Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le but de ce travail est la caractérisation thermophysique de matériaux de construction solides et opaques (PVC, EPS, plâtre et béton) en laboratoire, avec une extension de la méthode vers des conditions in-situ (sable, paroi en béton cellulaire), et la mise en évidence de l’interaction des propriétés thermophysiques du matériau avec sa teneur en eau. Il repose sur l’étude numérique - via un modèle en différences finies - et expérimentale du transfert de chaleur par conduction. L’approche proposée consiste à envisager une distribution de capteurs de température répartis dans le sens du transfert dans une configuration expérimentale multicouche. Ces capteurs, des thermocouples permettent d’enregistrer les évolutions de températures aux différents points de mesure et d’extraire les caractéristiques thermiques du matériau dans chaque intervalle en les introduisant dans un schéma d’inversion. Le système instrumenté pourrait être sollicité de façon artificielle dans une application en laboratoire ou simplement par les échanges naturels avec son environnement dans le cas par exemple d’une paroi de bâtiment. Une progression dans la complexité des cas a été considérée. Dans un premier temps, une mise au point de la méthode sur un système multicouche constitué de matériaux homogènes, stationnaires et permettant d’identifier les paramètres thermiques d’un des composants. Par la suite, des matériaux de propriétés thermophysiques variables et évolutives avec pour objectif de proposer à plus long terme, un outil de suivi de propriétés thermiques et de teneur en eau des matériaux. / The purpose of the actual work is to thermally characterize opaque solid building materials (PVC, EPS, Plaster and Concrete). First tests in laboratory tend next to be in situ conditions (sand, aerated concrete wall) where thermophysical properties and moisture content interactions are highlighted. It is based on conductive heat transfer numerical (finite difference method) and experimental study. The proposed approach aims to place thermocouples in a multilayer thickness in the heat transfer direction. They allow temperature measurement at different nodes of the material. The temperatures are incorporated in an inverse heat transfer process to estimate characteristics at each layer. The tested materials could be submitted to either artificial thermal excitation or natural excitation in the case of building wall for example. Progressive complexity of the studied cases is considered. In fact, the first studied cases concerns homogenous inert materials which the quasi constant thermophysical properties were estimated. Then, materials with variable characteristics were considered for a long term thermophysical properties and moisture content monitoring.

La gestion de l’irrigation et de la fertilisation dans les systèmes de production hors sol est particulièrement cruciale afin de limiter tous risques d’asphyxie racinaire, de lessivage d’éléments minéraux, voire de développement de pathogènes liés à une irrigation excédentaire, ou, à l’inverse, de réhumectation délicate et de stress hydrique de la plante dans des conditions limitantes en eau. Ayant pour finalité d’améliorer l’efficience de l’eau pour les plantes cultivées sur substrats, les travaux développés dans cette thèse ont visé à analyser l’évolution des propriétés hydrauliques de différents substrats au cours de laculture, en se focalisant tout particulièrement sur les effets combinés du développement racinaire et de la gestion de l’irrigation.Des essais culturaux ont été menés sur tourbe, fibres de coco, fibres de bois et écorce, prenant pour plante modèle utilisée le rosier Knock Out®. Des mesures de biomassesracinaires et aériennes, ainsi que celles des propriétés de rétention en eau et en air, de conductivité hydraulique, de diffusivité des gaz et de mouillabilité ont été effectuées surchaque substrat soumis à des régimes d’irrigation différents (variant d’un optimum hydrique à des conditions de stress hydrique). Les résultats montrent d'importantes modifications aufil du temps, principalement en raison de l'histoire hydrique. Cela conduit à des modifications(1) de la distribution et de la taille des pores, traduite par une réduction de leur tortuositéqui génère une augmentation de la diffusion gazeuse dans le milieu, ainsi que (2) unediminution de / Precise irrigation management of substrates is of vital importance in horticultural soilless systems to avoid root asphyxia, nutrient leaching, and plant disease in case of excessive watering; as well as, nutrient and water deficiency, and then plant physiological stress in the driest conditions. The study presented here aimed to improve water efficiency for plants grown in pots or containers, focusing on the evolution of hydraulic properties of substratesdue to root development and irrigation strategies during plant growth. Crop trials were performed on peat, coir, wood fiber and pine bark, using the rose Radrazz Rosa x hybrida as plant model.Shoot and roots biomasses, air and water retention properties, hydraulic conductivity, relative gas diffusivity and wettability were measured on each substrate, managed with different irrigation strategies (from an optimal water content to hydric stress conditions). Results showed significant changes over time, mainly due to the hydric history. This led to changes (1) in pore distribution and size, and then a decrease in pore tortuosity generating an increase in relative gas diffusivity in the substrates, and (2) a decrease in substrates’ wettability according to the intensity of drying. Although they were with weaker amplitude to those resulting of the hydric history, filling of macroporosity by the root system led to limit substrates’ consolidation due to drying/wetting cycles, and moreoverto amplify pore connectivity and then relative gas diffusivity and to limit degradation inwettability.