Suite aux séismes et au tsunami qui ont frappé les côtes japonaises le 11 mars 2011, d’importantes quantités de radionucléides ont été émises par la centrale de Fukushima Dai-Ichi. Une part non négligeable (20%) du radiocésium rejeté s’est ensuite déposée sur les sols de la Préfecture de Fukushima. Cette étude vise à développer des méthodes de traçage sédimentaire originales afin de comprendre la dispersion des particules contaminées. L’étude se concentre sur 3 bassins versants côtiers situés au nord de la centrale (bassins de la Mano – 175 km², Niida – 270 km² et Ota – 75 km²) et drainant la partie la plus contaminée du panache de pollution radioactive. Cette région connaît un climat particulièrement érosif, avec des crues printanières et le passage de typhons entre juin et octobre. Pour étudier la dispersion de la contamination radioactive initiale, des sols et des laisses de crues ont été collectés au cours de 6 campagnes de terrain (organisées tous les 6 mois entre novembre 2011 et mai 2014 après les crues printanières et les typhons estivaux). L’activité des principaux radionucléides a été mesurée par spectrométrie gamma et une sélection d’échantillons a également été analysée par activation neutronique afin de déterminer leur teneur en une vingtaine d’éléments. L’analyse de l’activité en 137Cs dans 10 carottes de sols collectées dans des rizières a confirmé la faible migration du césium en profondeur dans les sols de la région. Plus de 90 % de la contamination étaient concentrés dans les 2 cm superficiels des sols en novembre 2013. Cette contamination située à la surface du sol reste donc potentiellement mobilisable par l’érosion. Par ailleurs, la détection d’argent-110 métastable (110mAg) et le fait que ce radioisotope ait un comportement similaire à celui du césium, ont permis de l’utiliser pour tracer la dispersion de la contamination dans le bassin versant de la Niida. En effet, le rapport d’activités 110mAg/137Cs dans les sols de ce bassin est significativement différent à l’amont et à l’aval de celui-ci. L’utilisation de ce rapport et d’un modèle de mélange binaire a permis d’identifier l’occurrence de cycles d’érosion et de dispersion saisonniers de la contamination. Cependant, 110mAg ayant une demi-vie de 250 jours, il a rapidement décru et l’activité est devenue inférieure aux limites de détection à compter de mai 2013. Pour pallier sa disparition, la contribution des sols des plateaux montagneux aux sédiments transitant dans la plaine côtière a été quantifiée à partir de leur signature en 137Cs. En utilisant un modèle de mélange binaire basé sur les distributions du 137Cs à l’amont (> 20 kBq/m²) et à l’aval (< 20 kBq/m²) des bassins versants, les résultats montrent que la contribution de la zone amont diffère en fonction du bassin versant. Elle fournit une part non négligeable (≈46%) des sédiments à la rivière Niida, qui est dépourvue de barrage, à la différence de la rivière Mano (≈20 %) qui en est équipée. Ces résultats montrent donc l’impact de ce type d’ouvrage qui génère une dysconnectivité sédimentaire. Afin de préciser l’origine spatiale des sédiments contaminés transportés par ces rivières, la carte des sols des bassins versants a été utilisée. Les principaux types de sols (Andosols, Cambisols et Fluvisols) ont été caractérisés par leurs teneurs en éléments chimiques, et Sc et Yb se sont révélés être le couple d’éléments le plus discriminant. Les distributions de ces deux éléments dans les trois sources ont ensuite été utilisées dans un modèle de mélange. Les résultats montrent une contribution majoritaire (> 70 %) des Fluvisols dans les sédiments. La forte contribution de ce type de sol, que l’on trouve principalement dans les rizières, confirme donc l’érodabilité accrue de ces zones agricoles. Pour poursuivre ces travaux, l’ensemble des données acquises pourrait être utilisé pour améliorer les modèles d’érosion des sols opérant à l’échelle des bassins versants. / Large quantities of radionuclides were released into the atmosphere by the Fukushima Dai-Ichi Nuclear Power Plant (FDNPP) after the earthquake-triggered tsunami devastated the eastern coast of Japan on March 11, 2011. Many of these radionuclides (20%) were deposited on soils of the Fukushima Prefecture. This PhD thesis develops original fingerprinting methods to track the dispersion of contaminated particles following this accident. The study focuses on 3 coastal catchments north of the FDNPP (Mano — 175km², Niida — 270km² and Ota — 75km²) draining heavily contaminated areas of the radioactive plume. The Fukushima Prefecture is characterized by an erosive climate, with the occurrence of spring floods and summer typhoons. To study the dispersion of the radioactive contamination, soil samples and sediment drape deposits were collected during 6 sampling campaigns (every six months between November 2011 and May 2014; i.e., after the major flood events). Each sample was analyzed by gamma spectrometry to determine radionuclide activities, and several soil and sediment samples were also analyzed by neutron activation analysis to determine their geochemistry. First, the analysis of 137Cs activity in 10 soil cores collected in paddy fields confirmed the limited migration of radiocesium with depth in the soils of the coastal catchments. More than 90% of the contamination was still concentrated in the uppermost 2cm of the soils by November 2013. Particles contaminated were therefore available for mobilization and transport downstream by processes that govern soil erosion. Second, metastable silver-110 (110mAg) was detected in most of the samples collected between November 2011 and November 2012, and our investigation showed that this radionuclide has a similar behavior as 137Cs in soil and sediment. Consequently, we used 110mAg to track the dispersion of the contamination as the 110mAg/137Cs activity ratio in soils of the Niida catchment showed significant differences between upstream and downstream locations. The use of a binary mixing model allowed the identification of a seasonal cycle of erosion and dispersion of particles. However, as 110mAg has a short half-life (250 days), it rapidly decayed and could not be detected anymore by May 2013. To overcome its disappearance, the contribution of soils located on the mountainous plateaus to the sediment transiting the river in the coastal plains was quantified based on their 137Cs signature. Binary mixing models were used, based on the distributions of 137Cs in mountainous areas (> 20 kBq/m²) and in coastal plains (< 20 kBq/m²). The results demonstrated that the contribution of the mountainous area varied in the different catchments. In the Niida catchment where no dam has been built, the mountainous area supplies more sediment to the river (≈46%) than in the Mano catchment that has a dam (≈20%). These results show the impact of dams generating a sediment disconnectivity. Finally, the soil map of the region was used in order to identify the soil types that may supply sediment to the rivers. The main soil types (Andosols, Cambisols and Fluvisols) were characterized by their geochemical composition, and Sc and Yb were identified as the most discriminant elements. The distributions of these elements in the three sources were used in a mixing model. Results show that Fluvisols are the main source supplying >70% of sediment to the rivers in both catchments. This soil type is mainly found in paddy fields, which confirms the enhanced erodibility of these cultivated areas. In the future, the dataset compiled could be used to improve soil erosion model operating at the catchment scale. Moreover, the impact of the ongoing decontamination works on the dispersion of contaminated sediments should be investigated.

