de l'hydroclimat, combinées aux variations locales de topographie ont été démontrées être les deux facteurs principaux contrôlant i) la fréquence des épisodes DRW, et ii) la durée des périodes anoxiques, entraînant au final de fortes variations saisonnières et interannuelles de la dynamique de relargage du DP. Comme indiqué dans un modèle conceptuel général, la topographie est sans doute le facteur clé de contrôle des variations observées, en raison de son rôle sur i) le transfert de P à partir des parcelles agricoles amont, ii) le taux de minéralisation du P organique du sol P et iii), le déclenchement des deux mécanismes de relargage précités. Les expériences en laboratoire ont confirmé le rôle des événements DRW comme processus clé causant le relargage de DP dans les RWs. Les résultats ont démontré que le DP relargué consistait non seulement de "vrai" DP inorganique et organique, mais aussi de P colloïdal, le P colloïdal et le DP organique étant les plus réactifs aux événements DRW. Les données ont aussi révélées que ces différentes formes de P provenaient de différentes sources dans le sol (méso et macroporosité pour P colloïdal et le DP organique; microporosité pour DP inorganique), et que la quantité de P colloïdal relargué était positivement corrélée avec la teneur en matière organique et la taille de biomasse microbienne du sol. Ces mêmes expériences ont confirmé le rôle des conditions anoxiques comme conditions favorisant la libération de DP dans les RWs. La dissolution réductive de sol Fe-oxyhydroxydes n'est cependant pas le seul processus impliqué, un autre processus étant la hausse du pH causée par des réactions de réduction. Les résultats obtenus démontrent que l'augmentation de pH contrôle la libération de DP dans les sols riches en matière organique, alors que ce relargage est contrôlé principalement par la réduction des oxydes de fer dans les sols pauvres en matière organique. Les données expérimentales démontrent également que l'apport de sédiments issus des sols agricoles amont accroit le relargage de DP dans les RW, probablement en raison de la dissolution des oxydes de fer de ces mêmes sédiments par les bactéries ferroréductrices des Rws. Au final, cette thèse permet de mieux contraindre les mécanismes et facteurs responsables du relargage de DP dans les bassins versants agricoles. Une conséquence très pratique de ce travail est que la conception de stratégies pour limiter les fuites de DP dans ces bassins ne peut se faire sans une prise en compte des rôles de l'hydroclimat, de la topographie locale et des propriétés du sol sur ce relargage. / Phosphorus (P) is a key nutrient in controlling surface water eutrophication. Because of the decrease of urban and industrial P emissions, most of the P nowadays causing surface water eutrophication in western countries consists of P transferred from agricultural soils, explaining why current eutrophication research focused on understanding the mechanisms by which P is released from soils. In this thesis, we studied these release mechanisms for dissolved P (DP) – i.e. the most bioavailable P component for algae - using an approach combining field monitoring of soil and stream water compositions in a small, headwater catchment typical of western countries agricultural catchments (the Kervidy-Naizn catchment, France), and laboratory experimental simulations. Field monitoring data revealed that riparian wetlands (RW) are the main zones of DP release and DP production in the studied catchment, through essentially two mechanisms triggered by groundwater table fluctuations, namely i) rewetting of dry soils (DRW), and ii) reductive dissolution of soil Fe (hydr)oxides during anaerobic periods. Field monitoring data also revealed the presence of strong spatial variations in the chemical nature (inorganic vs. organic/colloidal) of the released DP, which was in relation to differences in soil properties and local topography. Seasonal and inter-annual hydroclimate variations, combined with variations in local topography were found to control the frequency of soil DRW events and duration of anaerobic periods, resulting in strong seasonal and inter-annual variations of DP release dynamics. As shown in a conceptual model, topography is likely to be the key driver of the observed spatial and temporal variations, because of its combined control on i) the transfer of P from upland fields to RW zones, ii) the mineralization rates of soil organic P and iii) the triggering of the above two release mechanisms. Laboratory leaching experiments on the same soils confirmed the role of DRW events as a major process causing DP release pulses in RWs. The data demonstrated that the released DP consisted not only of true dissolved inorganic and organic P but also of colloidal P, the latter phase being the most reactive to DRW events. The data also revealed that the different P forms came from different P sources in the soil (soil macro/mesopores for colloidal P and organic DP; soil micropores for inorganic DP) and that the amount of released colloidal P correlated positively with the organic matter contents and soil microbial biomass size of the soil. Anaerobic incubation experiments, on their hand, confirmed the role of anoxic conditions as conditions favoring the release of DP in RW. Reductive dissolution of soil Fe-oxyhydroxide was, however, not the sole process involved in that release, another process being the rise in pH caused by reduction reactions. Experimental data showed that the pH rise controlled the DP release in organic-rich soils, this release being on the contrary mainly controlled by soil Fe-oxyhydroxides reductive dissolution in organic-poor soils. Experimental data also showed that the input of soil sediments from upland fields enhanced the release of DP in RW, most likely due to the enhanced dissolution of sediment Fe-oxyhydroxides by RW Fe-reducing bacteria. Overall, this thesis allowed new constraints to be placed on the release mechanisms of DP in headwater agricultural catchments. One very practical output is that great care should be taken of hydroclimate variability, local topography, and soil property when designing and implementing management options to reduce DP release and transfer in agricultural catchments.

