Le défi relevé dans ce mémoire est d'élaborer un nouveau modèle d'écoulement « Q3D » permettant le calcul des débits dans les cours d'eau naturels, en présence et absence d'un couvert de glace, à partir des relevés de vitesses et de profondeurs enregistrés par un instrument installé dans le fond du cours d'eau. Ce modèle, dans sa composante d'éléments finis, résout l'équation de Poisson pour générer la forme de la distribution des isotâches (contours d'égale vitesse). Les vitesses sont ensuite obtenues à l'aide de l'équation proposée par l'auteur du modèle POME (Principle Of Maximum Entropy) reliant ces contours au degré de turbulence caractérisant l'écoulement. Q3D est testé sur les données provenant des instruments SONTEK Argonaut Shallow water (SW) installés à deux sites voisins sur la rivière Châteauguay, QC. Les premiers résultats obtenus indiquent que Q3D reste stable dans l'estimation des paramètres hydrauliques, malgré le changement des conditions d'écoulement. La comparaison des débits du modèle Q3D avec les jaugeages réalisés indique que Q3D est sensible à la forme géométrique de la section d'écoulement. En ayant l'information d'un seul jaugeage, il est possible d'introduire un facteur de correction des débits. Une fois appliqué, Q3D présente des résultats excellents : Pour le site aval de Châteauguay, été comme hiver, 12 fois sur 13 l'erreur sur le débit est inférieure à 7%. Cela est très prometteur pour de futures investigations. / This study introduces a new model "Q3D" to calculate flow in the natural rivers during summer and winter conditions using velocity and depth data obtained by an instrument installed in the bottom of the river. The model uses a finite element mesh to solve the Poisson's equation to generate the form of the distribution of the isovels (contours equal velocity) in the gauged cross-section. As a function of turbulence intensity, numerical values are then assigned to the isovels using the equation suggested by the authors of the POME model (Principle Of Maximum Entropy). Q3D is tested on the data of the Châteauguay River, QC. Results indicate that Q3D remains stable in the estimate of the hydraulic parameters for a wide variety of flow conditions. The comparison of Q3D with measured discharges indicates that Q3D is sensitive to the geometrical form of the cross-section of stream. However, when one single gauging is used to calibrate Q3D, it yields excellent results: the error in discharge was less than 7% in 12 times out of 13 measurements. Therefore, winter or summer, Q3D is a very promising candidate for use in conjunction with the velocity index methods to monitor streamflow.

Cette étude décrit un élément clef du projet COSTA-Canada (Continental Slope Stability), visant à étudier la dynamique d'écoulement de mouvements de masse sous-marins. C'est maintenant bien connu que les glissements sous-marins sont beaucoup plus mobiles et impliquent de plus grands volumes de sédiments que leurs homologues subaériens. Lorsqu'on est confronté aux risques naturels de nature géologique, il est important de bien comprendre l'influence des caractéristiques rhéologiques sur les glissements subaériens et sous-marins. En effet, les glissements sous-marins représentent un danger pour les vies humaines et les biens, et aussi un risque potentiel de tsunamis. Dans la phase post-rupture, le sol peut faire l'expérience de grandes déformations sous certaines plages de contraintes de cisaillement. Ce phénomène peut réduire la résistance au cisaillement du sol lors du cisaillement avec ajout d'eau. Les caractéristiques des sédiments sont contrôlées par leurs propriétés rhéologiques. Il est clair que le comportement visqueux du sol est ainsi dominant sur le frottement dans le cas des mouvements de masse sous-marins. Il reste encore plusieurs points importants à éclaircir, comme la caractérisation des matériaux composant la coulée et les limites critiques des matériaux visqueux et granulaires. Le comportement rhéologique peut également être influencé par la granulométrie, la minéralogie, et la salinité. De plus, les liens structuraux peuvent avoir un impact significatif sur les propriétés rhéologiques. Ce comportement est aussi relié à l'effet de la viscosité pseudo-Newtonienne. Afin d'examiner des paramètres géotechniques et rhéologiques, trois groupes de sols ont été choisis : (1) matériau non-gonflant; (2) matériau gonflant; (3) matériau silteux. En plus, la compatibilité entre des modèles rhéologiques bien connus et