Malgré leur fort développement en assainissement domestique urbain, les bioréacteurs à membranes (BaM) pâtissent de phénomènes de colmatage, induisant des coûts énergétiques et de maintenance importants. L’aération séquencée des membranes par des grosses bulles est l’une des stratégies pour limiter le colmatage ; son impact a fait l’objet de plusieurs études mais reste globalement mal compris, notamment du fait de la complexité de ces systèmes, multiphasiques et opaques. L’hydrodynamique des réacteurs reste mal caractérisée en présence de boues. Pour apporter des éléments de compréhension aux mécanismes de limitation du colmatage par injection d’air, un pilote de filtration membranaire semi-industriel (2 m3, 3 sous modules fibres creuses Puron®) a été conçu, dimensionné et installé sur l’unité de traitement des jus (TDJ) de la station d’épuration Seine Aval (SIAAP), afin d’être alimenté en boues biologiques dans des conditions réelles de fonctionnement. Le suivi des paramètres opératoires du pilote et de ses performances de filtration sur une période de 5 mois avait un double objectif : (i) mieux caractériser la dispersion du gaz pour différentes conditions de fonctionnement (paramètres de l’aération, concentration en boues de l’alimentation), (ii) hiérarchiser les facteurs qui limitent le colmatage des membranes. Il s’agit in fine de proposer des stratégies d’aération adaptées et efficaces pour limiter le colmatage. Afin de caractériser la dispersion du gaz dans le réacteur, une méthodologie innovante basée sur la tomographie de résistivité électrique (ERT) a été adaptée au pilote. Les conditions d’utilisation de l’ERT (nombre d’électrodes de mesure, séquence de quadripôles) ont été sélectionnées à travers une étude numérique, de même que les paramètres d’inversion nécessaires pour reconstituer la cartographie des résistivités à partir des mesures expérimentales. Cette étude numérique poussée, réalisée sous COMSOL, a permis de conclure à l’intérêt de la méthode pour représenter la distribution des phases dans la géométrie considérée. L’ERT a donc été appliquée au pilote alimenté en boues, pour différentes conditions d’aération. Le jeu de données de filtration a par ailleurs été analysé par logique floue, à l’aide du logiciel FisPro. Les arbres de décision obtenus, en analysant les résultats de manière globale et en les regroupant par conditions opératoires similaires, ont mis en évidence l’impact prépondérant des variables suivantes sur la dérive de perméabilité observée (comprise entre - 9 et 2 LMH/bar) : la différence de DCO entre le surnageant des boues et le perméat (DDCO) traduisant une phase colloïdale complexe, et la concentration en matières en suspension (MES), ayant toutes deux un impact négatif sur les performances de filtration. Une augmentation du débit d’air conduirait à une limitation de la dérive de perméabilité, sauf lorsque la variable DCO est élevée (> à 500 mg/L), cette hypothèse restant cependant à vérifier sur une base de données plus conséquente. Le modèle ainsi obtenu par logique floue permet de mieux simuler les évolutions de perméabilité que les modèles obtenus par régression linéaire multivariée (erreurs de 0,61 et de 0,70 respectivement), et ce malgré une incertitude relative importante sur la mesure de perméabilité (jusqu’à 16 %). Ces résultats sont cohérents avec la dispersion du gaz observée par ERT : son homogénéité dépend de la concentration en MES et du débit d’air injecté. A forte concentration en MES (6 – 10 g/L), des zones préférentielles de passage des bulles ont été observées, en particulier à faible débit d’air, expliquant ainsi un colmatage plus important. L’utilisation nouvelle dans ce contexte de ces techniques, ERT et logique floue, donne des résultats qui confortent l’intérêt d’adapter l’aération (débit, séquençage) aux caractéristiques des boues notamment leurs concentrations, et qui permettent d’envisager des stratégies de contrôle de ces paramètres