Les écosystèmes aquatiques soumis à des pressions anthropiques sont des lieux d'évolution rapide des communautés microbiennes. Cet environnement participe certainement à l'émergence d'agents infectieux résistants aux antibiotiques. La ville de Montpellier est située dans un petit bassin versant qui subit d’une part des épisodes de pluies brutales et d’autre part de fortes pressions démographiques. Le principal hôpital est situé dans une zone de ruissellement comprenant deux petites rivières urbaines provenant d'eaux souterraines karstiques à quelques kilomètres en amont. L’objectif de cette étude est d'explorer les communautés bactériennes dans les rivières urbaines qui coulent près du centre hospitalier afin d'évaluer l'influence des ruissellements sur la résistance aux antibiotiques dans les communautés bactériennes. Les communautés bactériennes sont également décrites dans les aquifères karstiques en amont. Une section introductive présente les méthodes disponibles pour l'étude de la résistance aux antimicrobiens dans l'environnement et une revue de la littérature expose les données actuelles sur la résistance aux antibiotiques dans l’eau de ruissellement urbain. Cette partie justifie les stratégies expérimentales. La méthode développée ici, appelée détermination de la concentration inhibitrice à l’échelle de la communauté bactérienne (c-IC, pour community inhibitory concentration), est combinée à une description de la richesse taxonomique pour donner une description instantanée des communautés bactériennes résistantes dans les environnements aquatiques. Une stratégie dérivée de l'approche c-IC permet d'explorer la résistance bactérienne dans le système hydrologique urbain près de l'hôpital et dans les aquifères karstiques. Les données microbiologiques recueillies sont complétées par des données hydrologiques, hydrogéologiques, climatiques et physico-chimiques.L'impact de très faibles concentrations d'antibiotiques sur la structure de la communauté bactérienne dans divers environnements hydriques a été démontré et apparaît comme un indicateur de la vulnérabilité des écosystèmes face aux pressions antimicrobiennes. Le répertoire taxonomique des communautés fluviales urbaines a été décrit et sa dynamique a été confrontée aux conditions environnementales. Le voisinage des hôpitaux augmente significativement la prévalence des bactéries résistantes par rapport à une zone urbaine similaire éloignée de l'hôpital. Des bactéries d’intérêt médical résistantes aux céphalosporines et aux carbapénèmes ont été isolées. De façon surprenante, un Escherichia coli producteur de NDM-5, pathogène émergeant hautement résistant, a été signalé pour la première fois dans une rivière française. Le clone a été détecté dans deux échantillons indépendants montrant sa persistance. Le gène blaNDM-5 et son environnement génétique ont été décrits sur un plasmide IncX3 transférable, indiquant un transfert génétique horizontal possible. La résistance aux antimicrobiens dans l'eau souterraine karstique a varié dans le temps et dans l'espace et est difficilement comparable à celle décrite dans les rivières associées. En milieu urbain, la qualité de l'eau et le risque infectieux sont généralement évalués sur les eaux usées et les effluents des stations d'épuration. Cette étude montre que les eaux de ruissellement dans des zones urbanisées contribuent à l'émergence et à la dissémination de la résistance aux antimicrobiens. Compte tenu de l'épidémiologie inquiétante des maladies infectieuses, cette étude invite à explorer les potentiels réservoirs environnementaux de bactéries résistantes afin de compléter les connaissances sur le cycle épidémiologique de la résistance aux antimicrobiens et essayer de l’interrompre ou de le ralentir. / Aquatic ecosystems subjected to anthropic pressures are places of rapid evolution of microbial communities. They are likely hotspots for emergence of infectious disease agents resistant to antibiotics. The city of Montpellier is located in a small watershed that undergoes brutal rainfall episodes and strong demographic pressures. A hospital is located in a runoff area including two small urban rivers originating from karstic groundwater few kilometers upstream. The aim of the study is to explore bacterial communities in urban rivers flowing near hospital settings in order to evaluate the influence of runoffs on antibiotics resistance in the bacterial communities. Bacterial communities are also described in upstream karstic aquifers.An introductive section presents the methods available for studying antimicrobial resistance in environment and then reviews comprehensively bibliography on antibiotics resistance in urban runoffs. This part supports the experimental strategies. The method developed herein, called community Inhibitory Concentration (c-IC) determination is combined to taxonomic richness description to provide a tool that gives a rapid snapshot of resistant bacterial communities in aquatic environments. A strategy derived from c-IC approach allows the exploration of bacterial resistance in the urban hydrologic system near the hospital and in karstic aquifers. The collected microbiological data has been completed by hydrological, hydrogeological, climatic and physico-chemical data.The impact of very low concentration of antibiotics on the bacterial community structure in various water bodies was demonstrated and appeared as an indicator of the vulnerability of ecosystems to antimicrobial pressures. The taxonomic repertory of the urban river communities was described and its dynamics was compared to environmental conditions. Hospital vicinity significantly increase the prevalence of resistant bacteria compared to a similar urban area remote from hospital. Diverse clinically relevant cephalosporins and carbapenems resistant bacteria have been isolated. Surprisingly, a NDM-producing Escherichia coli, which is a highly resistant and emerging pathogen was reported for the first time in a French River. The clone was detected in two independent sampling showing its persistence. The blaNDM-5 gene and its surrounding sequences were described on a transferable IncX3 plasmid, indicating possible genetic transfer to other bacteria. The antimicrobial resistance in karst groundwater varied in time and space and was hardly compared with that described in related rivers.In urban settings, water quality and infectious risk is generally assessed on sewers and wastewater treatment plants effluents. This study shows that runoff waters in urbanized area contribute to the emergence and dissemination of antimicrobial resistance. Considering the worrisome epidemiology of infectious diseases, it urges to decipher all environmental reservoirs for resistant bacteria in order to complete knowledges about the epidemiological cycle of antimicrobial resistance and try to break or slow down it.

