Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2005. / Texte et résumé en anglais. Curriculum vitae. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. f. 192-203.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3599. Texte en anglais. Résumé en anglais. Curriculum vitae. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. f. 180-193.

Située au Nord-Ouest de la Tunisie centrale, le bassin de Foussana du gouvernorat de Kasserine constitue une zone de transition entre la région tellienne pluvieuse au Nord et la région saharienne au Sud. Il est bordé par une série de reliefs de formes et de directions variées. Dans cette région aride à semi-aride, l’eau souterraine représente la principale réserve et ressource de production d’eau. Du point de vue tectonique, le bassin de Foussana est caractérisé par la présence de multiples failles. Les failles de direction NW-SE, dont la plus importante est celle qui s’aligne parallèlement à l’Oued Hatab (Faille de Foussana). Les failles qui bordent le fossé du côté est et du côté Ouest se placent dans la famille directionnelle NW-SE. Les failles de direction NE-SW, dont la plus importante est celle qui borde Jebel Chambi du côté sud, montrent une activité décrochante senestre à composante normale. Les failles de direction EW constituent la troisième famille de fracture ayant contrôlé l’évolution de cette structure effondrée. Le bassin d’effondrement de Foussana formé par le jeu de failles de direction NW-SE constitue une fosse subsidente comblée de dépôts MioPlioQuaternaires à caractère continental et renferment plusieurs niveaux aquifères avec des intercommunications latérales entre les grés miocènes et les niveaux Plio-Quaternaires le long des failles de bordure et par drainance le long de l’axe de la fosse matérialisé par l’oued El Hatab. Le Quaternaire couvre toute la cuvette. Sa constitution varie selon les régions, en bordure, nous retrouvons les éboulis de pente formés de gros éléments de calcaire sub- arrondis, parfois bien cimentés par de l’argile rouge. Ces dépôts laissent la place au centre de la cuvette de l’Oued Hatab à des dépôts plus fins constitués de sol sableux ou argilo - sableux avec une certaine proportion de limon. Dans les régions de bordure, les dépôts du PlioQuaternaire très grossiers sont directement superposés aux grès miocènes. Les aquifères profond du Pliocène (PQ2) et superficiel du Quaternaires (PQ1) sont susceptibles de constituer un aquifère unique, puisque leurs résistivités sont presque semblables, leurs salinités sont voisines, et leurs piézométries sont confondues. Les grès Miocènes varient d’une région à l’autre selon qu’on est dans les zones de bordures ou dans des fosses. Ils sont libres au Nord et au Sud de la plaine séparés par les deux grands accidents tectoniques. Les grès en affleurement sont non seulement plus grossiers mais aussi plus homogènes, ce qui attribue aux aquifères libres une grande perméabilité, contrairement aux aquifères des grès en charge où les alternances fréquentes d’argiles et de marnes réduisent énormément ce paramètre. Cette homogénéité croit également en profondeur. Dans l’optique de caractériser le fonctionnement du système hydrogéologique multicouche et de calculer un bilan hydrologique pour le système aquifère, une méthodologie multi techniques couplant l’ hydrochimie, l’isotopie et l’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 des minéraux évaporitiques et la précipitation de la calcite comme principal mécanisme de contrôle de l’hydrochimie devant les phénomènes d’échange de base et par la pollution anthropique induit par la présence des nitrates. 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 Miocene 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. / The study area lies in the northern part of central Tunisia and extends over about 650 km2. It is located betweenthe rainy Tellian region in the North and the Saharan region in the South. The Foussana Basin is a typical closedinland basin surrounded by high mountains where the precipitation varies over space and time as a result oftopography and seasonality.The main outcrop that marks the watershed of Foussana basin is the quaternary alluvium, which is surrounded byCretaceous reef of deposits covering folds Mountains bounding. The Foussana basin is composed of two aquifers,the PlioQuaternary and the Miocene aquifers. The PlioQuaternary aquifer consists of clayey sand, coarse sand andsandstone deposits. This aquifer is composed of two permeable levels PlioQuaternary Aquifer (PQ1) and PlioceneAquifer (PQ2), which are separated by interbedded sandy marl. The Miocene aquifer consists of sandstone andcoarse sands. This aquifer constitutes an important water source in the study area because of its relativelysignificant thickness and its water quality. It‘s separated to the PlioQuaternary aquifer by a clay layer. The differentaquifers communicate through faults.The groundwater flows occurs from the borders to the center of the basin,i.e. from the surrounding hills to the depression area. The main source of aquifer recharge is infiltration of rainfalland dam water.Groundwater samples with low TDS values, which typically correspond to outcrops of the Miocene aquifer andsome samples of the first PlioQuaternary aquifer PQ1, are typically of SO4-Ca-HCO3-Na water type. In contrast,groundwater samples with high TDS values, most of which were collected in the PlioQuaternary aquifer (PQ1 andPQ2) and groundwater of the Confined Miocene, are typically of SO4-Ca-Na-Mg water type. The main sources ofthe water mineralization in the Foussana basin are the water-rock interaction processes i.e. dissolution ofevaporates and cation-exchange process.The isotopic signatures permit to classify the studied groundwaters