Cette thèse a comme objectif d’estimer la variabilité régionale présente et future des trihalométhanes (THM) dans les systèmes d’approvisionnement en eau potable (SAEP) desservis en eau de surface à l’aide de modèles multiniveau. La variabilité régionale des THM a été étudiée à l’aide d’une importante base de données développée dans le cadre de cette thèse et concernant les résultats réglementaires de la qualité de l’eau potable, les infrastructures de traitement, la qualité de l’eau de surface et plusieurs paramètres spatio-temporels pouvant influencer la qualité de la source d’eau (Chapitre 2). Les modèles de régression multiniveaux permettent de considérer la structure hiérarchique des données et ainsi d’étudier la variabilité des échantillons de THM tout en contrôlant pour le regroupement des concentrations de THM entre les SAEP et entre les divisions écologiques du territoire. Dans un premier temps, des modèles de régression linéaire multiniveaux ont été développés pour estimer la variabilité régionale et temporelle d’un indicateur des précurseurs des THM, soit le carbone organique dissous (COD) (Chapitre 3). En utilisant les connaissances acquises lors de cette étude et à l’aide de modèles de régression logistique multiniveaux, nous avons ensuite développé un modèle permettant d’estimer la variabilité régionale de la probabilité que les concentrations de THM dans l’eau potable dépassent un seuil spécifique (Chapitre 4). Ce modèle de régression fut ensuite utilisé afin d’estimer l’impact possible des changements climatiques sur la variabilité régionale future de la probabilité que les concentrations de THM dans l’eau potable dépassent ce même seuil (Chapitre 5). Les modèles de régression multiniveaux ont été très peu utilisés dans le domaine de la modélisation de la qualité de l’eau potable. Or, les résultats de cette thèse ont démontré qu’ils s’avèrent un outil très efficace pour considérer la hiérarchie naturelle des variables permettant de modéliser la qualité de l’eau potable à l’échelle régionale. La base de données développée et l’exploration méthodologique des modèles de régression multiniveaux effectuée dans les différents chapitres de cette thèse offrent une plateforme unique pour les futures études de modélisation concernant la variabilité régionale de la qualité de l’eau potable. Mots clés : eau potable, eau de surface, modèle de régression multiniveau, cadre écologique du territoire, trihalométhanes, sous-produits de la désinfection, carbone organique dissous, changements climatiques / The objective of this thesis is to estimate the present and the future regional variability of trihalomethane (THM) occurrence in drinking water utilities (DWUs) supplied by surface water using multilevel models. The regional variability of THMs was investigated using a large database developed as part of this thesis that takes into account information about regulatory drinking water quality analyses, treatment infrastructures, surface water quality, and many other spatiotemporal parameters that may influence source water quality (Chapter 2). The multilevel models allow for the consideration of the hierarchical structure of the data and the study of variability among THM samples, while controlling for the grouping of THM concentrations within DWUs and at the regional level. At first, multilevel linear regression models were developed to estimate the regional and temporal variability of an indicator of THM precursors (i.e., dissolved organic carbon – DOC) (Chapter 3). Then, using the knowledge acquired in this study and based on multilevel logistic regression models, we developed a model which allows us to estimate the regional variability in the probability of THM concentrations exceeding a specific threshold in drinking water (Chapter 4). Then, this model was used to estimate the possible impact of climate change on the future regional variability in the probability of THM concentrations exceeding the threshold (Chapter 5). Multilevel models have only rarely been used in the field of drinking water quality modelling. And yet results from this thesis demonstrate that they are quite useful in considering the natural hierarchy of variables allowing for the modelling of drinking water quality on a regional basis. The database we developed and the methodological exploration of multilevel regression models that is carried out through the chapters of this thesis offer a useful framework for future modelling studies which examine the regional variability of drinking water quality. Keywords: drinking water, surface water, multilevel regression models, regional ecological framework, trihalomethanes, disinfection by-products, dissolved organic carbon, climate change

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / L'objectif principal de l'étude est d'évaluer les effets de l'utilisation d'un compost commercial sur la production de biomasse aérienne, ainsi que sur l'accumulation du Cu dans le ray-grass et le maïs cultivés en serre dans un résidu minier de Cu (RM). Un autre objectif consistait à évaluer l'effet de l'application d'une solution chélatante sur le prélèvement et l'accumulation du Cu dans la biomasse aérienne des deux plantes. Finalement, un dernier objectif était d'évaluer l'effet des traitements sur le fractionnement du Cu dans les RM cultivés avec du maïs. En général, le rendement en matière sèche du ray-grass et du maïs a augmenté avec les doses croissantes de compost. Le prélèvement et l'accumulation de Cu dans les tissus du maïs et du ray-grass (2e coupe) ont augmenté avec l'ajout de la solution chélatante aux RM. L'ajout du compost a diminué CUCAR et a augmenté CUORG, tandis que la solution chélatante a augmenté CUSOL et CUECH et a diminué CUCAR et CUORG