L’érosion des sols est reconnue comme l’un des principaux facteurs à l’origine de la dégradation physico-chimique des environnements aquatiques. Ce phénomène, bien que largement décrit dans des régions topographiquement contrastées, reste, pour les régions de plaine agricole très peu détaillé en dépit d’une connectivité optimale entre les sources de matière et les masses d’eau. Dans ce contexte, nous avons développé une approche intégrée multi-paramètres permettant de retracer la cascade sédimentaire sur une plaine agricole drainée (bassin du Louroux : 47.16°N – 0.78°E) en partant des sources de matière jusqu’à leur accumulation dans un réceptacle sédimentaire, l’étang médiéval du Louroux. Dans les objectifs initiaux, il s’agissait (i) de quantifier à long (<60 ans) et court terme (<10 ans) l’évolution de la dynamique érosive en lien avec les perturbations anthropiques (remembrement, mise en place de réseaux de drainage, fossés), (ii) de tracer l’origine des sédiments transitant dans les cours d’eau (iii) et d’identifier les modali-tés de départs de la matière au niveau des berges. / Soil erosion is identified as one of the main factors influencing the physico-chemical degradation of the aquatic environments. This phenomenon has been largely described on contrasted topographic areas but there is a gap of knowledge about sediment mobilization/transfer in lowland areas despite the high connectivity level between the potential sources of sediment and the water bodies. In this context we have implemented an integrated multi-parameter approach allowing to track the sediment dynamics in a drained lowland area (the Louroux pond catchment: 47.16°N – 0.78°E) by starting from the sources of sediment to their accumulation in a sedimentary receptacle: the middle-age Louroux pond. The aims of this study are (i) to quantify at long (approx. 60 years) and short time scales (<10 years) the evolution of the erosion rate in the hillslope in link with the increase of the anthropogenic pressures (land consolidation, implementation of the drain network, ditches design), (ii) to track the origin of sediment reaching the pond, (iii) to identify and quantify the parameters influencing bank erosion, that is one of the main source of sediment transfers.