into different groups. The PlioQuaternaryaquifer groundwater was classified into two groups. These are the non-evaporated groundwater, which ischaracterized by depleted δ18O and δ2H contents highlighting the importance of modern recharge at higher altitude,and the mixing process with the deep aquifer of the Miocene. The evaporated groundwater that exhibits enrichedstable isotope contents, these enriched values could be related to the evaporation process, which occurs possiblyin the upper part of the unsaturated zone of the PlioQuaternary aquifer (depression area).The Miocene aquifersgroundwaters are classified into two groups. The first group is characterized by relatively depleted isotope contentscorresponding to outcropping Miocene in the border indicating the altitude effect. The second group isdistinguished by relatively depleted contents of stable isotopes corresponding to the confined Miocene reflectinga palaeoclimatic origin. Tritium data permit to identify recent groundwaters originating from a mixture ofcontemporaneous and post-nuclear recharge; and ancient groundwaters deriving from pre-nuclear recharge.Radiocarbon activities decrease from 80 pmc in the recharge area to less than 3 pmc in the confined aquiferproviding ages from present day to 30 000 years BP.In conclusion, a conceptual model has been produced to describe the functioning of the aquifers. The modelling isused as a tool to synthesise the data and the functioning hypothesis. It gives a visualization mean and can put inevidence the aspects, which should be deepened in next works.

La contamination des aquifères de proche subsurface par les intrants d'origine agricole (nitrates) est un problème mondial.L'utilisation excessive d'engrais depuis plusieurs décennies a impacté la qualité des masses d'eau souterraines et soulève des enjeux pour la santé humaine comme pour celle des écosystèmes. Les nitrates dans les aquifères peuvent être réduits en diazote gazeux par l'activité microbienne hétérotrophique (la biomasse microbienne obtenant l'énergie nécessaire à ce processus via le carbone organique issu de la surface) et/ou par l'activité autotrophique (la biomasse microbienne obtenant cette fois ci son énergie depuis une source proche, lithologique). Les taux de dénitrification sont très variables spatialement, et sont régulés par l'interaction entre la structure des flux d'eau souterrains avec l'activité biogéochimique. Localiser l'activité biogéochimique dans les aquifères est difficilement réalisable à l'échelle des bassins versants, mais paraît crucial pour la gestion des masses d'eau souterraines. Bien que les processus de l'activité microbienne ne puissent pas être entièrement résolus à l'échelle locale, ce manuscrit de thèse propose une caractérisation des taux de dénitrification à l'échelle du bassin versant, basée sur l'analyse de données et sur une approche de modélisation intégrée. Cette thèse propose d'utiliser de manière extensive des traceurs conservatifs et réactifs associés aux flux d'eau souterraine et des modèles de transport afin d'identifier les contrôles géologiques et biogéochimiques sur les capacités de dénitrification dans les aquifères. Cette méthodologie a été appliquée à un aquifère libre cristallin de 76 km² situé en Bretagne. A partir des concentrations en CFC-12, O2, NO3- et N2 dissous mesurées dans 16 puits, il a été possible de reconstituer les chroniques d'apports de nitrate dans la zone saturée et de définir les variations spatio-temporelles de la dénitrification. Il est prouvé ici que la dénitrification est en premier lieu contrôlée par la position des donneurs d'électron. Ce travail propose un cadre d'interprétation général sur la base de l'utilisation combinée et complémentaire des traceurs et sur la modélisation semi-explicite pour estimer à l'échelle régionale les capacités de dénitrification et les stocks de nitrates dans les aquifères. / Unconfined shallow aquifers in agricultural areas are contaminated by nitrates worldwide. Excessive fertilization over the last decades has affected groundwater quality as well as human and ecosystem wellbeing. Nitrate in groundwater can be microbially reduced to dinitrogen gas by heterotrophic (microbes obtaining their energy from surface-derived organic carbon) and autotrophic (microbes obtaining their energy from a lithological source) processes. However, denitrification rates are highly spatially variable, following involved interactions between groundwater flow structures and biogeochemical activity. The location of biogeochemical activity in the aquifer is difficult to access at the catchment scale, but of vast importance to gain predictive capabilities for groundwater management. Even though microbial processes cannot be resolved at the local scale, this dissertation proposes a catchment scale characterization of denitrification rates based on an integrated model- and data-driven approach. The dissertation proposes an extensive use of conservative and reactive tracers combined with groundwater flow and transport models to identify the geological and biogeochemical controls on aquifer denitrification capacities. The methodology is applied to a crystalline unconfined aquifer of 76 km2 size in Brittany, France. Based on CFC-12, O2, NO3-, and dissolved N2 concentrations measured in 16 wells, it is possible to reconstruct historical nitrate inputs to the saturated zone and to define spatiotemporal denitrification activity. It is shown that denitrification is primarily controlled by the location of electron donors. The dissertation proposes a general interpretation framework based on tracer information combined with complementary semi-explicit lumped parameter models to assess regional denitrification capacities and nitrate legacy.