Située à l'interface entre les eaux de surface et les eaux souterraines, la zone hyporhéique (ZH) est depuis maintenant plusieurs décennies considérée comme une zone cruciale pour la préservation des milieux aquatiques. Elle constitue souvent un indicateur fiable de la bonne qualité des eaux et une niche écologique primordiale pour de nombreuses espèces. Mais elle est aussi le lieu d'interaction entre deux masses d'eau de signature différente, ce qui conduit à la formation d'un milieu extrêmement fragile et siège d'un grand nombre de réactions biogéochimiques. L'objectif principal de cette thèse est de parvenir à une meilleure compréhension de la dynamique des échanges au sein de la zone hyporhéique. L'approche de cette problématique s'est faite sous un aspect innovant en couplant une démarche hydrogéologique "classique" à l'aide de mesures hydrodynamiques et géochimiques, et l'utilisation de la tomographie de résistivité électrique (ERT). Plusieurs campagnes de terrain ont été menées sur la rivière Essonne, choisie comme lieu d'expérimentation. Différents outils de prélèvement et/ou de mesure ont été mis en place et un grand nombre de mesures à différentes périodes de l'année ont été réalisées. Des expériences assez techniques et innovantes de suivi d'un abaissement et relèvement de barrage, ainsi qu'un traçage artificiel au sel ont pu être effectués grâce à la collaboration avec le syndicat chargé de la gestion et l'aménagement d'une partie du réseau hydrographique de l'Essonne (SIARCE). En parallèle avec cette étude expérimentale, une maquette numérique 3D de la zone d'étude a été réalisée à l'aide du logiciel HydroGeoSphere. Des tests de sensibilité ont permis d'identifier les paramètres hydrodynamiques les plus importants et de quantifier leur impact sur la formation et l'évolution de la zone hyporhéique. Finalement, les premières simulations des expériences menées sur le terrain ont permis de confronter l'approche expérimentale et l'approche théorique. / The Hyporheic Zone (HZ) is located at the interface between surface water and groundwater. For several decades it is considered as a hotspot for the development of a rich aquatic environment in rivers. Its system is often considered as a reliable indicator for water quality and a primary ecological niche for many species. From a hydrological point of view, it is also the place of interaction between two distinct water bodies with different geochemical signatures. This place of mixing forms a very fragile equilibrium where many biogeochemical reactions can occur. The objective of this thesis is to reach a better understanding of mixing and water fluxes in a dynamic context within the hyporheic zone. An innovative method was used by coupling a "classic" hydrogeological approach with hydrodynamic and geochemical measurements with Electrical Resistivity Tomography (ERT). Several field campaigns were done on the Essonne river as experimental site. A large number of measurements were done at various periods of the year and field equipment for water sampling and measurements were installed during these three years. Technical and innovative experiments were conducted such as a dam lowering and rising and an artificial salt tracer test in collaboration with the federation in charge of organization and management of the Essonne network. Finally, a 3D-model of the studied area was built with the HydroGeosphere software. The main hydrodynamic parameters have been tested in order to understand their impact and their variation in a static or dynamic environment on the hyporheic system and its development. In addition, field experiments were reproduced to compare the experimental and theoretical approach.

L'influence d'un système hydrothermal au sein d'un édifice volcanique est un concept encore peu étudiée au regard de son importance pour la stabilité d'un volcan. Ce travail s'intéresse à la relation entre système hydrothermal et tectonique à travers l'étude des déformations engendrées dans un cône volcanique par le fluage de roches affectées par l'altération hydrothermale. La présence de ces argiles, ductiles à l'échelle de temps considérée, modifie profondément le comportement d'un édifice volcanique au cours de son évolution, pouvant conduire à la formation de grandes structures d'effondrement de type caldera. La confrontation de modèles analogiques avec la géologie et les données géophysiques nous permet de contraindre dans ce sens l'interprétation des structures d'effondrement observées par exemple sur Nuku Hiva (Polynésie française) et sur le Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion). La modélisation analogique montre également que la formation du plancher plat d'une caldera peut être le résultat d'un processus syneffondrement, ne nécessitant pas de resurfaçage postérieur par érosion ou mise en place de nouveaux produits éruptifs. Les expériences nous permettent d'identifier la pente du cône et la diminution des contraintes latérales sur l'édifice comme les paramètres prépondérants à l'origine de la déformation. Les variations de ces paramètres sont déterminantes pour la morphologie de la caldera.