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de développement d'un outil radar pour la cartographie de la teneur en eau des sols agricoles et se consacre plus particulièrement à la conception de deux prototypes d'antennes radar large bande. Deux prototypes d'antennes ont ainsi été conçus de manière numérique sur la base d'un code de simulation électromagnétique en trois dimensions basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) pour la résolution des équations de Maxwell. Les prototypes ont été conçus avec comme ligne directrice un encombrement minimum (format A4) et une largeur de bande maximum sur la gamme 100 MHz - 1 GHz (dans l'air). Afin d'étudier apriori le comportement de ces prototypes en présence de sols, une étude numérique a été réalisée en représentant les sols par des demi-espaces infinis. Cette étude numérique se base sur l'évolution du coefficient de réflexion des prototypes dans le domaine fréquentiel (s11). Pour s'approcher au mieux des conditions de terrain, l'effet d'un contact non idéal entre l'antenne et le sol (représentée par une élévation de l'antenne) ainsi que celui de la rugosité du sol (représenté par des surfaces en tôle ondulée et en boîtes d'oeufs) ont été investigués. Sur la base de cette étude numérique, deux prototypes d'antennes (une antenne de type bow-tie et une de type dipôle elliptique) ont été fabriqués et testés en laboratoire et sur le terrain. Les premiers tests en laboratoire ont permis : (i) de vérifier la bonne cohérence entre mesure de s11 en milieu contrôlé et simulation FDTD précise de l'antenne (i.e. prenant en compte tous ses éléments constitutifs), (ii) une calibration en champ lointain et en champ proche de l'antenne permettant l'utilisation d'un modèle analytique pour simuler le s11 de l'antenne en présence d'un sol, (iii) une première estimation de la permittivité diélectrique d'un sol simple (sable) par les deux types de modélisation (FDTD et analytique). Enfin, les prototypes d'antennes ont été testés sur le terrain afin de vérifier leur comportement lors de mesures in situ. Ces tests montrent un fort impact (bruit) des câbles coaxiaux utilisés lors des mesures (notamment à haute fréquence), ainsi qu'une bonne sensibilité du dispositif aux contrastes de permittivité diélectrique. / The research work submitted in this PhD dissertation is part of research project which aims to develop a new tool for mapping the soil water content in agricultural context with ground penetrating radar technology. The scope of this particular work is the development of two prototypes of wideband radar antennae. Hence, two prototypes of antennae have been numerically designed based on a 3D finite-difference in time-domain (FDTD) electromagnetic solver of Maxwell's equations. The guiding principles that have been followed during the design are mainly a small size antenna (A4 format) and achieving the wider bandwidth possible in the frequency range 100 MHz - 1 GHz (in the air). In order to study the behavior of our prototypes when put in presence of soils, we conducted a numerical study representing the soils by half-spaces. This numerical study was based on the analysis of the antennae reflection coefficient in the frequency domain (or return loss coefficient s11). To be as close as possible to field conditions, the effect of a non ideal contact between the antenna and the soil (represented by a small elevation of the antenna) as well as the effect of soil surface rugosity (represented by corrugated iron-like and eggbox-like surface) have been investigated. Based on this numerical study, two prototypes of antennae (one bow-tie-like and on elliptical dipole) have been physically built and tested in both lab and field conditions. The test in lab condition enabled us to: (i) check the similarity between measured s11 in a controlled environment and corresponding FDTD simulation of the antenna including all antenna parts, (ii) calibrate the antenna in both far field and near field conditions which enabled the use of an analytical model to simulated the antenna s11 in presence of soil, (iii) estimate the dielectric permittivity of a sand sample using both FDTD and analytical simulations. Finally, the prototypes were tested in field condition in order to verify their behavior for in situ measurements. These tests show that using unshielded coaxial cable has a very important impact on the data (noise) and that the prototypes demonstrate a good sensitivity to dielectric permittivity contrasts.