Le risque d’instabilités d’ouvrages souterrains (naturels ou anthropiques) concerne plus de 10 000 communes en France. Les accidents ayant pour cause l’effondrement soudain de carrières souterraines sont parmi les plus destructeurs, aussi bien humainement que matériellement. L’évolution des possibles instabilités, dès lors que les enjeux sont importants, implique d’enrichir les connaissances actuelles afin de prévoir leur ampleur et leur impact en surface. Des travaux précédents ont démontré l’importance du couplage hydro-mécanique dans le diagnostic de stabilité. La complexité du phénomène d’interaction eau-craie est due à de nombreux facteurs environnementaux et la sensibilité à chacun de ces facteurs dépend entièrement de la craie considérée. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier l’influence de l’eau et de l’interaction eau-roche sur le comportement mécanique de trois craies dans le cadre d’une approche multi-échelles et multi-physiques. L’étude des caractéristiques physiques et mécaniques de trois craies du Bassin Parisien, ainsi que leur rapport avec l’eau, a été réalisée. Les résultats obtenus à l’aide d’essais hydromécaniques à court terme restent cohérents avec la littérature. Le « vieillissement » de la craie dans le cadre des carrières souterraines soumises à des fluctuations du niveau de la nappe a été prouvé et caractérisé. Il se traduit selon la craie, soit par un changement de la forme et la taille des cristaux dans la microstructure impliquant une amélioration des propriétés mécaniques en bord de pilier au détriment du cœur, soit par la présence de traces de dissolution dont la fréquence augmente dès que l’on s’éloigne du cœur, soit par une augmentation du nombre de microfissures en cœur amenant une diminution de ses propriétés. L’étude du comportement différé de chaque craie a été faite à l’aide d’essais de fluage uniaxial à hygrométrie contrôlée avec ennoyage. Il a été établi entre autre que le fluage dépend de la minéralogie/microstructure et du couple déviateur-hygrométrie mais pas de l’histoire du chargement. Les mécanismes supposés être à l’origine des déformations différées sont d’ordre physico-mécanique et impliquent la rupture et le rétablissement de liaisons électro-statiques. L’interprétation de tous les essais réalisés a permis de quantifier l’importance des contributions relatives des différents paramètres sur le comportement différé. Le but à long terme reste d’alimenter à la fois l’expertise et les modèles de calculs de sorte à pouvoir prédire notamment l’impact d’une variation du niveau des nappes sur la stabilité à long terme des carrières de craie. Un modèle rhéologique a en ce sens été développé au sein de l’INERIS (Souley et al. 2016) / The risk of instability of underground structures (natural or anthropogenic) involves over 10 000 towns in France. The accidents due to the sudden collapse of underground quarries are among the most destructive, both humanly and materially. The evolution of possible instabilities, since the issues are significant, implies to enrich current knowledge to predict their extent and their impact on the surface. Previous work has demonstrated the importance of the hydro-mechanical coupling in the diagnosis of stability. The complexity of the chalk-water interaction phenomenon is due to many environmental factors and sensitivity to each factor depends entirely on the chalk considered. The main objective of this thesis is to study the influence of water and water-rock interaction on the mechanical behaviour of three chalks as part of a multi-scale and multi-physics approach. The study of physical and mechanical characteristics of chalks from three underground quarries situated in the Parisian Basin, and their interaction with water was carried out. The results obtained through short-term hydro-mechanical tests remain consistent with the literature. The "ageing" of chalk from the underground quarries subjected to fluctuations in the water table has been proven and characterized. It is expressed, based on the chalk considered, by a change in the shape and size of crystals in the microstructure involving improved mechanical properties at the edge of the pillar to the detriment of the heart, or by the presence of traces of dissolution whose frequency increases as one moves from the heart, or by increasing the number of microcracks in the heart causing a decrease in the properties of the chalk. The study of the long-term behaviour