Malgré leur fort développement en assainissement domestique urbain, les bioréacteurs à membranes (BaM) pâtissent de phénomènes de colmatage, induisant des coûts énergétiques et de maintenance importants. L’aération séquencée des membranes par des grosses bulles est l’une des stratégies pour limiter le colmatage ; son impact a fait l’objet de plusieurs études mais reste globalement mal compris, notamment du fait de la complexité de ces systèmes, multiphasiques et opaques. L’hydrodynamique des réacteurs reste mal caractérisée en présence de boues. Pour apporter des éléments de compréhension aux mécanismes de limitation du colmatage par injection d’air, un pilote de filtration membranaire semi-industriel (2 m3, 3 sous modules fibres creuses Puron®) a été conçu, dimensionné et installé sur l’unité de traitement des jus (TDJ) de la station d’épuration Seine Aval (SIAAP), afin d’être alimenté en boues biologiques dans des conditions réelles de fonctionnement. Le suivi des paramètres opératoires du pilote et de ses performances de filtration sur une période de 5 mois avait un double objectif : (i) mieux caractériser la dispersion du gaz pour différentes conditions de fonctionnement (paramètres de l’aération, concentration en boues de l’alimentation), (ii) hiérarchiser les facteurs qui limitent le colmatage des membranes. Il s’agit in fine de proposer des stratégies d’aération adaptées et efficaces pour limiter le colmatage. Afin de caractériser la dispersion du gaz dans le réacteur, une méthodologie innovante basée sur la tomographie de résistivité électrique (ERT) a été adaptée au pilote. Les conditions d’utilisation de l’ERT (nombre d’électrodes de mesure, séquence de quadripôles) ont été sélectionnées à travers une étude numérique, de même que les paramètres d’inversion nécessaires pour reconstituer la cartographie des résistivités à partir des mesures expérimentales. Cette étude numérique poussée, réalisée sous COMSOL, a permis de conclure à l’intérêt de la méthode pour représenter la distribution des phases dans la géométrie considérée. L’ERT a donc été appliquée au pilote alimenté en boues, pour différentes conditions d’aération. Le jeu de données de filtration a par ailleurs été analysé par logique floue, à l’aide du logiciel FisPro. Les arbres de décision obtenus, en analysant les résultats de manière globale et en les regroupant par conditions opératoires similaires, ont mis en évidence l’impact prépondérant des variables suivantes sur la dérive de perméabilité observée (comprise entre - 9 et 2 LMH/bar) : la différence de DCO entre le surnageant des boues et le perméat (DDCO) traduisant une phase colloïdale complexe, et la concentration en matières en suspension (MES), ayant toutes deux un impact négatif sur les performances de filtration. Une augmentation du débit d’air conduirait à une limitation de la dérive de perméabilité, sauf lorsque la variable DCO est élevée (> à 500 mg/L), cette hypothèse restant cependant à vérifier sur une base de données plus conséquente. Le modèle ainsi obtenu par logique floue permet de mieux simuler les évolutions de perméabilité que les modèles obtenus par régression linéaire multivariée (erreurs de 0,61 et de 0,70 respectivement), et ce malgré une incertitude relative importante sur la mesure de perméabilité (jusqu’à 16 %). Ces résultats sont cohérents avec la dispersion du gaz observée par ERT : son homogénéité dépend de la concentration en MES et du débit d’air injecté. A forte concentration en MES (6 – 10 g/L), des zones préférentielles de passage des bulles ont été observées, en particulier à faible débit d’air, expliquant ainsi un colmatage plus important. L’utilisation nouvelle dans ce contexte de ces techniques, ERT et logique floue, donne des résultats qui confortent l’intérêt d’adapter l’aération (débit, séquençage) aux caractéristiques des boues notamment leurs concentrations, et qui permettent d’envisager des stratégies de contrôle de ces paramètres / Membrane bioreactors (MBRs) are widely used in the wastewater treatment sector. However, membrane fouling mitigation remains challenging, and leads to important maintenance and energy costs. Several strategies have been developed industrially to enhance MBR productivity, including coarse bubble sequenced aeration for fouling mitigation. The way such aeration participates in sludge hydrodynamic patterns is an important research topic. However, the methods currently used for hydrodynamic characterisation suffer from several drawbacks, mainly due to the system’s complexity (three phases with opaque deformable solids). More research is needed to characterize hydrodynamics in MBRs filled with activated sludge. A semi-industrial reactor (2.0 m3) was designed and equipped with three hollow fiber membrane modules (KMS Puron) to contribute to fill this knowledge gap. The reactor was continuously fed with activated sludge from one of the reactors of the Seine Aval (SIAAP) wastewater treatment plant. Operating parameters, activated sludge properties as well as process performances were monitored for five months with two objectives: (i) to characterize gas dispersion for different operating conditions (aeration strategy, activated sludge concentrations), (ii) to rank activated sludge properties and operating conditions, according to their impact on fouling mitigation. The ultimate goal is to propose adapted aeration strategies allowing sustainable filtration performance. In order to characterize the gas dispersion in a complex geometry such as MBR membrane tanks, an innovative approach based on electrical resistivity tomography was