Un des défis de la recherche appliquée au génie civil est l'optimisation de la durée de vie des matériaux et structures ainsi que la mise au point de méthodes de certification rapides, peu coûteuses et sûres. Dans ce contexte, la politique de surveillance des ouvrages d'art instaurée en France à partir du début des années 1980 a mis en évidence des dégradations dues à l'action du froid dans plusieurs régions et notamment en montagne. Par conséquent, un bon nombre de gestionnaires d'ouvrages sont confrontées aux conséquences, quelquefois très pénalisantes, des cycles de gel-dégel sur la durabilité du béton.<br />L'endommagement par le froid est une combinaison d'une micro-fissuration interne et d'un écaillage de surface. Ce dernier est largement augmenté en présence des sels de déverglaçage couramment utilisés afin de permettre une bonne praticabilité des routes en période hivernale.<br />L'objectif des travaux de recherche présentés dans ce mémoire est l'approfondissement de nos connaissances sur le comportement au gel-dégel de surface d'une structure poreuse en vue d'une prédiction de son comportement et de l'identification de paramètres matériaux clés relatifs à sa pérennité hivernale.<br />Pour cela, nous avons tout d'abord mené une étude à l'échelle du matériau afin de déterminer la (ou les) relation(s) permettant de caractériser à l'échelle macroscopique l'état de gel du milieu poreux à une température donnée. Dans le cas d'un système réversible, la relation mesurable entre la proportion de glace de glace formée et la température, identifiable à une fonction d'état thermodynamique, est suffisante. Afin de la mesurer, un dispositif basé sur une méthode capacitive a été mis au point. L'utilisation de cette méthode repose, dans le cas d'un matériau poreux partiellement gelé, sur le contraste entre la constante diélectrique réelle de l'eau (entre 80 et 100) et de la glace Ih (environ 3) dans le domaine des hautes fréquences radio (entre 10 et 100 MHz) et pour des températures comprises entre -40°C et 0°C. Ainsi, tout changement de phase en milieu poreux se traduit par une variation sensible de la constante diélectrique globale du matériau testé et la proportion volumique de glace formée peut être estimée par un schéma d'homogénéisation multi-échelles.<br />La comparaison entre les résultats de gel-dégel obtenus par ce dispositif et ceux provenant de tests de sorption-désorption permet de conclure sur la prédictibilité de l'état de solidification d'un milieu poreux par des tests routiniers de sorption-désorption d'eau.<br />Etant en mesure de caractériser l'état de gel du milieu poreux soumis au froid, il devient possible d'étudier, par une approche macroscopique de type poromécanique des milieux continus, son comportement mécanique. Le scénario de comportement retenu est basé sur le couplage entre l'augmentation volumique de 9% accompagnant la transformation de l'eau en glace, les transferts d'eau non gelée au sein du réseau poreux et le comportement thermomécanique de chaque constituant. L'étude menée se limite au problème linéarisé d'une structure unidimensionnelle soumise à l'action du froid en surface. De plus, l'hypothèse des petits déplacements et des petites déformations est adoptée, ce qui borne strictement cette étude à l'apparition de la première fissure.<br />L'utilisation de ce modèle permet : (1) d'identifier l'origine de l'endommagement de surface (ou écaillage) observé expérimentalement sur des échantillons de ciments soumis à des cycles de gel-dégel sous fort gradient thermique, (2) de quantifier le rôle protecteur des vides d'air vis-à-vis de la résistance à l'écaillage.