of each chalk was developed through uniaxial creep tests with controlled humidity and waterlogging. It was established among other things that creep depends on the mineralogy / microstructure and the deviatoric stress-humidity couple but not on the loading history. The mechanisms believed to be the origin of creep deformations are of a physico-mechanical nature and involve the breaking and the restoring of electrostatic bonds between grains. The interpretation of all the tests carried out allowed to quantify the importance of the relative contributions of various parameters on the long-term behaviour. The long-term goal remains to power both the expertise and the model calculations so that one can predict the impact of a particular variation of the groundwater level on the long-term stability of chalk underground quarries. A rheological model has been developed in this direction within the INERIS (Souley et al. 2016)

Le sous-sol urbain est aujourd’hui reconnu comme un espace riche en ressources, espace disponible, eau, géo-matériaux et géothermie jouant un rôle fondamental dans l’aménagement durable des territoires mais dont la réglementation reste lacunaire. Dans un contexte de développement urbain vertical, l’eau souterraine peut être impactée. L’objectif de la thèse est de développer une compréhension quantitative des impacts des ouvrages souterrains sur l’ eau souterraine urbaine afin de proposer des éléments d’aide à la décision destinés aux aménageurs du territoire. Ces travaux de thèse ont permis d’améliorer la compréhension du rôle joué par différents types ouvrages souterrains à une échelle de prise de décision. Les résultats montrent que les ouvrages impliquant des systèmes de pompages sont responsables d’une fragmentation des systèmes d’écoulement. Dans des conditions de faible gradient hydraulique, les ouvrages imperméables ont un impact marginal sur la position de la surface libre. Le comportement hydrodispersif des ouvrages a également été étudié et un effet de mélange dispersif a été mis en évidence au droit des ouvrages souterrains. Il favorise la migration verticale des contaminations urbaines. L’impact des ouvrages souterrains sur la temperature de l’eau souterraine urbaine a également été étudié. Le transfert de thermique entre les ouvrages et l’aquifère urbain a été quantifié et a mis en évidence l’ampleur des zones thermiquement impactées. Enfin, la compréhension des impacts des aménagements souterrains sur l’eau souterraine urbaine a permis de formuler des recommandations afin de prévenir les risques et nuisances inhérents à la construction de nouveaux ouvrages : risque d’inondation par remontée de nappe, risque d’altération qualitative de la ressource, menace et opportunité vis-à-vis du potentiel géothermique d’un aquifère urbain. / Urban subsoil provides space, groundwater, geothermal energy and geomaterials, and the importance underlying the management of this strategic space is well-known. In the context of vertical urban growth, groundwater management, is a crucial issue. The aim of the PhD thesis was to improve the knowledge related to the impacts caused by underground structures on groundwater resource in order to provide a basis for the decision making dedicated to urban planners. The understanding of the role played by numerous types of underground structures was improved at the decision-making scale. Underground structures involving pumping devices were shown to be responsible for the fragmentation of flow systems, which can modify the urban groundwater regime. Under low gradient conditions, impervious structures were confirmed to have a nonsignificant effect on water table elevation. Regarding quality, reservoir theory was applied to assess the impact of underground structures on groundwater quality. This theory allows to take into account the advective and dispersive part of groundwater flow. A dispersive piston effect is shown to occur under the structures, favoring the vertical spreading of pollutants. In addition, the impacts of underground structures on urban groundwater temperature were investigated. The annual heat from underground structures were computed deterministically, highlighting the significant thermally affected zones. Finally, the impacts of underground structures on groundwater flow quality and temperatures were analyzed in order to prevent risks and disturbances : flood risk, degradation of groundwater quality, jeopardizing geothermal potential.