Cette recherche s’inscrit dans le cadre de la surveillance structurale des enceintes de confinement des centrales nucléaires qu’EDF exploite. L’objectif est de déterminer comment la connaissance de la teneur en eau du béton de ces ouvrages pourrait améliorer les prédictions de leur comportement mécanique, qui sont régulièrement réalisées dans le cadre de la démonstration de sûreté des installations.Dans un premier temps, nous avons étudié comment les incertitudes de mesure d’auscultation se propageaient dans les modèles pour quantifier l’information apportée par la mesure de teneur en eau. Nous avons également considéré les effets de ces incertitudes sur les extrapolations en fin de vie de l’ouvrage. Dans un second temps, nous avons proposé un modèle de surveillance des déformations différées comprenant la teneur en eau comme variable explicative et fondé sur une dépendance linéaire avec les déformations. Cette approche a été validée grâce aux données issues de la maquette VeRCoRs.Nous avons voulu ensuite estimer plus précisément l’exigence métrologique pour qualifier les chaines de mesure in situ de teneur en eau des bétons. Pour cela, nous avons utilisé la méthode de Monte Carlo pour simuler la propagation des incertitudes de mesures, en comparant les performances du modèle que nous proposions avec celles d’une approche d’ingénierie plus classique. / This research takes place within the framework of the structural monitoring of nuclear power plant containments that EDF operates. Our goal is to determine how the knowledge of the concrete water content these structures could improve the predictions of their mechanical behavior, which are periodically undertaken as part of the safety case for the facilities.As a first step, we have studied monitoring data uncertainties propagation through the models, in order to quantify the information brought by the water content measurement. We have also addressed the effects of these uncertainties on the extrapolations to the end of the structure lifetime. In a second phase, we have proposed a delayed deformation monitoring model including water content as an explanatory variable and based on a linear dependence with strains. This approach has been validated with data from the VeRCoRs mock up.Then, we sought to estimate more accurately the metrological requirement to qualify in-situ measurement systems for concrete water content. To do this, we used the Monte Carlo method to simulate the propagation of measurement uncertainties, by comparing the performances of the model that we proposed with those of a more conventional engineering approach.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de dresser un portrait complet des apports actuels et historiques de phosphore au lac Nairne afin de permettre aux acteurs locaux de poser des actions ciblées et efficaces en vue de l’amélioration de la qualité de l’eau du lac. La charge interne, qui représente le tiers de la charge annuelle totale de phosphore du lac Nairne, a été quantifiée. Puis, l’évolution de la charge externe a été estimée. La modélisation a démontré que la masse de phosphore exportée vers le lac Nairne a diminué de 55 % depuis 1950, mais qu’elle est toujours bien au-dessus de la charge naturelle. Pour améliorer cette situation, des pistes de solutions sont proposées. Cette étude permet de mieux comprendre l’impact de l’occupation du territoire sur la qualité de l’eau des lacs. De plus, la méthodologie détaillée pourra être appliquée sur des bassins qui rencontrent des problématiques semblables. / This master’s thesis aims to provide a comprehensive picture of current and historical phosphorus inputs to Lake Nairne to allow local stakeholders to target their actions to achieve lake restoration. The internal load, which represents one-third of the total annual phosphorus load has been estimated. Inputs from the watershed were also estimated using a mass-balance model. The results show that the external phosphorus load has declined by 55 % since 1950, but is still well above the natural load. To improve this situation, possible solutions are proposed in the last section. This study provides a better understanding of the impact of land use evolution on lake water quality. In addition, the methods can be applied to other watersheds facing similar problems in order to improve sustainable lake restoration.

Cette étude avait comme objectifs de développer un indicateur agronomique et environnemental, d'évaluer les pertes en phosphore (P) en dehors de la couche arable et de déterminer des doses de P requises par classe de fertilité pour les cultures de la carotte, du céleri, du chou-chinois, de la laitue, de l'oignon et de la pomme de terre cultivés en sols organiques. Nos travaux ont permis i) de sélectionner l'indice de saturation en P selon la méthode de Mehlich III (ISPMIII) comme test de P en sols organiques ; ii) de déterminer un seuil critique environnemental d'ISPM-m fixé à 0,05 au-delà duquel la fertilisation ne doit dépasser les exportations de P par la culture; iii) d'établir des seuils critiques agronomiques d'ISPM-m entre 0,10 et 0,15 à partir de la réponse de la culture à la fertilisation; iv) de démontrer une variabilité spatiale faible et une variabilité saisonnière élevée de I'ISPM-III en sols organiques avec des pertes enregistrées de plus de 40 kg P ha"1 entre l'automne et le printemps suivant; v) de déterminer des classes de fertilité du sol par saut de 0,05 unité d'ISPM-m; vi) de démontrer aucune ou faible réponse de la culture à la fertilisation sauf dans la classe de fertilité moyenne 0,05-0,10. Les recommandations en P sont basées selon une approche agroenvironnementale limitant l'accumulation du P dans les sols et la fertilisation doit être inférieure aux exportations de P lorsque I'ISPM-III dépasse le seuil environnemental de 0,05.