les donnés expérimentales a été étudiée. Les principales contributions que cette thèse amène sont: (1) une estimation simple de plages possibles des propriétés rhéologiques pour différentes granulométries; (2) une meilleure compréhension des comportements rhéologiques des matériaux gonflants et silteux dans un mouvement de masse sous-marin comparé aux matériaux non-gonflants; (3) une meilleure compréhension des transformations de la coulée lors d'infiltration d'eau causant l'augmentation de la mobilité du mouvement de masse sous-marin; (4) une évaluation du seuil d'écoulement et de la viscosité critiques déterminant le passage de l'état remanié à l'état fluide. / This study describes one of the key objectives of the COSTA-Canada (Continental Slope Stability) project, which aims at studying the flow dynamics of submarine mass movements. It is now well known that submarine landslides are much more mobile and tend to involve larger volumes than subaerial landslides. When dealing with natural geo-hazards it is important to understand the influence of flow characteristics on the subaerial and subaqueous mass movement. Indeed, submarine landslides represent a significant hazard to the property and life as well as the potential tsunamis hazard. In the post-failure stage, the soil could experience a large deformation within a certain range of shear rates. This process can reduce the inherent shear strength during mixing with ambient water. As a result, the characteristics of sediments are most likely governed by the rheological properties. Therefore it seems clear that the viscous effects are dominant rather than frictional behavior in subaqueous debris flows. There are still many important questions that need answering: for example, the characterization of the material from which the flow is composed and the critical limit from viscous to granular behavior. Also, the rheological behavior can be influenced by the grain size, mineralogy, and salinity. In addition, the structural bondings at low shear rate can have a significant impact on the rheological properties. It is also related to the effect of pseudo-Newtonian viscosity. To investigate the geotechnical and rheological properties, three groups of soils were selected for convenience : (1) non-swelling material ; (2) montmorillonite-rich material ; (3) silt-rich material. Furthermore, the compatibility of well-known rheological models on the experimental data was examined. The main contributions of this thesis are : (1) a simple estimate of possible range of rheological properties with respect to the grain sizes and/or liqudity indices; (2) a better understanding of rheological behaviors of swelling and silt-rich materials in submarine mass movements compared to the non-swelling materials; (3) a better understanding of flow transformation due to water infiltration causing the high mobility in submarine mass movements; (4) an evaluation of the critical yield stress and plastic viscosity to transform from remoulded into fluidized state.

Depuis quelques années, les prévisions probabilistes suscitent un intérêt croissant parmi les communautés météorologique et hydrologique. Cet intérêt découle en majeure partie du fait que ce type de prévision permet l'évaluation de l'incertitude associée aux prévisions. Les prévisions d'ensemble peuvent être construites à partir de réseaux de neurones. Cette méthode est avantageuse pour sa simplicité et pour sa rapidité d'exécution. L'évaluation de l'incertitude associée aux prévisions par réseaux de neurones ne peut s'effectuer analytiquement puisque l'expression mathématique du modèle est inconnue. C'est pourquoi des méthodes comme celle du rééchantillonnage avec remise (bootstrap) sont parfois employées pour déterminer l'incertitude associée à la prévision déterministe issue d'un réseau de neurones. Cette technique permet d'obtenir un ensemble de prévisions pour chaque pas de temps. Une loi de probabilité peut alors être ajustée aux prévisions d'ensemble afin d'obtenir une distribution prédictive. Cependant, à notre connaissance, la fiabilité de cette prévision probabiliste n'a pas été démontrée. La calibration de cette distribution ainsi que les mesures à prendre pour la corriger ne semble pas avoir été examinée à ce jour dans un contexte hydrologique. Ce mémoire présente différentes méthodes graphiques et numériques pour vérifier la qualité des prévisions probabilistes hydrologiques issues de réseaux de neurones. Ces méthodes ne sont pas uniquement