Pour une meilleure gestion de l’eau, la Directive Cadre sur l’Eau requiert la prise en compte des relations entre les masses d’eau superficielles et souterraines. Dans ce cadre, la dynamique des échanges entre eaux de surface et eaux souterraines est étudiée, pour un aquifère alluvial du Rhône. Deux approches sont utilisées: une analyse des séries temporelles de niveaux de nappes et de rivières, à l’aide de techniques de traitement du signal, et des modèles d’écoulements numériques, déterministes, à base physique. Ces techniques sont mises en œuvre sur un secteur (Péage-de-Roussillon) à forts enjeux socio-économiques pour l’usage de la ressource en eau. Les résultats sont analysés du point de vue de leurs complémentarités.Une analyse en composantes principales, à partir des signaux piézométriques, a montré que les fluctuations de niveaux du Rhône expliquent la majeure partie des variations de niveau de la nappe. Les analyses corrélatoires et spectrales, ont permis de caractériser la relation existant entre les niveaux du Rhône et de la nappe. Des comportements particuliers de l’hydrosystème ont été identifiés : colmatage du fond des cours d’eau, écoulements transverses aux cours d’eau,…. Ces comportements ont ensuite pu être étudiés, plus en détail, à l’aide d’un modèle hydrodynamique de la nappe qui intègre un module de calcul des écoulements surfaciques. Le modèle permet également de quantifier les flux échangés entre la nappe et le cours d’eau. / For better water management, the Water Framework Directive requires to take into account the relationships between surface water and groundwater bodies.In this frame, the exchanges dynamic between surface water and groundwater is studied, for a Rhône alluvial aquifer. Two sets of tools are employed: a time series analysis of groundwater and rivers levels, using signal processing techniques, and numerical flow models, deterministic and physically based. These techniques are implemented on an area (Péage-de-Roussillon) with high socio-economic stakes regarding water resources. The complementarities among the results are analysed.A principal component analysis, based on piezometric head signals, showed that the fluctuations of the Rhône water level explain most of the groundwater variations. Correlative and spectral analysis were used to characterise the relationship between the Rhône and the groundwater level. Specific behaviours of the hydrosystem were identified: clogging of river beds, transversal flows below river beds,… These behaviours were then studied, in details, using a hydrodynamic model of the aquifer, which incorporates a surface runoff calculation module. The model also allows quantifying the exchange rates between rivers and groundwater.

Pour de nombreux pays, la sécurité alimentaire est le défi majeur que l’agriculture doit relever, tout en assurant la durabilité environnementale. L’intensification durable de la production et la prévention des pertes de récoltes sont des éléments clés pour augmenter les productions et garantir leur régularité, l’utilisation massive d’intrants (Engrais, pesticides) est le plus souvent la solution la plus facile et la sure à court terme. Ces pratiques d’intensification entrainant des consommations parfois excessives d’engrais et de produits phytosanitaires ont un impact négatif sur l’environnement et la santé, ce qui pose aujourd’hui le problème de la durabilité de ces modes de production. Assurer la sécurité alimentaire par des processus d’intensification et la durabilité environnementale semblent être alors en opposition. Les conséquences sur l’environnement et la santé humaine de l’intensification des pratiques agricoles avec l’utilisation croissante de produits chimiques ont amené la société civile, et les pouvoirs publics à s’interroger sur la pérennité de ce système de développement et à interroger le monde scientifique pour proposer d’autres modes de production permettant un développement durable. Comment mettre en place des systèmes de production agricole durables dans les territoires, tout en répondant aux objectifs d’accroissement de la production pour assurer un niveau acceptable de sécurité alimentaire. Cette question aujourd’hui, s’inscrivant dans un contexte de changement climatique est devenue centrale pour les responsables des politiques. L’agriculture est associée à la notion de territoire, la durabilité environnementale à une problématique collective, ce qui modifie les paramètres de formulation des actions de politiques publiques. Il faut aujourd’hui construire des démarches de gestion intégrées et collectives de l’agriculture dans ses territoires, en prenant en compte les acteurs locaux et les potentialités et les spécificités de l’environnement physique. Pour construire un projet collectif, il est donc nécessaire de comprendre les représentations que les usagers et parties prenantes dans la gestion et l’utilisation de l’écosystème se font de sa dynamique et des interactions entre règles d’usages et comportements des acteurs locaux. Quels outils et méthodes doivent mettre en place les décideurs dans les territoires pour répondre à ces objectifs ? Le cadre de travail se situe à l’interface de différents champs scientifiques ; agronomie, géographie et économie. Une modélisation du fonctionnement du territoire comme instrument de support au dialogue semble être appropriée pour une