Les fournisseurs de bétons doivent assurer la qualité de leurs produits. Ceci requiert, en premier lieu, une maîtrise de la composition du béton fabriqué. Cependant, les variations d'humidité des granulats rendent difficile le dosage précis des constituants. Le travail présenté dans ce mémoire vise à proposer des méthodes pour améliorer la régularité du dosage en eau, et pour suivre en continu l'ouvrabilité des bétons fabriqués industriellement. Dans un premier temps, un protocole original de calibrage du wattmètre en tant que outil de mesure en ligne de l'humidité du béton frais a été proposé et évalué. Les mesures de dosage en eau calibrées sont utilisées dans un deuxième temps, pour la mise au point de plusieurs algorithmes. Le premier type d'algorithme se traduit par une correction de l'écart d'eau dans la bétonnière portée, alors que le deuxième permet le calibrage des sondes hydrométriques des granulats. Les méthodes présentées sont validées sur des données acquises en centrale industrielle. Le suivi de l'ouvrabilité fait appel à la construction d'un modèle de puissance consommée par le malaxeur, reliant les caractéristiques rhéologiques du béton à la puissance totale dépensée. La détermination de l'ouvrabilité du béton par cette méthode nécessite l'utilisation d'un variateur de vitesse du malaxeur. La validation expérimentale sur des malaxeurs à différentes échelles permet de montrer qu'il est possible d'estimer convenablement le seuil de cisaillement et l'affaissement au cône d'Abrams du béton en cours de malaxage, sans connaissance préalable de sa composition.

La quantité et la distribution de l'eau interstitielle dans l'espace poral des milieux cimentaires sont des marqueurs fondamentaux de la durabilité des structures de Génie Civil en béton. La connaissance de ces grandeurs est également importante pour l'interprétation de certains essais non destructifs mis en œuvre pour évaluer les performances mécaniques des ouvrages ou détecter certains défauts. L'évaluation de la teneur en eau par méthode non-destructive requiert l'utilisation d'une grandeur intermédiaire telle que la permittivité diélectrique. La relation entre cette propriété électromagnétique et la teneur en eau dépend alors de la composition et donc de la formulation du béton. En électromagnétisme, les lois d'homogénéisation permettent de lier la permittivité effective d'un matériau hétérogène avec la permittivité intrinsèque et la fraction volumique de chaque hétérogénéité présente. Afin de pallier le temps important requis pour l'établissement d'une courbe de calibration expérimentale propre à chaque formulation, l'étude présentée propose la mise en place d'une démarche d'homogénéisation de la permittivité pour lier quantité d'eau présente dans un béton et permittivité macroscopique du matériau. Les travaux présentés rapportent la fabrication, la modélisation et l'utilisation de sondes coaxiales ouvertes pour la mesure de la permittivité complexe de matériaux solides et liquides. Le concept d'estimation de la teneur en eau par utilisation de lois d'homogénéisation est validé pour le cas d'un sable partiellement saturé en eau. Au vu des résultats prometteurs obtenus par modélisation analytique, des schémas d'homogénéisation sont combinés lors d'un processus de remontée d'échelle depuis celle des hydrates jusqu'à celle des granulats, en tenant compte de la morphologie de la microstructure. Les propriétés intrinsèques des principaux constituants d'un béton (granulats, hydrates, ciment anhydre) sont alors mesurées par sonde coaxiale et utilisées en données d'entrée du modèle construit. Une bonne cohérence est observée entre parties réelles de la permittivité simulées et mesurées, pour des échantillons de pâtes de ciment, mortiers et bétons. A la différence des lois expérimentales et empiriques, le modèle construit se caractérise par un temps de calcul quasi-instantané et peut être adapté d'une formulation de béton à une autre en fonction du type de ciment utilisé, de la nature et de la quantité de granulats ou encore de la porosité accessible à l'eau du matériau. / Prediction of delayed behavior in concrete can be significantly improved by monitoring the amount and spatial distribution of water within a concrete structure over time. Water content of cement-based materials can also be required to interpret non-destructive tests such as ultrasonic and radar measurements. Electromagnetic properties of heterogeneous and porous materials, such as dielectric permittivity, are closely related to water content. Measurement of these properties is thus a common non-destructive technique used to assess the moisture content, but a calibration curve is required to link the measured permittivity to the saturation degree. This curve can be determined experimentally, or from empirical models. However, the first approach is tedious and time consuming, while the second one is not adapted to concrete. Hence, this contribution proposes an alternative route, relying on electromagnetic homogenization schemes, to connect the macroscopic permittivity of cement-based materials with the water content of the structure. Therefore, different open-ended coaxial probes were designed, modelled and tested in order to perform complex permittivity measurements of both solids and liquids. The homogenization approach is first validated on unsaturated sand. Then, the permittivity of concrete components (aggregates, hydrates, interstitial liquid, anhydrous cement) was assessed by means of coaxial probe measurements. Finally, a specific combination of analytical homogenization laws taking into account the microstructure's morphology of the material is built. Results show that there is a good correlation between the model and measurements acquired on different cement pastes, mortars and concretes, at different saturation degrees. The model is characterized by a quasi-instantaneous calculation time and can be adapted to different concretes depending on cement type, nature and quantity aggregates or porosity.