Le potentiel de biodégradation des éthènes chlorés (ECs) et du dichlorométhane (DCM) dans les eaux souterraines de l’ancien site industriel de Themeroil (Varennes-le-Grand, France) a été évalué par des études en microcosmes, à travers l’utilisation de biomarqueurs moléculaires, et par analyse isotopique spécifique au composé (compound specific isotope analysis, CSIA). L’objectif de ce travail a été d’évaluer i) la biodégradation de ces polluants et la diversité bactérienne associée dans les eaux du site, et ii) l’impact de mélanges de contaminants et des conditions rédox dans ce processus. L’implication majeure d’un taxon bactérien affilié à Dehalococcoides dans la dégradation du PCE dans les eaux du site, et son lien potentiel aux gènes de déshalogénase pceA et vcrA associés au processus de déchloration, ont été mises en évidence. La dégradation du DCM en présence d’ECs dans les eaux du site a ensuite été démontrée, et des souches bactériennes dégradant le DCM ont été isolées à partir d’eaux du site et caractérisées. La CSIA a révélé une forte biodégradation du DCM in situ. Des analyses des eaux du site, par qPCR ciblant les gènes dcmA et dhlA de la biodégradation bactérienne du DCM, et par séquençage haut-débit du gène de l’ARNr 16S, ont permis d’évaluer le rôle potentiel de différents taxa bactériens associés à la dégradation du DCM. Il a ainsi été montré que la répartition spatiale de ces taxa sur site dépend dans une large mesure des conditions rédox et du niveau de contamination. L’influence de ces paramètres sur la biodégradation, étudiée ensuite en microcosmes, a été confirmée par l’observation de différents profils de dégradation dans des conditions rédox et de co-contamination distinctes. Ceci suggère la participation de différents types de métabolisme à la biodégradation des éthènes et alcanes chlorés sur site. Les résultats obtenus confirment la pertinence d’études en microcosme pour évaluer le potentiel de biodégradation des polluants halogénés dans les sites contaminés, et pour orienter les traitements de dépollution à privilégier. / The biodegradation potential of chlorinated ethenes (CEs) and dichloromethane (DCM) in groundwater from the former industrial site of Themeroil (Varennes-le-Grand, France) was evaluated in microcosm studies, using molecular biomarkers and compound-specific isotope analysis (CSIA). The objective of this work was to evaluate i) the biodegradation of these pollutants and the associated bacterial diversity in site groundwater, and ii) the impact of contaminant mixtures and redox conditions on biodegradation. The major role of a taxon affiliated to Dehalococcoides in PCE degradation in site groundwater, and its potential link to dehalogenase genes pceA and vcrA associated with the process, were highlighted. Degradation of DCM in the presence of CEs in site groundwater was then demonstrated, and DCM-degrading strains were isolated from site groundwater and characterised. CSIA revealed a large extent of DCM biodegradation in situ. Analyses of groundwater from the site, targeting dcmA and dhlA genes for DCM biodegradation by qPCR, as well as by high-throughput sequencing of the 16S rRNA gene, allowed to evaluate the potential role of different bacterial taxa associated with DCM dehalogenation in DCM degradation on site. It was shown that the spatial distribution of these taxa on site depends significantly from redox conditions and contamination level. The influence of these parameters on biodegradation was also investigated in microcosms, and distinct degradation profiles were observed under different redox and co-contamination conditions. This suggests that different types of metabolism participate in biodegradation of chlorinated ethenes and alkanes on site. Obtained results confirm the relevance of microcosm studies in evaluating halogenated pollutants biodegradation potential on contaminated sites, and in guiding the choice of remediation approaches to be favoured.