applicables aux réseaux de neurones et pourraient être utilisées avec n'importe quel type de prévisions probabilistes de variables continues. La calibration de la distribution prédictive sera évaluée et corrigée et l'influence de la technique du rééchantillonnage avec remise sur les prévisions d'ensemble sera investiguée. / Since the last few years, there has been an increasing interest for probabilistic forecasting in the meteorological and hydrological community. This enthusiasm arises in a large extent from the possibility of uncertainty assessment that probabilistic forecasting has brought. Hydrological ensemble forecasting may be constructed using neural networks, which is a very useful tool regarding its simplicity and execution speed. Since the mathematical description the neural model remains unknown by the user, it is not possible to evaluate the forecast's uncertainty in a strict mathematical way. Some methods like the bootstrap can be used to overcome this difficulty. The bootstrap generates an ensemble of forecasts at each time step. Then, the ensemble can be used to fit a law of probability in order to obtain a predictive distribution. However, to the extent of our knowledge, the reliability of this probabilistic forecast has never been investigated. In addition, the calibration of this distribution as well as methods to correct it does not appear to have been investigated up to day in a hydrological context. This document presents graphical and numerical methods used to assess the quality of probabilistic hydrological forecasts obtained from neural networks. The methods employed here apply to any type of probabilistic forecasts of continuous variable and are not restricted to neural networks forecasting. The calibration of the predictive distribution will be evaluated and corrected, and the impact of the bootstrap will be investigated.

Le surplus de production de lisier de porc dans certaines régions a mené au développement de technologies permettant de prendre en charge celui-ci, afin de réduire les risques de contamination pour l'environnement. La biofiltration à support organique, constitue une alternative au transport du lisier en traitant in situ ce polluant. Le désir d'optimiser l'enlèvement de l'azote par ce procédé et le besoin d'acquérir de meilleures connaissances au niveau des transformations de ce composant dans le système ont conduit à l'élaboration d'un projet d'envergure visant à mieux comprendre le comportement de l'azote. Ce projet de doctorat s'inscrit donc dans cette mission et avait pour objectifs principaux de développer des outils analytiques permettant de caractériser la biomasse nitrifiante et dénitrifiante présente sur le support du procédé et d'utiliser ces outils pour suivre la colonisation de biofiltres pilotes. La respirométrie azotée de type LSS et le blocage à l'acétylène ont donc été adaptés afin d'évaluer respectivement l'activité nitrifiante et dénitrifiante potentielle d'échantillons du milieu filtrant, tandis que le PCR en temps réel a été utilisé pour quantifier les microorganismes oxydant l'ammoniaque (AOB), Nitrobacter, Nitrospira, les bactéries dénitrifiantes possédant le gène nirS ainsi que les bactéries totales. Trois biofiltres pilotes ont été montés, alimentés avec du lisier de porc ayant des ratios DBOsrNTK différents (3, 6 et 9) et suivis durant 180 jours. Ceux-ci étaient constitués de milieu filtrant organique surmonté d'une couche grossière, principalement composée de pouzzolane. Un échantillonnage régulier des affluents et des effiuents gazeux et liquides des biofiltres, ainsi qu'à différentes hauteurs dans le procédé, ont permis d'observer le profil de la concentration des formes azotées dans les trois biofiltres et de déterminer, par bilan de masse, l'activité observée des couches de milieu filtrant. De plus, un échantillonnage du support a permis de caractériser la biomasse de l'azote dans chaque couche en évaluant son activité potentielle et en la quantifiant par PCR en temps réel. La présence de bactéries nitrifiantes, mise en évidence par leur activité potentielle, a pu être notée dès le début de la période de suivi, mais la nitrification n'a pu être observée qu'aux environs du 40e jour d'opération. Leur activité potentielle a augmenté graduellement jusqu'à la fin des essais. La dénitrification était présente durant toute la durée du suivi et semblait suivre un cycle de croissance-décroissance, particulièrement à partir du jour 80. Pour les trois conditions