adapted to the pilot conditions. A numerical approach was used to define the experimental design in terms of electrode positions, quadripole sequences but also inversion parameters, used to reconstruct resistivity maps from experimental datasets. This numerical study, performed on COMSOL, demonstrated the ability of the ERT method to observe different patterns in the membrane zone. ERT was therefore applied to characterise bubble dispersion in the semi-industrial membrane bioreactor filled with activated sludge and operated using different aeration conditions. The dataset obtained from filtration monitoring was analysed using fuzzy logic. The resulting fuzzy decision trees, constructed from the whole dataset or from subsets clustering similar operating conditions, pointed out the impact on the permeability evolution of two main factors: the COD difference between activated sludge supernatant and permeate (COD), standing for complex colloidal phase, and Mixed Liquor Suspended Solid (MLSS) concentration. Both variables emphasizing fouling at high values. Also, an air flow rate augmentation seemed to mitigate fouling, except at high COD concentrations (> 500 mg/L), where its impact was reversed. This last observation needs further investigation, on a larger dataset. The model obtained from fuzzy logic allows a better simulation of permeability evolutions compared to multivariate linear regression (errors of 0.61 and 0.70, respectively), despite a relatively high measurement uncertainty of permeability (up to 16 %). Those results are consistent with the gas dispersion observed with ERT measurements: homogeneity of gas dispersion depends on MLSS concentration and air flow rate. At high concentrations of MLSS (6 g/L and 10 g/L), a high air flow rate is required for the bubbles to be distributed on the whole membrane zone and preferential flow paths have been observed, especially at low air flow rate. This gas dispersion heterogeneity explains worsened filtration performance. In this context, the new use of these technics, ERT and fuzzy logic, provided results that reinforce the interest to link aeration parameters to sludge properties, their MLSS concentration in particular, leading to consider control strategies for these operating parameters.

Ce travail a pour objectif d’étudier l’impact d’une installation de stockage de déchets nondangereux sur l’eau souterraine. L’ISDND d’Étueffont (90) dont le mode d’exploitation associedes prétraitements mécanique et biologique (broyage et maturation aérobie) comporte un casiernon sécurisé ainsi qu’un casier étanche. La caractérisation des lixiviats sur 21 ans (1989-2010)montre une dégradation rapide des déchets. Un état de stabilisation est atteint en fin de suivi. Lesprétraitements ont permis d’accélérer la dégradation des déchets et de réduire le potentiel polluantde l’ISDND. Les lixiviats sont traités in situ par lagunage naturel. Bien que cette technique soitpeu répandue pour le traitement des lixiviats, elle offre pourtant des abattements significatifs (75-90 %) de la matière organique, des matières en suspension, de l’azote et du phosphore. Lesprécédentes études ayant démontré une contamination de l’eau souterraine par les lixiviats, unedélimitation du panache de contamination a été entreprise en combinant des prospectionsgéophysiques du secteur (tomographie de résistivité électrique) et des analyses physico-Chimiquesde l’eau. Les résultats montrent une infiltration des lixiviats à la base du casier non sécurisé ainsiqu’au travers de la géomembrane du casier sécurisé. Une légère infiltration des eaux de lagunagea aussi été observée au niveau des lagunes. Le panache a une étendue limitée et se concentreessentiellement sous la base de l’ISDND. L’ensemble des résultats a permis de cibler les zonescontaminées et de définir les paramètres physico-Chimiques à surveiller dans le cadre du suivipost-Exploitation auquel est soumise l’ISDND jusqu’en 2031. / The purpose of this work was to evaluate the impact of a landfill on groundwater quality.Municipal solid waste from the Etueffont landfill (Belfort area, France) was mechanically andbiologically treated (shredding and aerobic composting) before being disposed of in an unlinedarea and in a lined cell. The leachate characterization performed over a 21-Year period (1989-2010) showed a rapid degradation of waste. A steady state was reached at the end of themonitoring. Waste pretreatment enhanced the rate of biodegradation and reduced the pollutionpotential of the landfill. The leachate produced was treated on site in a natural lagooning. Whilelagooning is not a widespread practice for leachate treatment, significant removal (75-90 %) oforganic matter, suspended solids, nitrogen and phosphorus was observed. In previous studies,groundwater contamination was highlighted around the landfill. As a consequence, geophysicalinvestigations of the area by electrical resistivity tomography and physico-Chemical analyses wereconducted in order to delineate the contamination plume. The results showed leachate infiltrationinto the soil below the unlined part of the landfill and leakage through the watertightgeomembrane of the lined cell. Seepage of wastewater into the soil below the lagoons was alsoobserved. The extent of contamination plume was limited and was mostly limited to the landfillboundaries. The results of this work allowed to determine the location of the contaminated areasand helped to choose the appropriate physico-Chemical analytes of the post-Closure groundwatermonitoring program, which will be applied to the landfill until the end of 2031.