Pour d'évidentes raisons agronomiques et environnementales, être en mesure de concevoir et mettre en place des systèmes de culture dans lesquels les plantes accèdent aux ressources de manière optimale revêt une importance cruciale pour tous les intervenants impliqués dans la production agricole. Les techniques d'intensification telles que la mise en place de cultures d'inter-rang et l'agro-foresterie visent à accroître la productivité globale des terres tout en assurant la durabilité des agro-écosystèmes, via une optimisation de l'utilisation des ressources environnementales (lumière, eau et nutriments) par les plantes et une préservation des cycles géochimiques. En théorie, les moyens d'atteindre ces objectifs sont nombreux mais en pratique, les interactions souterraines sont complexes et difficiles à mesurer, de sorte que les progrès réalisés dans la conception d'agro-écosystèmes améliorés et durables demeurent modestes. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail a été d'évaluer, au travers de mesures racinaires detaillées en rhizotron et au champ, les effets des cultures d'inter-rang sur la croissance des jeunes hévéas. La dynamique des interactions souterraines a été étudiée, tant au niveau de la racine individuelle qu'à celui du système racinaire entier, sur la base, notamment, de descriptions numériques détaillées. Une telle approche a permis de proposer, en outre, une voie novatrice pour l'analyse de la dynamique racinaire à l'echelle du systeme racinaire entier, à savoir l'analyse des trajectoires de croissance. Dans le cas de l'association maïs-hévéa, les expérimentations en rhizotron ont permis de mettre en evidence que les interactions souterraines entre ces deux plantes peuvent induire des modifications de la croissance de leurs racines, à la fois à l'échelle de la racine individuelle et à celle du système racinaire entier. Toutefois, une telle coordination des dynamiques racinaires des plantes associées n'a pas pu être confirmée dans le cas des traitements manioc-hévéa et arachide– hévéa. Les expérimentations au terrain ont fourni, de manière assez prévisible, une image complexe des interactions souterraines entre hévéa et cultures d’inter-rang. Toutefois, un premier résultat obtenu par le biais de la mise en place de 'pièges à racines' dans un traitement niébé-hévéa, a été de montrer que ces deux plantes n'avaient pas un comportement compétitif marqué l'une vis-à-vis de l'autre. Il est également apparu que les hévéas paraissent ‘investir’ dans des racines ‘coûteuses’, car de faible longueur spécifique, probablement pour assurer une certaine durabilité de ces organes, tandis que les cultures d’inter-rang favorisent l'allocation des assimilâts vers des racines de longueur spécifique élevée, de construction moins ‘coûteuses’, probablement en réponse a un impératif de croissance plus rapide (suggéré par les taux d’élongation racinaire mesurés au cours des expérimentations en rhizotron). Enfin, excepté le cas du manioc, l’introduction de cultures d’inter-rang telles que le maïs et l'arachide n'a pas eu d'impact significatif sur le développement des jeunes hévéas, comme en attestent l'évolution de leur circonférence, hauteur et développement foliaire. Ce résultat de terrain est compatible avec les résultats des expérimentations en rhizotron qui n'ont démontré aucun effet inhibiteur des cultures d’inter-rang sur le développement de la partie aérienne des hévéas. Bien que les travaux présentés dans ce rapport, ne permettent pas, à eux seuls de conclure de manière définitive sur la façon dont les espèces cultivées en association peuvent se compléter mutuellement sur le plan fonctionnel, ils apportent des éléments de réponse préliminaires à cette question complexe ainsi que des méthodes permettant de les obtenir. Au total, ce travail représente donc une contribution à la conception des agro-écosystèmes durables qui deviennent de plus en plus indispensables dans le contexte d'une demande mondiale croissante en produits alimentaires et matières premières. En outre, certains des résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ouvrent des perspectives pour des recherches plus approfondies, avec une finalité agronomique appliquée / For obvious agronomic and environmental reasons, being able to design and implement agro-ecosystems in which crops have optimal access to resources is of pivotal importance to all stakeholders involved in agricultural production. Intensification techniques such as agro-forestry or the introduction of inter-crops aim to increase land productivity while conserving geochemical cycles, to ensure the sustainability of agro-ecosystems through an optimized use of environmental resources (light, water and nutrients). In theory, there are many ways of achieving such a goal, but in practice, below-ground interactions between plants are complex and difficult to measure, so that progress with the development of sustainable agro-ecosystems has been slow and remains modest. In this context, the objective of this work was to assess the effects of inter-crops on the growth of young rubber trees, based on a detailed analysis of below-ground interactions between the associated plants. The dynamics of below-ground interactions has been studied in rhizoboxes, at both the scale of individual roots and that of the whole root system, using detailed numerical descriptions of root architecture. Such an approach resulted in the design of an innovative method for the analysis of the entire root system dynamics, namely, the analysis of growth trajectories. In the case of the maize-rubber tree association, the experiments in rhizoboxes showed that the below-ground interactions between these two plants can induce changes in root growth, at both the individual root and the whole root system levels. However, such a coordination of