telle démarche ; devant permettre de simuler différentes alternatives et de permettre des regards croisés. La première partie de la thèse va s’attacher à une revue de littérature des instruments et méthodes existant dans ce domaine, notamment en termes d’indicateurs de caractérisation et de solutions alternatives en terme de production. Le choix en terme de méthode générique s’oriente pour l’instant vers l’élaboration d’outils de simulation spatialisés, collectifs et interactifs. L’objectif est de pouvoir construire une méthode d’élaboration de plans stratégiques agricoles permettant de poser les fondements d’une politique publique territorialisée. Le terrain d’application sera la région de la Bekaa au Liban , qui est une zone d’intensification agricole au Liban, et contribuant de manière très importante à la production agricole du Liban. / For many countries, food security is the biggest challenge facing agriculture, while ensuring environmental sustainability. Sustainable intensification of production and preventing crop losses are key element to increase production and ensure their consistency, massive inputs (fertilizers, pesticides) use is most often the easiest and the safe solution in the short term. These intensification practices resulting sometimes in increasing excessive consumption of fertilizers and pesticides have a negative impact in both environment and human health, which today pose the problem of the sustainability of these production methods. Ensuring food security through process intensification and environmental sustainability seem to be in opposition. The impact on the environment and human health from the intensification of agricultural practices with the increase in using chemicals has carry civil society and governments to query the sustainability of this development system and to question the scientific community to provide other types of production for sustainable development. How to build sustainable systems of agricultural production in the territories, while responding to the objectives of increased production to ensure an acceptable level of food security. This question as part of climate change today has become central to policy makers. Agriculture is associated to the concept of territory, environmental sustainability to a collective problem; modify the parameters for the formulation of public policy actions. We must now build integrated management approaches and collective agriculture in these territories, taking into consideration the local stakeholders, the potentialities and the specifications of the physical environment. To build a collective project, it is crucial to understand the representations that users and stakeholders in the management and the ecosystem uses should be done in dynamics and interactions between rules of practice and behavior of local actors. What tools and methods must implement policy-makers in the territories to meet these goals? The framework is at the interface of different scientific fields; agronomy, geography and economics. A model of the operation planning as an instrument of support for the dialogue seems to be appropriate for such approach; possible to simulate different alternatives and allow viewpoints. The first part of the thesis will focus on a literature review of existing instruments and methods in this area, particularly in terms of indicators of characterization and alternative solutions in terms of production. The choice in terms of generic method is oriented on elaborating of tools in spatially, collective and interactive simulation. The goal is to build a method for developing an agricultural strategic planning to allow the basis of a territorial public policy. The field of application will be the Bekaa region in Lebanon, which is an intensive farming area in Lebanon, and contributing very significantly to agricultural production in Lebanon.

Les mines à ciel ouvert et souterraines sont des environnements dynamiques de production. Les propriétés géomécaniques des massifs rocheux contrôlent le comportement des excavations. La planification des travaux d'excavation est une phase importante de l'exploitation d'une mine afin de travailler de façon sécuritaire et rentable. Une modélisation précise de la géométrie des excavations minières permettrait notamment de quantifier le matériel excavé et de cartographier le régime structural des parois rocheuses. Généralement, les calculs de volumes sont réalisés à l'aide de récepteurs GNSS récepteurs GNSS (dans le cas de mines à ciel ouvert) et de systèmes lidar et les structures géologiques sont caractérisées manuellement à l'aide d'une boussole. Bien que cette méthode manuelle ait fait ses preuves, elle ne permet pas toujours de caractériser l'ensemble de la paroi rocheuse et nécessite beaucoup de temps sur le terrain. Le développement des technologies lidar est en constante croissance et il y a plusieurs instruments disponibles sur le marché, proposant une prise de mesure rapide et à distance. Toutefois, il y a peu d'information qui évalue la qualité de la donnée géospatiale et qui permet de valider les applications potentielles de ces technologies lidar en milieu minier. Comme mentionné par Devillers (2004), les utilisateurs de données géospatiales doivent être conscients de la qualité des données qu'ils manipulent afin de réduire les risques de mauvaises utilisations. Hudson