d'opération, le potentiel à nitrifier et à dénitrifier s'est retrouvé majoritairement en surface du procédé, dans les couches grossières des biofiltres, très peu de biomasse ayant colonisé le milieu filtrant organique. De plus, le potentiel à transformer l'azote, que ce soit par la nitrification ou la dénitrification, était toujours plus élevé que ce qui pouvait être observé dans le procédé. Ceci suggère qu'il serait possible d'optimiser l'enlèvement de l'azote en favorisant l'un ou l'autre des métabolismes. Il existe un lien très fort entre la nitrification et la dénitrification, particulièrement dans les couches grossières des biofiltres. Également, de très fortes concentrations de bactéries dénitrifiantes possédant le gène nirS et de bactéries nitrifiantes ont été retrouvées dans les échantillons environnementaux de milieu filtrant provenant des biofiltres, proposant que ceux-ci croissent à proximité les uns des autres. Ces deux observations appuient fortement l'hypothèse d'une nitrification et dénitrification simultanée (NDS) à l'intérieur du procédé. La quantification réalisée a permis de constater qu'on retrouve une plus forte concentration de Nitrobacter par rapport à Nitrospira, contredisant plusieurs études récentes ayant démontré la tendance inverse dans les procédés à biomasse en suspension traitant des effluents municipaux. De plus, il a été possible de démontrer que les bactéries dénitrifiantes possédant le gène nirS contribuent fortement à l'activité dénitrifiante potentielle mesurée à l'aide du blocage à l'acétylène. Par contre, la respirométrie azotée ne semble pas être en mesure de bien décrire l'évolution de chaque groupe impliqué dans la nitrification, mais de le faire plutôt pour le comportement global de cette biomasse. Finalement, très peu de différences ont pu être observées au niveau des performances et de la colonisation des biofiltres alimentés à des ratios de 3 et 6. Par contre, celui alimenté à un ratio de 9 a montré des divergences majeures comparées aux deux autres. En effet, une hausse importante du pH , une perte d'efficacité au niveau de l'enlèvement de la DCO et de l'alcalinité et une forte coloration ont pu être observées après seulement quelques semaines d'opération. De plus, la biomasse nitrifiante, quoique démontrant un potentiel important, semble avoir eu de la difficulté à s'établir dans le procédé à ce ratio. Les résultats obtenus pourront être utilisés pour mieux cibler les changements à apporter pour l'optimisation de l'enlèvement de l'azote. Également, ceux-ci permettent de mieux comprendre de quelle façon la biomasse impliquée dans les transformations de l'azote colonise le biofîltre ainsi que son comportement à l'intérieur du procédé. / Producing pig manure in excess in some regions has brought new technological advances allowing its treatment, in order to reduce contamination risks associated with its presence in natural ecosystems. BIOSOR™-Manure, an organic biofilter, is an interesting alternative to its transportation as it treats pig manure on site. The necessity to optimize nitrogen removal by this process and to get a better knowledge about its transformation inside the System has led to a scientific project aiming at those needs. This PhD project constituted a part of it and had as objectives to develop analytical methods to characterize nitrifying and denitrifying biomasses present on the biofilter media and to utilize them to monitor pilot biofilters colonization. LSS nitrogen respirometry and acetylene blockage technique were adapted to respectively evaluate potential nitrifying and denitrifying activities of media samples, while real-time PCR was realized to quantify ammonia oxidizing bacteria (AOB), Nitrobacter, Nitrospira, denitrifying bacteria containing nirS gene and total bacteria. Three pilot biofilters were installed, fed with pig manure having different BODs:TKN ratios (3, 6 and 9) and monitored during 180 days. They were all the same, being made with an organic layer surmounted by a coarse layer (pozzolana). Regular sampling of liquid and gaseous influents and effluents and at different depths allowed the observation of each section for its concentration of gaseous and aqueous nitrogen. Those data were used to calculate a nitrogen mass balance in order to determine the observed activity in each layer. Moreover, regular media sampling was made to characterize the nitrogen biomass by evaluating its potential activity and its quantity. Nitrifiers' presence, followed by