rooting patterns could not be confirmed in the case of the cassava-rubber tree and groundnut-rubber tree associations. Not unexpectedly, field experiments provided a rather complex picture of the underground interactions between rubber trees and inter-crops. However, initial results obtained using 'root traps' in a cowpea-rubber tree treatment indicated that these two plants were unlikely to have a marked underground competitive behavior relative to each other. Results of field experiments also indicated that, in general, rubber trees seem to 'invest' in 'expensive roots' of low specific root length, presumably to confer some degree of durability to these organs, while inter-crops favoured the allocation of assimilates to 'cheaper' roots, i.e. roots of much higher specific length, probably in response to a 'fast growth imperative' (an hypothesis supported by the root elongation rate values measured during the rhizobox experiments). Finally, to the possible exception of cassava, inter-crops were found to have no significant impact on the development of young rubber trees, as evidenced by measured changes in tree circumference, height and leaf development. This result is consistent with results from the rhizobox experiments which also showed no inhibitory effect of inter-crops on the above-ground development of rubber trees. Although the work presented in this report does not allow, in itself, to conclude firmly on the issue of the functional complementarity between plants grown in association in inter-cropping systems, they provide preliminary answers to this complex issue together with methods to obtain such answers. Overall, this work therefore represents a contribution to the design of sustainable agro-ecosystems which are becoming increasingly needed in the context of a growing global demand for food and raw materials. In addition, some of the results generated by this work open up prospects for future research for the development of sustainable agro-ecosystems

Pour progresser dans la compréhension des mécanismes liés aux instabilités des cavités souterraines à partir de la réponse microsismique associée, l'effondrement provoqué d'une cavité saline (~ 200 m en diamètre), créée par dissolution, a été instrumentée sur un site d’exploitation de SOLVAY à Cerville-Buissoncourt (Lorraine, France). Pendant l’expérimentation un vaste ensemble des données a été enregistré (~ 50,000 fichiers d'événements) dont la majorité (80%) est constitué d’essaims microsismiques singuliers. Cette thèse présente une analyse et une interprétation détaillée de cette base de données microsismiques grâce à l’adaptation de méthodologies de traitement originales, dont les résultats améliorent notre compréhension sur la nature de la microsismicité liée aux processus de création et d’effondrement des cavités souterraines, ainsi que sur l’évaluation de l’aléa associé. Les résultats principaux obtenus sont les suivants : les événements microsismiques sont comparables à des petits séismes tectoniques ayant des magnitudes de moment variant entre -3 et 1. (ii) L’ensemble des événements microsismiques montre un mécanisme en cisaillement (double-couple) remarquablement stable et est associé à un régime en faille inverse d’orientation NO - SE, plongeant à environ 35°– 55°. Ce phénomène est probablement lié à la présence de fractures préexistantes sur le site. (iii) L'origine des essaims microsismiques est certainement due à l'incapacité du système à créer des fractures de grandes dimensions capables de libérer des contraintes très importantes. Cela est probablement lié aux propriétés mécaniques du toit de la cavité. (iv) Les périodes d’effondrements du toit de la cavité sont associées à une dynamique de forçage systématique et montrent une réponse microsismique particulière, qui peut-être décrite par des lois statistiques. Les travaux de recherche de cette thèse confirment également, que la surveillance microsismique peut être un outil puissant pour étudier les processus d’instabilité des cavités souterraines, même avec un nombre réduit de capteurs si des outils d’analyse adaptés sont utilisés / In order to improve our understanding of hazardous underground cavities and its microseismic response, the development and collapse of a ~ 200 m wide salt solution mining cavity was monitored at Cerville-Buissoncourt in the Lorraine basin in NE France. The majority of the obtained dataset (~80%) was constituted of numerous unusual microseismic swarming events (~50.000 event files). This thesis presents innovative methods able to treat this specific microseismic data set, whose results provide new and fundamental insights into the principal characteristics of caving and collapsing related microseismicity and hazard assessment of excavated underground formations. The principal results are as follows: (i) the individual microseismic events are comparable to small natural tectonic earthquakes with moment magnitudes Mw ranging from around -3 to 1. (ii) Source mechanisms for most microseismic events are remarkable stable and demonstrate a predominant thrust faulting (double-couple) regime with faults similarly oriented NW-SE, dipping 35°-55° , what might be related to the presence of systematically arranged pre-existing fractures. (iii) The origin of microseismic swarming is suggested in the incapacity to sustain larger strains and to release larger stresses, what seems to be related to the mechanical constitution of the rock strata overlying the cavity (i.e. low strength materials). (iv) Caving and collapsing periods at the cavity roof are associated with systematic, self- reinforcing dynamics and have a distinct microseismic response, clearly observable from statistical analysis, which can be precisely described by empirical laws. The performed analysis and interpretation of the microseismicity at Cerville-Buissoncourt has shown that microseismic monitoring is a useful tool to constrain the mechanical and dynamical characteristics of an evolving and collapsing hazardous underground cavity