La méthode des caractéristiques (méthode MOC) est une méthode efficace et flexible de résolution de l’équation de transport. Cette approche a été considérablement utilisée dans les calculs en deux dimensions car elle permet de traiter des géométries complexes et elle possède un bon ratio temps/précision. Cependant, malgré les améliorations des moyens de stockage et de calcul dans le secteur informatique, un calcul direct en trois dimensions reste encore impossible.Dans ce travail, nous introduisons et analysons plusieurs modifications de la méthode MOC dans le but de réduire la quantité requise de mémoire ainsi que la charge de calcul. Ce document se penche sur l’étude d’une approximation spatiale aux ordres supérieurs pour le flux volumique. En se démarquant de la méthode classique (la méthode MOC constante par morceaux) l’augmentation des détails de la représentation du flux volumique peut permettre de réduire la taille des mailles tout en gardant une bonne précision. Les résultats numériques effectués sur des benchmarks confirment les gains en ratio temps/précision. En ce qui concerne le stockage mémoire, le nombre de trajectoires influe sur la quantité de données à stocker. De ce fait, nous explorons une méthode de traçage par traceurs locaux définis par sous domaines possédant la même géométrie. Les redondances présentes dans les coeurs des réacteurs nucléaires promettent une réduction importante de la quantité de mémoire requise. Deux méthodes de traçage ont été étudiées : la première est une méthode de traçage non-uniforme prenant en compte les discontinuités dans la maille et la deuxième est une méthode fondée sur des trajectoires périodiques et continues d’une maille à l’autre. / The method of characteristics is a flexible and efficient method solving the transport equation. It has been largely used in two dimension calculations because it enables to study complex geometries and it has a good time/precision ratio. However, despite agreat improvement in storage capacities and computing power, a direct three dimension calculation is still unreachable.In the following work, we introduce and analyze several modifications of the methodof characteristics (MOC) in order to reduce the memory usage as well as calculation burden. This document aims at studying a higher order spatial approximation for theflux. It steps away from the classical method (constant MOC) by introducing an increaseof details of the representation of the flux, which may enable to reduce the size of thegrid while keeping a good precision. Numerical results tested on benchmarks show animprovement of time/precision ratio.Regarding the memory storage, the number of trajectories has an influence on the amount of data to be stored. Hence, we study a tracking method based on local tracks defined for all subdomains having the same geometry. Redundancies happening in a reactor core suggest an important reduction of required memory. Two tracking methods have been studied, the first one being a non-uniform tracking method including subdomain discontinuities and the other being a method based on periodic and continuous trajectories for a subdomain to another.

Une technique de « spikage », ou dilution d'isotopes stables multi-élémentaire, a été développée afin de quantifier et caractériser simultanément les compartiments échangeables de Cd, Zn, Cu, Ni et Pb dans des sols contaminés. Cette technique a été ici validée par comparaison avec les résultats de spikage d'isotopes radioactifs de Cd, ainsi que ceux d'extractions chimiques. Par ailleurs, une étude intégrée des signatures isotopiques du Zn (δ66Zn) dans plusieurs compartiments d'écosystèmes contaminés (sites métallurgiques de Viviez-Decazeville, S.-O. France et de Kempen, N.-E. Belgique) permet de proposer un schéma cohérent des différents fractionnements isotopiques de Zn liés à son traitement métallurgique. L'existence de différents δ66Zn pour le zinc « enrichi » et « résiduel » s'avère donc un outil puissant de localisation de sources de contamination métallurgique. Ces résultats démontrent l'efficacité des isotopes stables comme traceurs de processus et de source de contamination.

Cette thèse (financée par l'INRIA) s'est déroulée au sein du laboratoire ID-imag (sous les tutelles : CNRS (UMR 5132) - INRIA - INPG - UJF) dont l'un des axes de recherche est la conception d'applications parallèles et de techniques pour l'exploitation de machines parallèles. La mise au point, tant pour la correction que pour les performances, de telles applications est nécessaire à l'exploitation efficace d'architectures de type grappes. Notre approche du débogage pour les performances se base sur l'observation comportementale de l'exécution des programmes, reconstituée à partir de traces d'exécution, cette observation étant facilitée par l'utilisation d'outils de visualisation. L'objectif de cette thèse est l'étude de méthodes permettant d'enregistrer facilement des traces d'exécution de programmes parallèles pour une grande variété de modèles de programmation parallèle ou distribuée, d'interfaces de programmation ainsi que d'outils de visualisation. Nous nous appuyons pour cela sur des formats adaptables pour l'enregistrement et l'exploitation de traces d'exécution. Afin de permettre l'adaptation du système de traçage à divers modèles de programmation, nous utilisons un format de trace brut élémentaire sans sémantique intrinsèque. Ce format brut présente l'avantage d'être compact et facilement adaptable aux programmes des utilisateurs et à leurs contraintes. L'utilisateur du système de traçage peut définir les événements à observer ainsi que les types des paramètres qui leurs sont associés. Les outils de visualisation ou d'analyse utilisent généralement des formats élaborés plus expressifs. La distinction des formats implique donc l'utilisation d'un système de conversion pour passer de l'un à l'autre. Ces formats étant adaptables, la conversion doit de plus être configurable. Nous avons donc conçu un système de conversion, paramétrée à l'aide de règles de réécriture, permettant d'apporter une sémantique aux événements bruts. À l'aide de ce système flexible de traçage et de conversion, nous avons pu visualiser des exécutions de programmes mettant en oeuvre les divers niveaux d'abstractions d'un intergiciel multicouche pour la programmation parallèle.