et Harrison (1997) mentionnent que les discontinuités peuvent jouer un rôle critique dans la stabilité des ouvrages souterrains. Une mauvaise utilisation de la donnée géospatiale afin d'interpréter le comportement d'un massif rocheux pourrait avoir des conséquences importantes. L'objectif principal de ce mémoire est d'évaluer la qualité de la donnée géospatiale de systèmes lidar mobiles (SLM) dans le contexte d'une mine souterraine. L'acquisition des données s'est effectuée à la mine souterraine Eldorado à Val-d'Or. L'instrument de référence utilisé est le scanneur statique Faro Focus S70 et les lidars mobiles évalués sont les Zeb-Revo et le uGPS Rapid Mapper. L'objectif secondaire est d'évaluer le potentiel d'utilisation de ces scanneurs mobiles pour le calcul de volume et la cartographie du régime structural de parois rocheuses d'une mine à ciel ouvert et d'une mine souterraine. Une acquisition de données a aussi été réalisée sur une paroi rocheuse à ciel ouvert. Les mêmes instruments ont été utilisés à l'exception du uGPS Rapid Mapper, non disponible au moment de ces levés, qui a été remplacé par un iPad Pro 12. Ce projet de recherche a permis d'évaluer la qualité de la donnée géospatiale de SLM en milieu souterrain. L'erreur estimée du Zeb-Revo est de ± 0,03 m et de ± 0,15 m pour le uGPS. Les résultats montrent que le Zeb-Revo peut servir à calculer les volumes d'une excavation souterraine. Les écarts de volumes entre le Zeb-Revo et la valeur de référence produite par le scanneur Faro Focus S70 est d'au plus 2% et ces écarts sont de plus de 40% entre le uGPS et la même valeur de référence. Quoi qu'il en soit, il faut porter une attention particulière à la dérive du système de navigation des scanneurs mobiles. Ces analyses n'ont pas été réalisées avec l'iPad à la mine souterraine, mais l'erreur observée dans les levés à ciel ouvert est de l'ordre de de 0,04 m. Les recherches ont aussi démontré la possibilité de mesurer les orientations des structures géologiques d'un massif rocheux à l'aide de lidars mobiles. En milieu à ciel ouvert, la mesure de l'orientation des structures géologiques sur la base d'un relevé SLM a permis de quantifier de manière satisfaisante l'orientation des structures géologiques. Selon la méthode et le lidar utilisés, les écarts angulaires des orientations des familles varient de 5° à 27° pour Discontinuity Set Extractor (DSE) (Abellán, 2018), de 5° à 12° pour PointStudio (Maptek, 2021) et de 10° à 30° pour le plugin kd-tree (Dewez et al., 2016) par rapport au levé manuel de référence par boussole. En milieu souterrain, les méthodes automatiques de détection des structures géologiques ne permettent pas efficacement de distinguer celles-ci de la surface des parois de l'excavation. La méthode automatique DSE donne des résultats semblables pour les trois systèmes lidar, mais partiellement différents du stéréonet de référence. Les écarts angulaires des orientations des familles varient entre 8° à 73°. De plus, deux familles semblent correspondre à l'orientation de l'excavation de la galerie plutôt qu'à la structure géologique naturelle. Une méthode manuelle permet d'identifier visuellement les discontinuités une par une sur les nuages de points, à condition que la qualité de la donnée lidar soit adéquate. La méthode manuelle PointStudio et le lidar Faro ont permis d'identifier la plupart des familles avec un écart angulaire se situant entre 10° et 30° par rapport au levé de référence. La qualité des lidars mobiles testés en milieu souterrain n'est pas suffisante pour l'extraction manuelle des discontinuités. En résumé, les logiciels DSE et PointStudio font bien ce pour quoi ils ont été conçus, c'est-à-dire extraire des plans à partir d'un nuage de points. Toutefois, l'utilisateur doit être prudent avec la donnée qu'il manipule et avoir une bonne connaissance du terrain. / Open-pit and underground mines are dynamic production environments. The geomechanical properties of the rock mass control the behavior of excavations. Excavation planning is an important phase of mine operation in order to work safely and profitably. An adequate 3D modeling of the mine site geometry allows an estimation of the excavated material and a mapping of the structural regime of the rock walls. Typically, volume calculations are performed using GNSS receivers (in case of open-pit) and lidar systems and geological structures are characterized manually using a compass. Although so far successful, using a manual method does not always allow the characterization of the entire rock face and it also requires a lot of time on site. However, the development of lidar technologies is constantly growing and there are several instruments available on the market offering fast and remote measurements. On the other hand, there is little information that evaluates the quality of the geospatial data and validates the potential applications of these lidar technologies in mining environments. As outlined by Devillers (2004), users of geospatial data need to be aware of the quality of the data they are handling in order to reduce the risk of misuse. Hudson and Harrison (1997) mention that discontinuities can play a critical role in the stability of underground structures. Misuse of the point cloud data to interpret the behavior of a rock mass could have important consequences. The main objective of this