Le territoire burkinabè est constitué à plus de 80% de formations de socle. Ces formations renferment des ressources en eau souterraine qui constitue la seule source en eau potable de certaines populations. Cependant, le quart des forages réalisés en vue d’exploiter ces eaux sont négatifs. Une bonne compréhension du fonctionnement hydrogéologique et hydrodynamique des aquifères de socle qui sont très hétérogènes peut aider à résoudre ce problème. L’objectif de la thèse est de proposer un modèle conceptuel hydrogéologique en milieu de socle fracturé soudano-sahélien en combinant différentes méthodes hydrogéophysiques et hydrogéologiques classiques. Le site expérimental de Sanon (environ 14 km2) a été choisi comme site d’étude en raison de sa géologie qui est représentative de certaines formations de socle de l’Afrique de l’Ouest. Les résultats indiquent que le profil d’altération de Sanon est cohérent avec d'autres modèles proposés ces dernières années, suggérant que la conductivité hydraulique des aquifères de socle est une conséquence des processus d'altération plutôt que de la fracturation tectonique. Concernant les propriétés hydrodynamiques, une corrélation linéaire positive d’environ 80% a été obtenue entre les transmissivités et les paramètres RMP. La présence d’un dôme piézométrique dans la vallée centrale a été observée en toute saison. La recharge se fait directement au niveau de ce dôme piézométrique (11 et 13% de la pluie annuelle) et l’alimentation des zones périphériques se ferait plutôt par des transferts latéraux. L’ensemble des informations géologiques et hydrogéologiques a permis de faire une simulation numérique qui reproduit l’écoulement observé. / More than 80% of Burkina Faso subsoil is composed of hard rocks. These hard rocks contain ground water resources which are the only drinking water for some people. Yet, the quarter of the boreholes drilled to exploit these waters are negative. A good understanding of the hydrogeological and hydrodynamic functioning of hard rock aquifers which are very heterogeneous can help to solve that problem. The objective of the thesis is to propose a hydrogeological conceptual model of hard rock aquifer under Sudano-Sahelian climate by combining different hydrogeophysical and hydrogeological methods. The Sanon experimental site (14 km² catchment area) was chosen as the study site because of its geology, which is representative of some hard rocks in West Africa. The results show that Sanon weathering profile model is consistent with other models proposed in recent years, suggesting that the hydraulic conductivity of hard rock aquifers is a consequence of weathering processes, rather than tectonic fracturing. Concerning hydrodynamic properties, a positive linear correlation of about 80% was obtained between the transmissivities and the MRS parameters. The presence of a piezometric dome in the central valley on all the piezometric maps produced in both low and high waters was observed. As for recharging, it is done directly in the zone of the piezometric dome (between 11 and 13% of annual rainfall) and the feeding of the peripheral zones would be rather by lateral transfers. The set of geological and hydrogeological data allowed the performance of a numerical simulation in steady state which reproduces well the observed flow.

Le bassin molassique de Carpentras est constitué de formations miocènes sablo-argileuses présentant de nombreuses variations de faciès. Il renferme un réservoir aquifère complexe aux caractéristiques hydrodynamiques intrinsèques médiocres (perméabilité comprise entre 10-4 et 10-7 m.s-1) mais dont la puissance est importante (600 m d'épaisseur). La qualité chimique de l'eau est excellente (naturellement potable) ; l'exploitation est facile et bon marché. Depuis les années 1960, le nombre de forages a augmenté rapidement et sans contrôle. En 2006, on compte des milliers d'ouvrages sur 600 km2. Dans un contexte de rationalisation des usages de l'eau, il est apparu nécessaire de faire un état des connaissances et d'actualiser celles-ci pour construire un schéma de fonctionnement du système aquifère.<br />Ce travail aborde la géologie, l'hydrodynamique et l'hydrochimie du bassin. Chaque élément fait l'objet d'une revue bibliographique critique et est approfondi par l'acquisition et l'analyse de données nouvelles. L'étude géophysique des bordures du bassin par tomographie de résistivité électrique permet de proposer un schéma de l'organisation des corps sédimentaires. Le suivi mensuel du niveau de l'eau dans 51 ouvrages pendant 20 mois révèle l'influence saisonnière très nette des pompages. Enfin deux campagnes de prélèvements et d'analyses des ions caractéristiques des eaux du bassin (100 éch.) ont été menées en 2004 et 2005. La comparaison des résultats avec ceux acquis en 1985 et 1996 permet une approche spatio-temporelle des concentrations (évolution de la contamination nitratée, temps de séjour).<br />On aboutit à un modèle hydrogéologique simple mais complet. La modélisation est alors utilisée comme un outil de synthèse des informations et des hypothèses de fonctionnement. Elle permet ainsi une visualisation générale du fonctionnement de l'aquifère et met en évidence les éléments qui nécessiteraient des investigations supplémentaires pour améliorer la compréhension.