Le bassin hydrologique du Barada et de l’Awaj est le plus important et le plus intensément exploité de Syrie. Le sous bassin amont de la rivière Awaj occupe la partie sud-ouest de ce bassin. Dans cette région aride, l’eau souterraine représente la principale réserve et ressource de production d’eau. Dans l’optique de caractériser le fonctionnement du système hydrogéologique multicouche local et de calculer un bilan hydrologique pour l’aquifère superficiel, une méthodologie multi techniques couplant hydrochimie, isotopie et hydrodynamisme a été déployée. L’analyse détaillée des données hydrochimiques recueillies a mis en évidence la grande variabilité du fond géochimique local, directement fonction de la stratigraphie. Cette complexité stratigraphique induit une vision hydrogéologique complexe de nombreux corps aquifères. L’évolution de la chimie des eaux révèle la prépondérance du phénomène de dissolution/précipitation des roches carbonatées comme principal mécanisme de contrôle de l’hydrochimie, devant l’hydrolyse des silicates, la dissolution du gypse et l’échange ionique. En conséquence il n’a pas été possible de déduire de l’hydrochimie des eaux les preuves d’une recharge par drainance ascendante depuis l’aquifère du jurassique vers les aquifères superficiels, bien que la similarité des faciès hydrochimiques tend à consolider l’hypothèse d’une origine unique des eaux, sans toutefois permettre une identification des chemins d’écoulement. Les données isotopiques indiquent quant à elles, une infiltration importante et rapide des eaux météoritiques, avant qu’une importante phase d’évaporation n’ait lieu. Ainsi, l’important flux d’infiltration qui se produit essentiellement dans la partie montagneuse de la zone, représente la principale source de recharge du système aquifère multicouche régional. De ce fait la zone d’étude peut se subdiviser en deux sous régions : la première (A) se caractérise par une dissolution active et des flux de circulation d’eau souterraine fortement orientés verticalement vers la profondeur, alors que la seconde (B) est caractérisée par des écoulements peu profonds associés à des interactions hydrochimiques avec les roches encaissantes. Les résultats de la modélisation hydrodynamique du système mettent en évidence la connexion hydraulique entre l’aquifère profond du Jurassique et les aquifères surincombants par le biais d’une drainance ascendante. Le bilan hydrologique de l’aquifère se surface a ainsi pu être appréhendé : les principaux flux de recharge proviennent de l’infiltration des eaux météoritiques mais également de l’écoulement latéral du Jurassique dans la partie montagneuse. La drainance ascendante depuis le Jurassique dans la partie aval est également non négligeable. Du point de vue des sorties, le flux d’écoulement le plus important se situe en direction de l’est vers le centre du bassin. Ce constat permet de concevoir que La sous bassin amont de le rivière Awaj est la principale zone de recharge occidentale du bassin de Barada et Awaj. / Barada and Awaj basin is the most important and extensively used water basin in Syria. The upper part of Awaj River occupies the southwestern part of this basin. In this arid region, groundwater is considered to be as a main source of water supply. In order to assess the main features which characterize the hydrogeological system in this area and calculate the water budget of the first aquifer horizon, a multi approach methodology using hydrochemistry, environmental stable isotopes and groundwater modeling were used as integrated tools. The detailed description of hydrogeochemical conditions has underlined the very complex variability of the stratigraphic sequences and hence the numerous hydrogeological units within the study area. Hydrogeochemical evolution reveals the domination of dissolution/precipitation of carbonate rocks as a main mechanism controlling groundwater chemical composition and to less extend, the silicate hydrolysis, dissolution of gypsum and reverse ion exchange. Consequently, hydrochemical patterns did not give enough evidences for the expecting of huge feeding flow from the Jurassic aquifers towards the Neogene/Quaternary aquifer. The similarity in water type tends to express the existence of a unique hydrochemical system where the individualised groundwater flow paths are difficult to delineate. The isotope compositions imply an important rapid infiltration of atmospheric precipitation before significant evaporation takes place. Hence the infiltrated precipitation provides the main source of groundwater recharge all over the study area and mainly throughout the mountainous parts. The study area can be dividing into two main sub-regions. The sub-region (A) which characterizes by active dissolution phenomena and deep vertical groundwater flow. And sub-region (B) which characterizes by a shallow horizontal flow component associated with active interaction between groundwater and hosting rocks. The result of groundwater model indicates a hydraulic connection between the deep aquifers and the overlying first aquifer through the upward leakage of groundwater. The components of the water budget of the first aquifer had determined. The lateral discharge from the Jurassic aquifer as well as the meteoric recharge is the most important recharging component of this budget. The upward leakage of groundwater from deeper aquifers also plays an important role. However, the lateral discharge from the eastern boundary is the largest discharge component which indicates that the study area can be considered as a main recharge region of the western side of the Barada and Awaj Basin.