L'évaluation de la teneur en eau est actuellement un objectif important pour la caractérisation des sols et la compréhension des mécanismes liés au transfert hydrique et à l'absorption racinaire. Il existe un lien entre les variations de la teneur en eau et la permittivité des sols. L'objectif de ces travaux est d'exploiter ce couplage pour définir un protocole d'imagerie active micro-onde d'un monolithe. En effet, lorsqu'une onde électromagnétique rencontre un objet ayant des dimensions caractéristiques de l'ordre de sa longueur d'onde, celle-ci après interactions, va induire un courant qui à son tour générera un champ électromagnétique diffracté. La mesure de ce champ va permettre de revenir aux informations relatives à l'objet, en particulier sa permittivité. Nous nous appuierons ici sur un système de mesure hyperfréquence constitué d'une cavité métallique cylindrique. Il a donc fallu mettre au point des outils numériques de modélisation et d'imagerie de permettant de décrire le phénomène de diffraction dans un tel environnement. L'imagerie micro-onde quantitative est un problème inverse non-linéaire mal posé. De plus, les mesures du champ électromagnétique sont perturbées, ce qui va induire de l'instabilité dans le problème inverse. C'est pourquoi il est nécessaire de mettre en place un algorithme itératif avec ajout d'informations a priori (polynômes de Zernike) pour obtenir une solution stabilisée. Des reconstructions obtenues à partir de champ mesurés sur différents fantômes sont discutées. De plus, les informations fournies par l'étude du comportement de l'opérateur de diffraction renseignent sur la quantité de données accessibles et les informations a priori qui peuvent être légitimes de considérer.

Mesurer la teneur en eau et l'angle des microfibrilles est un enjeu important pour les sciences du bois car ces deux paramètres influencent fortement le comportement macroscopique du bois. Par exemple, le retrait, les propriétés mécaniques, la conductivité thermique et acoustique sont dépendants de la teneur en eau et leur caractère anisotrope est en grande partie régi par l'angle des microfibrilles. L'objectif cette thèse est l'utilisation d'un rayonnement X avec un spectre poly-énergétique, pour mesurer sans contact la teneur en eau et l'angle de microfibrilles du bois.Nous avons exploité la légère différence entre le coefficient d'atténuation des rayons X pour l'eau et pour le bois dans des essais de transmission. Malheureusement, les résultats montrent que cette différence entre les coefficients d'atténuation est insuffisante pour permettre la mesure précise de la teneur en eau. En revanche, malgré la proximité de ces coefficients d'atténuation, des essais de diffusion cohérente du rayonnement montrent des effets sensibles. Ainsi, en utilisant un faisceau X poly-énergétique et un système de mesure spectrométrique du rayonnement transmis et diffusé, nous avons pu discriminer le composant cristallin (cellulose du bois) du composant amorphe (eau) dans un échantillon du bois humide car pour un angle donné ces phases diffractent à des énergies différentes. Par ailleurs, le dispositif créé spécialement nous a permis d'étudier la phase cristalline du bois. Nous avons pu confronter des profils de diffraction expérimentaux avec des profils de diffraction théoriques, obtenus au moyen d'une simulation rigoureuse, dans l'objectif d'estimer l'angle moyen de microfibrilles et son écart type.

Le compostage des déchets organiques reproduit le processus naturel de transformation dans le sol, des matières organiques fraîches, d'origine animale et végétale, en matière organique humifiée, communément appelée humus. C'est une pratique ancienne, dont on trouve des témoignages dans les lointaines civilisations romaine et même égyptienne. <br />Mais l'évolution des déchets suit étroitement celle des sociétés, et les déchets du passé qui étaient essentiellement organiques (effluents d'élevages, déchets alimentaires, résidus végétaux...) renferment aujourd'hui une gamme très hétérogène de produits (déchets verts, déchets alimentaires, effluents d'élevages et industriels, papiers, emballages plastiques et métalliques,...). Aux composts « artisanaux » destinés à un usage très local se sont ajoutés les composts industriels visant à digérer les déchets des collectivités et des industries agro-alimentaires, pour les valoriser en agriculture. Cette diversité des déchets, accentuée par la diversité des procédés de compostage conduit à une grande variabilité des composts produits.