Les recommandations émises afin de favoriser l'optimisation du profil de risque cardiovasculaire sont très précises concernant les apports en lipides. Toutefois, les données concernant les glucides sont moins spécifiques. L'indice glycémique (IG) et la charge glycémique (CG) constituent des outils intéressants pour évaluer le type et la quantité de glucides consommés. Les objectifs de ce mémoire de maîtrise sont d'une part, de vérifier si 1TG et la CG sont associés à l'activation endothéliale et d'autre part, d'évaluer les bénéfices d'une diète à faible IG en prévention secondaire. Aucune association significative n'a été observée entre 1TG ou la CG de la diète et les molécules d'adhésion plasmatiques chez des hommes présentant de l'obésité abdominale. De plus, nous avons noté des bénéfices similaires au niveau du profil de risque cardiovasculaire suite à l'enseignement d'une diète faible en gras ou à faible IG chez des patients atteints ou à au risque de MCV.

L'utilisation de données de conductivité électrique (CEA) du sol pour délimiter des zones d'aménagement (ZA) intra parcellaires en agriculture de précision semble très prometteuse. L'objectif de cette étude était de vérifier l'efficacité de la CEA du sol à délimiter des ZA intra parcellaires constituées de sols homogènes et principalement basées sur la qualité des sols en prévision de leur utilisation pour la gestion spécifique de N dans une culture de la pomme de terre (Solarium tuberosum L.). Dans un premier temps, la CEA du sol a été mesurée intensivement avec la technologie Geonics EM38 selon une grille en quinconce de 15 m par 15 m dans un champ en culture commerciale de pomme de terre de 13,8 ha. Une description des profils pédologiques (1,2 m) ainsi qu'un échantillonnage intensif de la couche de surface des sols (0-0,2 m) ont aussi été effectués sur un sous-ensemble de cette grille d'échantillonnage (30 m x 30 m). Les échantillons de sol ont été analysés pour déterminer les principales propriétés physico-chimiques des sols (texture, matière organique, pH, éléments extraits au Mehlich-3). Les rendements en tubercules ont été mesurés avec un capteur de rendement pour les années 1998, 1999 et 2000. L'algorithme de classification «k-moyenne» a été utilisé pour délimiter les ZA à partir de la matrice des données de CEA du sol issue d'une interpolation par krigeage. Deux ZA ont été jugées optimales pour implanter dans ce champ une gestion des pommes de terre spécifique aux sols. Ces deux ZA présentaient des propriétés hydriques (épaisseur du dépôt sableux sur le substratum argileux, profondeur de la nappe phréatique, capacité de rétention d'eau) et certaines propriétés chimiques de sol (matière organique, P et pH) contrastantes. Une différence moyenne (5,9 t ha"1 ) significative de rendement en pomme de terre a été notée de 1998 à 2000 entre les deux ZA et attribuée à la différence de la réserve en eau entre les ZA. Cette étude démontre que la CEA peut délimiter avec efficacité des ZA intra parcellaires présentant des sols aux propriétés hydriques et aux potentiels de rendement contrastants. Dans un deuxième temps, la réponse spécifique de N à chacun des sites choisis pour représenter les deux ZA préalablement identifiées, a été testée d'un point de vue tant agronomique qu’environnemental. Cette étude évaluait donc les effets de la dose et du fractionnement du fertilisant azoté sur le rendement, le calibre et le poids spécifique des tubercules de pomme de terre ainsi que sur le recouvrement apparent en N des tubercules (Nrec), l'azote résiduel du sol (RSN) à la récolte et la concentration en nitrate de l'eau du sol (SWN) dans les deux sites de 1999 à 2001. L'essai a été établi aux deux sites représentatifs des ZA préalablement délimitées avec la CEA du sol et présentant des différences de teneur en eau disponible du sol contrôlée par la profondeur au substratum argileux. Chaque essai comportait 21 traitements incluant cinq doses de nitrate d'ammonium (0-200 kg N ha-1 en 1999 et 0-240 kg N ha-1 en 2000 et 2001), chacune appliquée selon cinq modes de fractionnement (100, 75, 50, 25 ou 0 % de N à la plantation et le reste au buttage). Le rendement a été mesuré ainsi que le poids spécifique et le calibre