La compréhension des mécanismes de transport de solutés dans un milieu poreux variablement saturé tel que les sols à nappe drainée par tuyaux enterrés, est essentielle afin de répondre aux interrogations concernant l'impact de ces systèmes sur la qualité des eaux de surface. L'approche choisie repose sur des expériences de traçage réalisées en régime permanent sur modèle physique de sol au laboratoire, permettant un contrôle des conditions initiales et aux limites. La première partie de la thèse est dédiée aux études monodimensionnelles, afin de caractériser la zone non saturée du sol. Nous avons utilisé une colonne de sol (1*0,15 m²) et un modèle physique de grande taille (1*2*0,5 m3), remplis tous deux d'un sol sablo-limoneux. Les traceurs utilisés sont le H218O et le Cl-. La deuxième partie du travail traite le cas des écoulements bidimensionnels, réalisées uniquement sur le modèle physique. Deux scénarios ont été choisis : un soluté apporté en surface et un soluté résidant dans le sol. Seul le Cl- a alors été utilisé comme traceur. Le transport de solutés a été étudié par un suivi in situ (sondes de conductivité électrique) ainsi qu'à l'exutoire du système. L'analyse des courbes d'élution obtenues pour les études monodimensionnelles a permis l'identification des mécanismes de transport et le calcul des paramètres de transport pertinents (par résolution inverse). Pour les expériences bidimensionnelles, il a été observé une hétérogénéité des champs de vitesses, avec une zone proche du drain où le lessivage est rapide et une zone proche de l'interdrain où le soluté progresse à faible vitesse. Dans le cas du soluté résidant dans le sol, les courbes d'élution (concentration et conductivité électrique) au drain montrent un palier stable puis une diminution de forme « exponentielle » jusqu'à atteindre les concentrations du niveau de base. La migration du soluté dans le cas d'un pulse apporté en surface du sol est singulier. La courbe d'élution en sortie du drain présente deux modes : (i) un premier mode sous forme d'un pic, (ii) et le deuxième sous forme d'un palier constant de concentration. Ces résultats expérimentaux ont été confrontés à la modélisation mécaniste (code HYDRUS-2D), utilisant les paramètres de transport obtenus dans les études monodimensionnelles. L'utilisation d'une deuxième méthode, le suivi de particules (approche lagrangienne), nous a permis d'obtenir le cheminement de l'eau et le temps de transfert des particules dans le sol.

Cette thèse se concentre sur la notion de qualité représentative des traces obtenues par voie logicielle sur des exécutions de programmes parallèles communiquant par messages. Nous proposons une série de modèles permettant de réajuster la qualité d'une telle trace afin d'approcher la qualité des mesures obtenues sur un système de trace matériel. Nous étudions en détail le problème de datation physique dans un environnement d'exécution parallèle dépourvu d'une horloge physique globale. Après avoir rappelé le principe des méthodes statistiques de calcul de temps global, nous proposons une technique qui permet de réduire considérablement le temps d'échantillonnage des horloges. Cette méthode offre un accès suffisamment précis et confortable au temps global pour pouvoir rivaliser avec une solution matérielle. Nous abordons ensuite le problème de l'effet de sonde qui résulte du partage des ressources du système entre l'outil d'instrumentation logiciel et l'application instrumenteé. Nous présentons différents modèles de correction des perturbations, permettant de compenser l'effet de sonde par un traitement post-mortem des traces dans le but de retrouver la dynamique originale d'une exécution non-instrumentée. Nous présentons finalement l'outil de trace Tape/PVM, développé dans le cadre de cette thèse. Les méthodes de qualité de traces proposés ont été implémentées et validées dans Tape/PVM.