Le présent projet de recherche s'intègre dans une vaste étude pluridisciplinaire visant à quantifier les émissions nettes de GES suite à la mise en eau d'un réservoir hydroélectrique situé en milieu boréal. La formation du réservoir Eastmain a impliqué l'ennoiement d'un territoire de 623 km² composé de peuplements forestiers, de lacs et de tourbières. De manière plus précise, cette étude vise d'abord à quantifier les stocks de carbone des sols des cinq principaux types de formations végétales du territoire qui ont été classifiés à partir d'images SPOT. Le deuxième objectif est de déterminer les variables écologiques qui influencent la variabilité des stocks de carbone mesurés. Des expériences d'incubation in vitro ont permis de quantifier la proportion de carbone labile dans chacun des sites ainsi que la réactivité de ces stocks face à une augmentation de la température. Les résultats des différentes analyses montrent que les stocks de carbone varient significativement dans les cinq formations végétales. Les quantités de carbone les plus élevées sont associées aux peuplements de conifère à canopée fermée (CF) (12,2 kg C mˉ²) et de feuillus (FEUIL) (13,4 kg C mˉ²). Les peuplements de feux anciens (FA), feux récents (FR) et de conifère à canopée ouverte (CO) présentent des valeurs qui ne sont pas significativement différentes (4,2 à 8,5 kg C mˉ²) malgré une productivité variable (p > 0,05). Les résultats des analyses démontrent que les facteurs qui contribuent davantage à l'accumulation de carbone dans les sols sont principalement l'épaisseur de l'humus, la position du site par rapport à la pente et le dépôt. La classe de drainage et le type de végétation ont aussi une influence sur la variabilité des stocks de carbone. Au niveau de la qualité du carbone, les résultats des incubations présentent des similitudes entre les cinq types de forêts et ce, autant dans l'humus que dans l'horizon minéral (p > 0,05). La proportion de carbone labile est plus grande dans la couche organique. La qualité du carbone est plus élevée dans les sites FEUIL et CO et elle est plus faible dans les formations CF. Le potentiel de minéralisation du carbone à un même régime de température est plus élevé dans les peuplements FEUIL et CC. Ce potentiel est principalement déterminé par les stocks de carbone et non la qualité de ce dernier. En déterminant le taux de décomposition de la matière organique à l'aide de la température journalière moyenne du sol et du Q¹⁰, il a de plus été possible d'estimer la respiration hétérotrophe des sites pour la période du 8 mai au 4 octobre 2007. Les résultats indiquent que les sites de feuillus présentent le taux de respiration le plus élevé et qu'en considérant un renouvellement quotidien des apports de matière organique au sol (i.e litière et racines), cette formation a perdu plus de 2% des stocks de carbone suivie de la formation à canopée ouverte (1,58%). Les peuplements de feuillus ont donc les stocks les plus importants de carbone et un potentiel de minéralisation supérieur aux autres formations. Dans le contexte d'une perturbation de ces écosystèmes, ils seraient donc les plus susceptibles à émettre du CO₂. Cependant, en raison de leur faible représentativité sur le territoire à l'étude (<10%), les impacts seraient minimisés dans ce contexte-ci. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Carbone organique, Sols forestiers, Forêt boréale, Séquestration.

L'objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes de conduction électrique et de polarisation diélectrique dans les matériaux argileux, et devrait aider par la suite à exploiter la mesure de ces paramètres sur le terrain pour suivre la fracturation, la saturation ou l'infiltration de polluants (sites de stockage de déchets en particulier). Nous avons réalisé des mesures en laboratoire sur des échantillons synthétiques d'argile compactée (kaolinite et smectique), à différentes teneurs en eau, porosités et compositions minéralogiques, sur une très large gamme de fréquences (avec trois dispositifs différents). Puis des argilites naturelles (Andra) ont été étudiées. La réponse des argiles compactées est principalement contrôlée par leur teneur en eau sur toute la gamme de fréquences ; nous avons également observé deux polarisations distinctes, attribuées à un phénomène de Maxwell-Wagner et à une polarisation de la double couche électrique autour des particules d'argile. La réponse des argilites naturelles est plus complexe ; elle est contrôlée par la teneur en eau ainsi que la microstructure de la roche. Dans ces roches, les anisotropies électriques et diélectriques sont fortes ; elles ont également été mises en évidence pour les échantillons synthétiques Les modèles théoriques existants prédisent bien la réponse à haute fréquence des matériaux étudiés, mais la réponse à basse fréquence (<1 MHz) doit être mieux comprise.