potential nitrifying activity, was noted at the beginning of the monitoring period, but nitrification was only observed after approximately 40 days of operation. Its potential activity gradually increased until the end of the project. Denitrification was present ail along and seemed to follow a growth-decay cycle, particularly after 80 days. For the three operational conditions, almost ail of the potential nitrifying and denitrifying activities could be observed near the surface of the process, in the coarse layers, very little biomass being able to colonize the organic media. Moreover, nitrogen removal potential was always higher as that could be seen in the process, both for nitrification and denitrification. It suggests that it is possible to optimize nitrogen removal by promoting one or another of the metabolism. There was a strong correlation between nitrification and denitrification, particularly in the coarse layers. Also, we found high concentrations of nirS denitrifiers and nitrifying bacteria in the same environmental samples, proposing that those grow near each other. Both these observations support the hypothesis that there is simultaneous nitrification and denitrification (SND) inside this process. Quantification showed higher concentration of Nitrobacter compared to Nitrospira, contradicting previous recent studies that demonstrated the reverse trend in suspended biomass processes treating urban wastewaters. Also, it has been possible to fmd that nirS denitrifiers strongly contributed to the potential denitrifying activity, evaluated with the acetylene blockage technique. However, nitrogen respirometry did not seem to describe well each nitrifying group evolution, but only allowed to understand the global behavior of this biomass. Finally, very few differences could be observed between biofilters fed with 3 and 6 BODs:TKN ratios, both for performances and colonization. However, the biofilter fed with a higher ratio (9) showed important dissimilarities compared to the others. In fact, an important increased of pH, a decrease of efficiency for COD and alkalinity removal and a strong brown coloration could be observed only a few weeks after the start-up. Moreover, nitrifying biomass, while showing a good potential activity, seemed to have difficulties to colonize the System. Results could be used, in order to optimize nitrogen removal, to change operational conditions a better way, know knowing what the biomass is capable of and where it can be found in the process. Also, these data allow a better understanding of how the nitrifying and denitrifying biomass colonizes the biofilters and of its behavior inside the System.

De nos jours, les industriels utilisent de faibles rapports eau/ciment (compris entre 0,3 et 0,4) et des ciments fins en vue d'augmenter les résistances à court terme. Afin que ces matériaux soient suffisamment maniables pour leur mise en place, divers adjuvants chimiques sont utilisés. Bien que ces bétons soient généralement plus durables lorsqu'ils sont exposés aux intempéries, certaines études semblent indiquer qu'ils sont également plus susceptibles de se fissurer lors des premiers jours de l'hydratation. L'étude de cette maîtrise porte sur l'effet de la température (20ʻC, 30ʻC et 38ʻC), du rapport E/C (0,3 et 0,4) et de la minéralogie du ciment (teneurs en C3A de 3%, 9% et 11%) sur le développement de la microstructure des mortiers de ciment avec superplastifiant au jeune âge. Des mesures de temps de prise, de suivi d'hydratation et des retraits chimiques et externes ont permis de suivre l'évolution de la microstructure, du moment où l'eau et le ciment entrent en contact, jusqu'à 7 jours. L'analyse de ces essais a alors permis de montrer qu'une structuration ± douce ¿ endommage moins le matériaux. Après avoir présenté la mise en contexte et la problématique, une revue de la documentation scientifique est proposée. Cette partie permet de comprendre comment le matériau se met en place et quels sont les outils existants afin de pouvoir suivre le développement de sa microstructuration. Une section est ensuite réservée au détail de l'expérimentation mise en place durant la maîtrise, des différents types d'essais utilisés ainsi que des correctifs apportés pour l'étude de nos matériaux. Enfin, une analyse des résultats est présentée. Les résultats de chacun des essais sont étudiés indépendamment les uns des autres mais une dernière section est réservée à la mise en relation des différents résultats obtenus.