des tubercules. La teneur en N des tubercules a été analysée. Des échantillons de sol (0-0,7 m) ont été prélevés au moment de la récolte et la teneur en nitrates a été analysée. De plus, des lysimètres à succion ont été utilisés tout au long de la saison et après la récolte pour évaluer la SWN. D'un point de vue agronomique, les résultats ont révélé que l'accroissement de la dose de N augmentait le rendement total et commercialisable aux deux sites. La dose de N requise pour optimiser le retour économique variait de 167 à 239 kg N ha-1 dépendamment de l'année et des sites. L'application de la totalité des fertilisants azotés à la plantation ou au buttage diminuait les rendements en tubercules aux deux sites comparativement à une application fractionnée. Le pourcentage de la dose de N appliqué à la plantation pour atteindre le rendement commercialisable maximum variait de 34 à 61% dépendamment de l'année et permettait une augmentation de rendement de l'ordre de 2 à 20 %. La proportion de tubercules de taille large était toujours plus importante dans le site dont le substratum argileux était plus éloigné de la surface (DMZ) que dans le site dont le substratum argileux était plus près de la surface (SMZ). Le rendement en tubercules et le prélèvement en N étaient cependant supérieurs au site SMZ comparativement à ce qui était mesuré au site DMZ lorsque aucun fertilisant azoté n'était appliqué. Par contre, la réponse du rendement en tubercules suite à l'apport de fertilisant azoté était plus prononcée au site SMZ qu'au site DMZ pour une année. Cependant, ces différences n'étaient pas suffisantes pour justifier des gestions différentes de l'azote aux deux sites. Les deux sites différaient fréquemment en termes de rendement et de calibre des tubercules et aussi du poids spécifique, mais pour les deux ZA, la dose optimale de N et le niveau de fractionnement de N étaient similaires. Ces différences peuvent être cependant suffisamment grandes pour justifier des pratiques de gestion différentes de la pomme de terre (e.g. gestion des nutriments, espacement des tubercules) pour optimiser la production de pomme de terre pour le marché de la croustille. D'un point de vue environnemental, l'effet de la dose de N et du fractionnement sur Nrec, RSN et SWN différaient parfois selon le site. Le Nrec était moins sensible à la dose de N et au fractionnement au site SMZ qu'au site DMZ. L'application de la même dose de fertilisant azoté résultait généralement en une quantité plus importante de RSN à la récolte au site SMZ qu'au site DMZ. À plusieurs reprises en 1999 et 2001, le SWN du site DMZ était plus élevé que celui du site SMZ indiquant un lessivage plus élevé des nitrates au site DMZ comparativement au site SMZ. Différentes stratégies de gestion spécifique de l'azote pourraient être utilisées à ces deux sites pour améliorer l'efficacité de l'utilisation l'azote et limiter les risques de pertes de nitrates par lessivage. Cependant, la variabilité temporelle intra- et interannuelle contrôlée majoritairement par les conditions climatiques était supérieure à la variabilité spatiale de N. Ceci met en évidence le besoin d'un modèle dynamique et holistique du statut azoté dans le sol et/ou la culture pour aider le producteur à ajuster les niveaux de fertilisants azotés à l'intérieur d'un même champ et d'une même saison.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / Sur un loam argileux supportant une rotation maïs-soya, nous avons évalué les effets du travail du sol et de la fertilisation N et P sur le contenu en C du sol (0-60 cm) et la quantité de C apportée par les cultures. Alors que l'absence de labour augmente la teneur en C à la surface du sol, la présence du labour accroît la teneur en C des horizons inférieurs. Il en résulte des stocks de C statistiquement équivalents pour les deux modes de travail du sol lorsque l'ensemble du profil est considéré. Le labour et la fertilisation N et P ont entraîné une augmentation des apports de C par les cultures, mais n'ont pas eu d'incidence sur les stocks de C du profil entier. La fertilisation N influence toutefois de façon différentielle la teneur en C des sols labourés et non labourés dans le premier tiers du profil de sol.