En contexte insulaire volcanique, les aquifères du domaine côtier présentent de très fortes hétérogénéités liées à leur structure, à la disparité de leurs recharges et à l'influence des conditions en aval. Les travaux envisagés ici consistent à élaborer une méthodologie adaptée à différentes configurations hydrogéologiques dans l'optique de mieux imager et comprendre l'évolution du biseau salé. L'acquisition des données est effectuée sur différents sites présentant des configurations hydrogéologiques variées sur le plan de la recharge, de la structure de l'aquifère et de la géomorphologie de la limite en aval. Un réseau d'observation est mis en place sur la côte ouest de l'île de La Réunion, dans la zone littorale allant de L'Ermitage à Saint-Leu. Cette zone est particulièrement intéressante dans le sens où elle présente les types de limites en aval les plus communes aux îles volcaniques à savoir, des côtes rocheuses, des plaines d'arrière-récif et des plaines d'accumulation fluviomarine. Sur La Réunion et la Grande Comore, le milieu volcanique est investigué au moyen de méthodes géophysiques et par une analyse de séries temporelles hydrogéologiques. Les outils géophysiques employés confirment la présence d’un milieu souterrain hétérogène, avec la présence sporadique de chenaux d'écoulement souterrain préférentiel susceptibles de contrôler la dynamique des intrusions marines. Les simulations numériques effectuées par la suite corroborent ces observations. L'analyse des signaux enregistrés indique une forte influence des forçages hydro-climatiques externes sur les nappes côtières. Elle permet aussi de distinguer deux familles de comportement selon le contexte géologique des ouvrages instrumentés. Les résultats de ces travaux mettent en avant une méthodologie de gestion des nappes côtières adaptée au milieu volcanique. Ils contribuent également à l'orientation des programmes de prospection de la ressource en eau souterraine dans ces contextes très complexes. / In volcanic islands context, the aquifers of coastal areas have very strong heterogeneities related to their structure, the disparity of their recharge and the influence of the downstream boundaries (rocky coasts, detritic cones...). The works considered here consist to develop a methodology adapted to different hydrogeological configurations in the aim to better understanding the development of saltwater intrusions. Time series recording and geophysical investigations are carried out on various sites, with different hydrogeological conditions, on the west coast of Reunion Island and throughout Grande Comore Island. The groundwater observatory tested in the pilot study area of Reunion was exported to three others experimental sites situated in Grande Comore Island (Indian Ocean). The geophysical investigations reveal a very important lateral heterogeneity along the shoreline due to the existence of 3D volcanic structures such as palaeovalleys filled by recent lava flows. In coastal areas, these structures exert an important role towards the marine intrusion dynamics, like it was confirmed by numerical simulations. Time series recording has allowed the hydrodynamic characterisation of the coastal groundwater and has enhanced the understanding of low and high frequency variations of the groundwater resources quality

Les bassins versants anthropisés sont soumis à des forçages qui évoluent rapidement et déséquilibrent les écosystèmes. Les écosystèmes côtiers et en particulier lagunaires sont très sensibles à la qualité et à la quantité de la source biogène d’origine continentale. La lagune d’Arcachon (Sud Ouest de la France) est alimentée par un bassin versant de 3.000 km2 dont l’occupation des sols est dominée par la forêt depuis plus de 150 ans. La maïsiculture s’est fortement développée depuis les années 1970 et un centre de stockage de déchets ménagers et industriels (CSDU) a été aménagé à moins de 3 km du littoral. Cette thèse se propose d’évaluer la dynamique des éléments biogènes dans le continuum fluvio-estuarien du bassin versant. L’analyse de l’occupation des sols par SIG, une mission d’observation de deux ans, et des études ponctuelles de crues et du continuum fluvial ont permis d’évaluer précisément le flux biogène d’origine continentale et de construire les bases d’un modèle de transport : les taux d’exportation dépendent de l’occupation des sols avec 45, 93, 2.850 et 61 