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Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / Ce projet de recherche s'inscrit dans la problématique de l'évolution et: de l'amélioration constante des normes de calcul des charpentes d'acier. L'amélioration constante des matériaux et l'apparition d'outils informatiques contribuent également à la désuétude de certains concepts utilisés dans l'élaboration d'équations normatives. Deux des principaux objectifs poursuivis par cette recherche sont de proposer de nouvelles règles de conception sur des sujets non traités dans les normes et de suggérer des révisions aux règles de calcul existantes pour tenir compte des résultats de recherche. Le projet consiste donc à comparer les règles de calcul des éléments d'une charpente d'acier proposées dans quatre normes, soit la norme canadienne (S 16-2001), la norme américaine (LRFD-2005), la norme européenne (Eurocode 3-2003) et la norme australienne (AS 4100-1998). Plus précisément, le sujet de ce mémoire porte sur le décalage en cisaillement, aussi connu sous le nom de « shear lag » ou encore « traînée de cisaillement ». Ce phénomène est plus particulièrement présent dans les assemblages, boulonnés ou soudés, où les pièces assemblées possèdent des parois non directement reliées aux pièces de transfert. Ces travaux font suite aux travaux de comparaison déjà effectués par d'autres étudiants notamment au niveau des poteaux mixtes ou encore des poutres mixtes (dalle de béton fixée à une poutre d'acier). À l'aide d'exemples de calcul et de modélisation assistée par ordinateur, la comparaison des nonnes permet de mettre en relief les différences et les ressemblances entre les équations normatives et de faciliter l'interprétation et l'intégration des résultats expérimentaux dans celles-ci. Il s'agit alors d'expliquer les divergences, de déterminer si elles sont significatives et de suggérer des modifications ou des ajouts aux normes existantes, le cas échéant. / The problematic of this research project concerns the constant renewal and improvement of standards for the design of steel structures. Two of the main goals of this research are to propose new design clauses on subject that have not yet been dealt with in standards and to suggest revisions to existing design clauses to take into account the research results. The project consists in comparing the design clauses of elements of a steel frame proposed in four standards, the Canadian standard (S 16-2001), the American standard (LRFD-2005), the European standard (Eurocode 3-2003) and the Australian standard (ACE 4100-1998). More precisely, this thesis deals with shear lag, a phenomenon that occurs in bolted and welded connections when bolts or welds transmit load to some but not ail of the cross-sectional elements. This thesis follows other comparisons already carried out by other students, for instance on composite beams and column. Using design examples and computer modeling, the comparison of the standards allows highlighting differences or convergence between code equations and in the interpretation of the experimental results. Then, divergences are explained if they are significant and improvements or additions to the existing clauses are suggested, if necessary.

Le traitement de l'eau permet à tout un chacun d'avoir de l'eau potable simplement en ouvrant le robinet. Pourtant, un nombre grandissant de consommateurs préfère boire de l'eau embouteillée. Les raisons de ce choix sont essentiellement esthétiques et en lien étroit avec les goûts et les odeurs. Cette préférence se manifeste notamment parmi les citoyens de Sainte-Foy, ville dont le réseau est alimenté par le fleuve Saint-Laurent. La présente étude a pour objectifs de comprendre ce qui peut engendrer ces problèmes organoleptiques. Pour ce faire, un suivi des paramètres physicochimiques et un profil des qualités esthétiques de l'eau ont été effectués, au moyen d'un groupe témoin de dégustation (panel), en plusieurs points du réseau de la ville de Sainte-Foy ainsi qu'à l'usine de traitement. Or, les principaux problèmes qui ont été retenus résident dans les goûts et les odeurs de chlore. Par conséquent, la mise en relation des pôles analyses et perceptions devait permettre de comprendre pourquoi ces problèmes étaient présents et comment ils évoluaient. Ainsi, de cette opération, la seule certitude mise en lumière se retrouve en début de réseau où il est nettement clair que l'acide hypochloreux est responsable des odeurs de chlore, et ce, durant toute l'année. En ce qui concerne les autres points du réseau, des composés autres que ceux étudiés dans cette recherche interviendraient de 40 à 50 % dans la responsabilité de ces odeurs de chlore. Le reste se partage entre l'acide hypochloreux et la trichloramine. En conséquence, les problèmes de goût et d'odeur seraient dus à une contribution partagée entre plusieurs composés présents dans l'eau. Cependant, tous ces composés n'ont pas fait l'objet de cette recherche.