Le problème de la caractérisation du transport conservatif d'un traceur est étudié dans les systèmes ou les conditions hydrodynamiques sont susceptibles de varier. L'approche utilisée est une approche dite système faisant référence à l'espace occupé par le traceur au cours de son transfert. La conception d'un modèle de transformation des réponses impulsionnelles, déterminées à partir de traçages artificiels, en fonction des conditions hydrodynamiques, permet d'obtenir la réponse en concentration d'un système à une entrée quelconque en masse. La méthode de transformation établie s'applique aux systèmes non stationnaires, mais linéaires. Elle nécessite également une indépendance entre l'espace occupé par le traceur au cours de son transfert et les conditions hydrodynamiques auxquelles ce dernier peut être soumis. Pour des systèmes à volume constant, des applications en colonnes ont montré les limites de la méthode de transformation des réponses impulsionnelles; ces dernières étant liées, en particulier, à des phénomènes de densité du traceur dans un tube uniquement rempli d'eau. En milieu crayeux granulaire, les phénomènes d'adsorption ou de diffusion matricielle de traceur sont des facteurs de non-linéarite qui limitent également les applications dans une gamme de débit relativement étroite. L'utilisation de la méthode de transformation, pour des traçages réalisés sur le système karstique de l'ouysse du causse de gramat (lot, france), a permis de montrer la validité d'applications pour des périodes hydrodynamiques différentes. On se gardera néanmoins pour les milieux karstiques, de généraliser les transformations à toute la gamme des débits auquel ce dernier peut être soumis. En effet, les conditions hydrodynamiques peuvent modifier les écoulements et par conséquent le systeme-tracage

Les travaux présentés dans cette thèse se situent dans le contexte du fingerprinting. Un distributeur de documents multimédia souhaite se prémunir contre la redistribution illégale des données en insérant dans chaque copie distribuée un identifiant propre à chaque utilisateur. En cas de redistribution de cette copie, il est donc possible de retrouver l'utilisateur indiscret. Afin de contrer les attaques par collusion, qui surviennent lorsque les utilisateurs se mettent à plusieurs pour créer une copie pirate, les identifiants doivent être pris dans un code anti-collusion. Cette thèse étudie une famille de codes anti-collusion particulière, les codes de Tardos. Ces codes probabilistes sont particulière- ment intéressants, car leur longueur est optimale. Ils sont de plus faciles à implémenter, et remarquablement efficaces. Dans cette thèse,nous présentons une amélioration de la phase d'accusation des codes de Tardos. Plus spécifiquement nous montrons comment l'optimiser en fonction de la stratégie d'attaque des pirates. Nous proposons également des moyens d'estimer à partir d'une copie pirate le nombre d'attaquants qui se sont ras- semblés pour la créer, ainsi que la stratégie qu'ils ont employée. Notre solution s'appuie sur un algorithme itératif a la EM (Expectation-Maximization). Une autre contribution est l'étude d'un environnement asymétrique.Dans un tel environnement, seul l'utilisa- teur est en possession de la copie marquée avec son identifiant. L'identifiant doit être partiellement inconnu du distributeur tout en assurant sa fonction de traçage. Nous présentons un schéma de fingerprinting asymétrique entièrement spécifié intégrant les codes de Tardos, en utilisant une primitive cryptographique appelée Oblivious Transfer.

Cette thèse porte sur la conception d'une technique de tatouage sûr et robuste dans le contexte du traçage de documents multimédia, et propose un système complet du traçage de traîtres. Ces travaux s'appuient sur la technique de tatouage zéro-bit robuste 'Broken Arrows', dont nous proposons des améliorations afin de la rendre plus robuste, notamment à l'attaque de débruitage de A. Westfeld, et plus sûre. Sa sécurité est renforcée au regard des attaques connues et publiées, telles que l'attaque de regroupement de A. Westfeld et l'attaque d'estimation de sous-espace de P. Bas. Par ailleurs, nous étendons sa sécurité en considérant des attaques non publiées. Nous proposons ainsi une nouvelle technique de tatouage sûr, basé sur un test de décision 'a contrario' et une insertion avec maximisation sous contraintes d'imperceptibilité et de sécurité. Nous proposons dans le dernier chapitre un schéma complet de traçage de documents multimédia, basé sur les codes de Tardos en version q-aire symétrique et les techniques du tatouage améliorées mentionnées plus haut. Comme les techniques du tatouage sont très robustes, nous pouvons détecter plusieurs symboles en un seul bloc attaqué, ce qui nous permet de proposer deux méthodes d'accusation étendues pour le code de Tardos. Les études expérimentales montrent les bonnes performances de notre schéma de traçage, y compris face à des attaques jusqu'alors mal gérées comme la fusion de documents.