kg N-Nitrate km-2 an-1 calculés pour les parcelles forestières, déforestées, agricoles et urbaines respectivement. L’exportation a lieu préférentiellement en tout début de crue mais le lessivage est rapidement limité. En revanche, les eaux souterraines peuvent contribuer significativement au flux annuel pour les bassins versants les plus agricoles. On a pu démontrer qu’une réduction de 10 % des apports d’engrais azotés réduirait de plus de 50 % le flux d’azote vers la lagune. Une étude approfondie intégrant hydrologie, biogéochimie et géophysique a permis de comprendre les mécanismes de dispersion et d’atténuation d’un panache de pollution issu du CSDU. Celui-ci s’écoule vers la lagune avec l’aquifère superficiel à une vitesse de 23 m an-1 pour l’ammonium et environ 50 m an-1 pour le chlorure mettant en évidence une forte atténuation de l’ammonium dans l’aquifère par sorption et nitrification. Actuellement, le panache n’a pas atteint le littoral et seul le drainage par la rivière permet une exportation rapide jusqu’à la lagune. Ce drainage favorise une très forte nitrification dans la zone hyporhéique et dans la rivière, ce qui limite le flux d’ammonium vers la lagune. Dans ces conditions, le temps de résidence de l’ammonium dans l’aquifère est entre 7 et 18 ans. L’intégration des processus biogéochimiques estuariens dans la dynamique des flux biogènes vers la lagune est une nouveauté. L’étude des éléments biogènes et de la matière organique particulaire permet de démontrer que les estuaires de la lagune sont autotrophes à l’échelle de l’année et permettent un abattement d’environ 30 % du flux de nitrate continental. Saisonnièrement toutefois, les processus de reminéralisation peuvent dominer. Les estuaires ont peu d’impact sur la biogéochimie du phosphore contrairement au sédiment de la lagune. / The anthropized watersheds shift quickly and may disturb the ecosystems. Coastal ecosystems and coastal lagoons are highly sensitive to the amount and the quality of biogenic material originating from continents. The Arcachon lagoon (France South West) raises continental waters originating from a watershed of 3,000 km2 . Pine forestry cover the main surface area of the watershed since 150 years. Cornfields are appeared since 1970 and quickly increase. A solid waste disposal has been created near the littoral. The purpose of this PhD is to assess the global cycle of biogenic materials through the riverine and estuarine continuum. Land-use analyze by GIS, two years of monitoring and some studies of flood events and river continuum have permit to assess the flux of biogenic material and to build a transport model. The export rates depend of land-use and we assess the annual export rate to 45, 93, 2,850, and 61 kg N-Nitrate km-2 year -1 in forested parcel, deforested parcel, agricultural parcel and urban parcel respectively. The export is more efficiency at the beginning of flood events. However the groundwater may supply high amount of nitrogen in highly agricultural watershed. We have shown that a decrease of 10 % in fertilizer input to farming areas would probably reduce the annual flux of more than 50 %. A study based on hydrology, biogeochemistry and geophysics permit to understand the behavior of a contaminated plume originating from the waste disposal. The ammonium plume flows towards the lagoon at a velocity of 23 m year -1 whereas the chloride plume should flows at 50 m year -1. It highlights an efficiency attenuation of ammonium dispersion due to sorption in soil and nitrification. The plume needs about 100 years to reach the lagoon and nowadays the only way of dispersion is the drainage of contaminated groundwater by the river. This way permits an efficiency nitrification in the hyporheic zone and limits the flux of ammonium. Considering that the input of ammonium from the landfill is balanced by the present day output via the river, the residence time of ammonium in the aquifer is between 7 and 18 years. The integration of estuarine biogeochemistry has been realized for the first time. The survey of biogenic materials and organic matter emphasizes that estuaries are autotrophic at annual scale and decrease the nitrogen continental flux of about 30 %. But in autumn, the mineralization and nutrient recycling is observed. In the Arcachon lagoon, the estuaries have a negligible impact on phosphorus biogeochemistry contrary to the sediment.