Dans ce travail, les risques naturels considérés concernent des mouvements de terrains qui résultent de deux phénomènes principaux : retrait et gonflement des sols argileux et l'affaissement à grand rayon lié à la présence des cavités souterraines. Ceux-ci provoquent des tassements différentiels du sol qui génèrent des désordres sur les constructions environnantes : dégâts et fissuration des murs porteurs en maçonnerie, particulièrement aux angles du bâti. Ces dégradations structurales induisent des conséquences économiques importantes dans le cas des maisons individuelles ; elles résultent d'un manque de résistance des maçonneries, du peu de raideur de leur système de fondation et du peu d'efficacité de leur système de contreventement. Cette recherche a pour objectif d'analyser la vulnérabilité du bâti et de proposer des méthodes de renforcement pour les constructions existantes ainsi que des recommandations de dimensionnement pour les constructions. Ces questions nécessitent une connaissance approfondie du phénomène des mouvements des terrains et des modalités de transfert de ces actions à une structure. Pour y répondre, quatre étapes principales ont été effectuées : une étude bibliographique, une analyse de l'interaction sol-structure, un développement d'une justification d'endommagement et d'une méthode de renforcement ou de dimensionnement ainsi qu'une analyse probabiliste des risques. L'étude bibliographique avec des analyses fonctionnelles et statistiques, d'abord, propose un profil de la maison sensible à l'aléa naturel et des cas typiques des désordres sur la construction. Le développement des modélisations par éléments finis ensuite permet d'étudier les phénomènes d'interaction sol-structure. L'analyse de l'interaction sol - structure, au moyen de modélisations par éléments finis, permet d'obtenir des sollicitations dans la maçonnerie. D'abord, des modèles analytique et numérique simplifiés ont été développés pour modéliser des structures simples telles une semelle filante, un système de semelles d'une fondation filante ou un mur en maçonnerie sur un sol élastique de type Winkler ou Boussinesq. Ensuite, des modélisations de structures plus complexes avec tous les éléments du bâti ont été effectuées en développant un code aux éléments finis particulier qui a permis de calculer des bâtiments en maçonnerie sur un sol de type Pasternak. En vue de développer une justification d'endommagement ainsi qu'une méthode de renforcement et de dimensionnement adaptée pour risque «mouvement de terrains », les travaux de recherche focalisent sur la distribution des sollicitations obtenues par des modélisations et analysent les domaines de validité de la démarche proposée par les Eurocodes EC6 et EC8 pour les murs de contreventement en maçonnerie confinée (chainée) ou armée. L'analyse probabiliste des risques, couplant les modèles aux éléments finis développés avec la méthode des simulations de Monte-Carlo, a permis d'étudier la vulnérabilité des maisons individuelles selon les caractéristiques structurales représentatives du bâti existant, dans les régions les plus touchées par les mouvements de terrains. Les résultats de cette analyse ont été unifiés, au sein d'une méthodologie globale de l'évaluation de la vulnérabilité de structures, à l'usage, d'une part, des pouvoirs publics dans l'établissement de cartographies SIG des risques, et d'autre part de la capacité des procédés de renforcement à l'usage des industries / In the present work, the considered natural hazards concern to ground movements resulting from two main phenomena : shrinkage and swelling of clay soils and ground subsidence due to the presence of underground cavities. These phenomena cause differential ground settlements which generate disorders on the structures erected in their neighborhood : damage and cracking of masonry load-bearing walls, especially at the building corners. These structural degradations cause important economic consequences and losses in the case of dwelling houses. These damages result from a lack of masonry resistance or a small stiffness of the foundation system as well as a limited effectiveness of bracing system.This research aims to analyze the vulnerability of buildings and to propose a reinforcement method for the existing constructions as well as design recommendations for structures. These topics require a thorough understanding of the ground movements phenomenon and their transfer as actions on a structure. For this purpose, four main steps were performed : a literature review, an analysis of soil-structure interaction, a development of a damage justification and a method for reinforcement or design, as well as a probabilistic analysis of risk.The literature review with functional and statistical analysis, as a first step, provides a profile of the house susceptible to natural hazard effects and typical cases of building disturbances. The development of finite element method is therefore considered in order to study soil-structure interaction.The analysis of the soil-structure interaction using finite element modeling provides stresses in the masonry. First, simplified analytical and numerical models have been developed for simple structures such as a strip footing, a system of strips foundation or a masonry wall lying on elastic soil (Winkler or Boussinesq). Afterwards, modeling of more complex structures with the whole building elements was made by developing a particular finite element code that allowed the calculation of masonry buildings on a Pasternak soil. To develop a damage justification as well as the reinforcement and design building methods suitable for risk of “ground movements”, this work focuses on the stresses distribution obtained by numerical models and analyzes the validity domain of the approach proposed by Eurocodes EC6 and EC8 for confined masonry or reinforced masonry. By coupling the developed finite element models with the Monte-Carlo method, the probabilistic analysis of risk allows to study the vulnerability of dwelling houses having representative structural characteristics of existing buildings, erected in areas that are the most affected by ground movements. The results of this analysis have been unified into a global methodology for assessing the vulnerability of structures. This methodology is used, in one hand, for the development of GIS mapping of risks and, in other hand, for the reinforcement processes