master's thesis is to evaluate the quality of geospatial data acquires with mobile lidar systems (MLS) in an underground mine. The data acquisition was done at the Eldorado underground mine in Val d'Or. The reference instrument used is the Faro Focus S70 static scanner and the mobile lidar evaluated are the Zeb-Revo and the uGPS Rapid Mapper. The secondary objective is to evaluate the potential use of these mobile scanners for volume calculation and structural regime mapping of both open-pit and underground rock faces. Data acquisition was also done on an open-pit setting. The same instruments were used with the exception that the uGPS Rapid Mapper, unavailable at the time of the surveys, was replaced by an iPad Pro 12. This research project evaluated the quality of SLM geospatial data in the underground environment. The estimated error of the Zeb-Revo is ± 0,03 m and ± 0,15 m for the uGPS. The results show that the Zeb-Revocan be used to calculate the volumes of an underground excavation. The volume difference between the Zeb-Revo and the reference value produced by the Faro Focus S70 scanner is at most 2% and the volume difference between the uGPS and the Faro Focus S70 scanner is more than 40%. However, special attention should be given to the drift of the navigation system of the mobile scanners. These analyses were not done with the iPad in the underground mine, but the error estimated from the open-pit surveys is in the order of 0,04 m. The research also demonstrated the possibility of measuring the orientations of geological structures in a rock mass using mobile lidar. In the open-pit environment, measuring the orientation of geological structures based on an SLM survey has satisfactorily quantified the orientation of geological structures. Depending on the method and the lidar scanner, angular deviations of set orientations ranged from 5° to 27° for Discontinuity Set Extractor(DSE) (Abellán, 2018), 5° to 12° for PointStudio (Maptek, 2021), and 10° to 30° for the kd-tree plugin (Dewez et al., 2016) from the reference compass survey. In the underground environment, automatic methods clearly do not distinguish between a discontinuity and the orientation of the rock face excavation. The automatic DSE method gives similar results for the three lidar systems and are partially different from the reference stereonet. The angular deviations of the orientations of the sets range from 8° to 73°. In addition, two sets seem to correspond to the orientation of the drift excavation rather than the natural geologic structure. A manual method can visually identify the discontinuities one by one, provided the quality of the lidar data is adequate. The manual PointStudio method combined with the Faro lidar were able to identify most of the sets with an angular deviation between 10° and 30° from the reference survey. The quality of the mobile lidar tested in the underground environment is not sufficient for manual extraction of discontinuities. In summary, DSE and PointStudio software do well what they were designed for, i.e. extract planes from a point cloud. However, users must be careful with the data they are processing and must have a sufficient knowledge of the site.

L’ensemble des mines – et particulièrement celles exploitant un gisement filonien ou de faible puissance – sont très sensibles à la problématique de la dilution minière (i.e ., bris hors-profil de l’éponte supérieure). En effet, puisque cette dilution est généralement de faible teneur, le matériel qui se retrouve dans les chantiers miniers peut ne pas permettre de compenser les coûts associés au minage et par conséquent, la rentabilité de l’opération peut en être affectée. Ceci est particulièrement vrai lorsque la teneur de la dilution se situe sous le seuil de rentabilité (i.e., teneur de coupure). Par ailleurs, lorsque des effondrements (dilution) surviennent pendant les activités de soutirage, ceci représente un risque important pour les équipements mobiles (e.g., chargeuse-navette). Nombreux sont les chercheurs qui ont travaillé à développer et à améliorer les abaques de stabilité et critères de conception de chantiers, mais leur efficacité à prédire le bris hors-profil est souvent faible. Néanmoins, ces outils demeurent très utiles pour les projets sur sites vierges (« greenfield projects »), mais dès lors que les conditions géomécaniques d’un site deviennent mieux comprises, il importe de corriger et d’optimiser ces critères de conception afin de mieux représenter la réalité de l’opération minière. Ce mémoire expose donc la méthodologie employée afin de quantifier le bris hors-profil provenant des différentes surfaces des chantiers (i.e., épontes, toit, murs) exploités par la méthode de chambre vide. Une comparaison entre les performances réelles et celles prédites par les modèles couramment utilisés dans l’industrie a été effectuée. À l’aide de méthodes statistiques univariées et bivariées, les paramètres affectant le bris hors-profil peuvent être déterminés objectivement. L’élaboration de nouveaux modèles statistiques permet également d’accroître la fiabilité des prédictions (i.e., le bris hors-profil) et fournit des outils permettant d’assister les ingénieurs dans la conception et le dimensionnement des chantiers miniers. La mine Éléonore de Goldcorp a servi de cas d’étude afin de démontrer la validité d’une telle démarche.