La caractérisation des circulations thermo-convectives dans les milieux naturels est particulièrement étudiée pour ses applications industrielles, notamment en géothermie. Cette caractérisation correspond à deux enjeux liés à (i) la détection des remontées hydrothermales et (ii) la quantification de l'énergie évacuée par le système actif. La méthodologie proposée par cette thèse comporte ainsi deux volets. Le premier volet vise la localisation des systèmes actifs par caractérisation géophysique de sub-surface. Les techniques de prospection mises en œuvre sont la tomographie de résistivité électrique (TRE), la mesure in situ de température et la mesure de polarisation spontanée (PS). L'objet étudié dans cette thèse est la remontée hydrothermale située au niveau de la limite supérieure de l'effondrement de Rina Grande, au sommet du volcan Stromboli. L'approche géophysique de sub-surface comprend une cartographie spatiale (à l’échelle métrique) en TRE, PS et température et un suivi temporel des signaux PS et thermique. La cartographie spatiale nous renseigne sur l'extension spatiale du système hydrothermal (TRE) et le caractère actif des circulations (PS et température). Le modèle de résistivité électrique a été amélioré en tenant compte de la topographie, issue d'un Modèle Numérique de Terrain généré par photogrammétrie. Le traitement des données de surveillance montre qu'une relation linéaire lie le signal thermique et le signal PS, une relation qui ne peut être purement thermo-électrique. Le jeu de données temporel met l'accent sur la dynamique du système convectif et notamment la probable dépendance de la vigueur du système convectif avec les variations saisonnières de température atmosphérique. Le second volet vise à quantifier l'énergie évacuée par des systèmes thermo-convectifs à l'aide d'une approche numérique. L'approche géophysique met en évidence le fait que les zones endommagées telles que des limites structurales favorisent la circulation des fluides hydrothermaux. Ceci s'explique par le fait que fractures, failles ouvertes, zones d'altération etc. changent à petite échelle la perméabilité du milieu. L'approche numérique est donc vouée à la simulation 3D de l'écoulement et du transfert de chaleur dans des milieux poreux fracturés. Le travail s'est basé sur un code d'écoulement en milieux poreux fracturé pré-existant. Ce code a été adapté afin de résoudre le problème thermique. L'étude théorique vise à quantifier l'influence des paramètres du réseau de fractures sur l'énergie dissipée. L'influence de la densité de fractures, de la transmissivité de fractures et l'anisotropie du réseau de fractures sont évaluées. L'étude compare également les flux de chaleur dégagés par des modèles où les fractures sont insérées de manière discrète avec des modèles homogènes et de même propriétés macroscopiques (approche effective). Les résultats montrent que la validité de l'approche effective est fortement dépendante des paramètres du réseau de fracture. / The characterization of thermo-convective circulations in natural environments is particularly studied especially for geothermal applications. This characterization corresponds to two issues related to (i) the detection of the hydrothermal flows(ii) the quantification of the energy discharged by the active system. The methodology proposed by this thesis thus comprises two parts. The first component aims at locating active systems with geophysical methods. The prospecting techniques used are electrical resistivity tomography (ERT), in situ temperature measurement and self potential (SP) measurements. The object studied in this thesis is the hydrothermal system located at the upper limit of the Rina Grande sector collapse, at the top of the Stromboli volcano. The sub-surface geophysical approach includes spatial (metric) mapping in ERT, SP and temperature, and monitoring of SP and thermal signals. Spatial mapping informs us about the spatial extension of the hydrothermal system (ERT) and the active character of the circulations (SP and temperature). The model of electrical resistivity has been improved taking into account the topography, resulting from a Digital Elevation Model generated by photogrammetry. The treatment of the monitoring data shows that a linear relationship links the thermal and the PS signals, a relationship that can not be entirely due to thermoelectric effect. The temporal dataset focuses on the dynamics of the convective system and in particular the probable dependence of the vigor of the convective system on seasonal variations in atmospheric temperature.The second part aims at quantifying the energy released by thermo-convective systemsusing a numerical approach. The geophysical approach highlights the fact that damaged areas such as structural boundaries favor the circulation of hydrothermal fluids. This is due to the fact that fractures, open faults, alteration zones, etc. change the permeability of the medium on a small scale. The numerical approach is therefore dedicated to the 3D simulation of the flow and heat transfer in fractured porous media. The work is based on a pre-existing code in fracturing porous media, able to solve the flow problem. This code has been adapted to solve the thermal problem also. The theoretical study aims to quantify the influence of fracture network parameters on the released energy. The influence of fracture density, fracture transmissivity and fracture network anisotropy are evaluated. The study also compares the heat fluxes generated by models where the fractures are discretely inserted with homogeneous models with the same macroscopic properties (effective approach). The results show that the validity of the effective approach is highly dependent on the parameters of the fracture network.