Ce travail s’inscrit dans un projet de recherche interdisciplinaire (Zone Atelier Bassin du Rhône – Agence de l’Eau Rhône Méditerranée Corse) portant sur la rivière Cèze, affluent du Rhône.Le terrain d’expérimentation se situe dans les formations karstiques du bassin de la Cèze (Gard, France). Cette zone touristique est exposée à une croissance démographique et de l’activité agricole, engendrant une augmentation de la demande en eau. La thèse se concentre sur la restitution des eaux karstiques à la rivière en période estivale pour en comprendre le fonctionnement de l’hydrosystème en période de basses eaux, quand la ressource est vulnérable.Ce travail a permis d’élaborer une méthodologie, pour analyser et quantifier les échanges entre la rivière et l’aquifère karstique, fondée sur : la géologie, l’hydrologie, la géochimie, la biologie, la radioactivité en radon, l’analyse d’images infrarouges thermiques et la modélisation. Les résultats obtenus avec ces approches sont confrontés pour interpréter les interactions karst/rivière d’un point de vue qualitatif et/ou quantitatif (localisation, périodicité, débits). La confrontation de ces résultats met en avant l’intérêt d’une méthodologie interdisciplinaire pour interpréter et quantifier les échanges karst/rivière. L’application de la méthode montre qu’en juin 2015, la Cèze est alimentée à 50 % par des eaux karstiques.L’analyse multi-métrique du système karstique a permis d’acquérir de nouvelles connaissances sur son fonctionnement nécessaires pour paramétrer le modèle par réseaux de neurones qui constitue la dernière étape de ce travail. / This work is part of an interdisciplinary research project (Rhone Basin Workshop Zone – the Rhone-Mediterranean and Corsica Water Agency) on the river Cèze, a tributary of the Rhône.The experimental field is located in the karstic formations of the Cèze basin (Gard, France). This tourist area is exposed to population growth and agricultural activity, causing an increase in water demand. The thesis focuses on the karstic water restitution to the river during summer, in order to understand the functioning of the hydrosystem in periods of low water levels, when the resource is vulnerable.This work led to the development of a methodology to analyze and quantify the exchanges between karstic aquifers and rivers. This methodology is based on geology, hydrology, geochemistry, biology, radon radioactivity, infrared thermal imaging analysis and modeling. The results obtained with these approaches are compared in order to understand the karst/river interactions from a qualitative and/or quantitative point of view (localization, frequency, flow rates). The comparison of these results highlights the advantages of an interdisciplinary methodology for understanding and quantifying the karst/river exchanges. The application of this method shows that in June 2015, 50 % of the river Cèze was fed by karstic waters.The multi-metric analysis of the karstic system has led to new knowledge about its functioning. This knowledge is necessary to set the model’s parameters using neural networks, which is the last stage of this work.

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Face à l’augmentation actuelle des pressions anthropiques sur les réserves d’eaux douces, leur préservation, et notamment celle des eaux souterraines, est primordiale. Les interactions entre les lacs et les eaux souterraines sont étudiées ici afin d’identifier si certains lacs peuvent être utilisés comme indicateurs de changements qualitatifs et quantitatifs des eaux souterraines, spécialement au Québec où plus de 10% du territoire est recouvert d’eaux douces avec un million de lacs recensés. Une vingtaine de petits lacs de Kettle, situés dans des dépôts fluvioglaciaires, ont été spécifiquement choisis pour leur très probable interconnexion avec les aquifères libres peu profonds. Les flux d'eaux souterraines ont été quantifiés via les bilans hydrologiques des lacs couplés aux deux traceurs naturels des eaux souterraines que sont les isotopes stables de la molécule d’eau et le radon 222.A l’échelle régionale, ces lacs présentent un apport annuel et un temps de renouvellement relativement rapide par les eaux souterraines. A l’échelle locale, la modélisation journalière multicouches d’un lac témoin (le lac Lacasse) montre l’importance de la mesure des traceurs, et leur complémentarité, sur la colonne d’eau en fonction des saisons. Différents scénarii d’évolution climatique et environnementale ont ensuite été testés sur les bilans hydrologiques à long terme. Les résultats montrent que la sensibilité de la composition isotopique des lacs à l’horizon 2050 face à l’évolution de la recharge est principalement contrôlée par le pourcentage que représente l’apport des eaux souterraines dans le total de leurs apports en eau, avec une sensibilité optimale pour une fraction de 50 à 80% des apports totaux. Par l’amélioration des connaissances sur les interactions entre lacs et eaux souterraines et sur les outils qui les mettent en évidence, ce travail de recherche a montré que la signature géochimique des lacs peut être utilisée comme indicateur du devenir des ressources en eaux souterraines face aux changements climatiques et environnementaux, pour une meilleure gestion durable de ces hydro systèmes. / In the face of modern anthropogenic pressures, the preservation of freshwater resources, particularly groundwater, is paramount. This study investigates interactions between small lakes and groundwater in Quebec, where more than 10% of the territory is covered by freshwater including one million inventoried lakes, to determine whether these lakes may be used as indicators of groundwater change. Twenty-one kettle lakes, set in fluvioglacial deposits, have been specifically targeted for this study due to the high likelihood of connection to shallow unconfined aquifers. Groundwater flows were quantified via lake water balances coupled with two natural tracers of groundwater: stable isotopes of water and Radon-222. On a regional scale the majority of these lakes are characterized by an important annual groundwater inflow and a short-to-medium groundwater flushing time. Daily multi-layer modeling of one of the study lakes, Lake Lacasse, highlights the importance of conducting measurements of these complementary tracers on the water column at the local scale. Different climate and environmental change scenarios were tested to determine the long-term evolution of lake geochemistry. The results indicate that the sensitivity of the isotopic composition of lake water to changes in recharge by year 2050 is mainly controlled by the amount of the total lake balance contributed by groundwater, with an optimum sensitivity for 50-80% of the total inflows contributed by groundwater. This research demonstrates that the geochemical signatures of lakes can be used to indicate future groundwater change in response to climate and environmental evolution, which may assist in improvements to the sustainable management of freshwater resources.