The research aimed to evaluate the sediment transportation and deposition and the sedimentation (silt, siltation) in the Coruripe- I Reservoir, analyzing the quantification of the sediment transportation by drag (drag, dragging), and in suspension. The lake has, nowadays, 373 ha of water surface, and was built in 2006 to demand water for irrigation. It is located in the Coruripe River Hydrographic Basin, with 1562 Km2 of area. According to the batimétricos (bathymetric) data, the depth of the reservoir varies from 0.8 to 12.3 m, from the montant to the dam. To quantificate the transportation of the sediments in suspension and bearing, samples were taken above the reservoir, and the bottom sediments samples were collected within the lake at the same time as the Topo-bathymetric survey, with a Ecman dredging machine. Samples of suspended sediments were analyzed through total evaporation and subsequent weighting, than quantified in proportion to the sample volume. The size of the bottom samples wasn t possible to determine due the composition homogeneity of the samples, containing only mud. It was verified that the depositions are predominantly made up of silt and clay. It was estimated that the assoread volume of the lake, in 3 year of existence, is about 59,12%, with mean rate of sediment accumulated around 512,549.43 ton.ano-1. The areas of greater sedimentation and eutrophication were in the direction from downstream to montant by sediments, derived from the river that provides the reservoir and from the laterals to the centre, due to sediment erosion brought from areas of the reservoir slopes, planted with cane sugar, in which are not maintained the tracks of ciliary preservation, which would act as a kind of filter by reducing this direct contribution. It is estimated that, if urgent decisions to contain the marginal sediments were taken, this reservoir utile life can rise to approximately 85 years, otherwise, if the current level of sedimentation (sedimentation) continues, the effective utile life will not exceed 3 years. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A pesquisa teve como objetivo avaliar o transporte no rio Coruripe e o empilhamento de sedimentos provindos de uma barragem que rompeu à montante do Reservatório Coruripe - I, mediante estudos da quantificação do transporte de sedimentos por arraste e em suspensão. O lago possui atualmente espelho d água de 373 ha, construído para demanda de água para irrigação em 2006. Situa-se na BH do Rio Coruripe, com área de 1.562 km². Pela batimetria, a profundidade do reservatório varia de 0,8 a 12,3 m, de montante à barragem. Para a quantificação dos sedimentos transportados em suspensão e rolamento foram coletadas amostras acima do reservatório e para os sedimentos de fundo foram coletados no interior do lago na mesma época do levantamento topo-batimétrico com amostrador draga tipo Ecman.As amostras de sedimentos em suspensão foram analisadas através da secagem total e posterior pesagem, as quais foram quantificadas proporcionalmente ao volume amostrado. Já com as amostras de fundo não foi possível determinar a granulometria por apresentarem homogeneidade na composição, contendo somente lodo. Estima-se que o volume inutilizado do lago em 3 anos de existência é de 59,12 %, com taxa média de sedimentos acumulados de aproximadamente 512.549,43 ton.ano-1. As áreas de maior assoreamento e eutrofização estão no sentido de jusante à montante por sedimentos oriundos de uma barragem rompida à montante e do rio que abastece o reservatório e das laterais para o centro, devido a sedimentos carreados pela erosão das áreas de encostas, as quais são cultivadas com cana-de-açúcar. Diante disso, não são mantidas as faixas de preservação ciliar, que atuariam como uma espécie de filtro, diminuindo essa contribuição direta. Estimou-se ainda que, se forem tomadas decisões urgentes para a contenção de sedimentos marginais, a vida útil deste reservatório pode se elevar para aproximadamente 85 anos. Caso contrário, se o atual nível de assoreamento continuar, a vida útil efetiva não ultrapassará 3 anos.

La Société le Nickel ’SLN’ est l’un des plus grands exploitants de nickel en Nouvelle Calédonie. Le Stockage des déchets de l’exploitation minière sur le site d’exploitation se fait sous forme de tas manufacturés appelés versants. Pour assurer la stabilité de ces versants, il est nécessaire d’assurer un stockage hors d’eau de ces stériles miniers. Pour se faire, une mise en place des ouvrages en enrochement enterrés se fait au fur et à mesure de l’avancement des travaux d’installation des versants. Le rôle de ces ouvrages enterrés est de maintenir l’écoulement d’eau à travers le milieu poreux. Le premier objectif de la thèse est donc de mieux comprendre les interactions hydrodynamiques dans les milieux très perméables dans le cas d’écoulements pleinement turbulents. La première partie de ce travail concerne une étude expérimentale menée à l’Institut National Agronomique de Tunisie (INAT) mais aussi à l’Institut de mécanique de fluide de Toulouse (IMFT) dont le but est d’étudier à la fois l’évolution de la ligne d’eau dans les milieux macroporeux et la variation de la perméabilité de ces derniers en fonction du nombre de Reynolds. Des simulations avec des modèles de perte de charge les plus utilisés dans la littérature ont été effectuées, pour tester leur capacité à reproduire la ligne d’eau dans les conditions de nos expériences. Les deux relations de Forchheimer (1901) et d’Ergun (1952) donnent des résultats proches de nos expériences avec des valeurs de coefficients adaptés pour notre cas, alors que la relation de Barree et Conway (2004) ne semble pas reproduire les résultats attendus. L’eau qui circule dans les ouvrages enterrés est une eau chargée d’où l’intérêt d’étudier le transport sédimentaire dans ces milieux macroporeux. Pour se faire, une étude expérimentale a été réalisée sur le transport et le dépôt des particules dans des milieux synthétiques constitués de particules de diamètre moyen de 15 cm / The 'SLN' Company is one of the largest nickel operators in New Caledonia. The mining wastestorage at the operation site is as a slope. To ensure the stability of these slopes, it is necessary toensure an out of water storage of the waste rock. To do that, an underground rockfillimplementation is installed. The purpose of these buried structures is to maintain the flow of waterthrough its pores. The first objective of the thesis is to better understand the hydrodynamicinteractions in highly permeable porous media and in case of fully turbulent flows. The first part ofthis work relates to an experimental study carried out at the National Agronomic Institute of Tunisia(INAT) and the Institute of Fluid Mechanics of Toulouse (IMFT) whose aim is to study the waterprofile evolution in macro porous media and the permeability variation as a function of theReynolds number. Simulations with the most widely used pressure drop relationships in theliterature were performed to check their ability to reproduce our experimental water profile. Thetwo relations of Forchheimer (1901) and Ergun (1952) give the most satisfactory results withadapted coefficients values for our case, whereas the Barree and Conway (2004) formula doesn’tseems to give expected results. Given that the circulating water in these buried structures is acharged water, we studied the sedimentary transport in macro porous media. To do this, anexperimental study was carried out on the transport and deposition of particles in the studiedporous media which mean diameter is d=15 cm.

Le polymère poreux (PM) associe les avantages double des matériaux poreux et des polymères, ayant la structure unique de pore, la porosité supérieure et la densité inférieure, ce qui possède une valeur d’application importante dans les domaines de l'adsorption, le soutien de catalyseur, le séparateur de batterie, la filtration, etc. Actuellement, il existe plusieurs façons de préparer le PM, comme la méthode de gabarit, la méthode de séparation de phase, la méthode d'imagerie respiratoire, etc. Chacune des méthodes ci-dessus existe ses propres avantages, mais la préparation à grande échelle de PM à structure de pore contrôlable et aux fonctions spécifiques est toujours un objectif à long terme sur le domaine et l'un des principaux objectifs de ce mémoire. La co-extrusion de microcouche est une méthode pour produire de façon efficace et successive des polymères avec des structures de couches alternées, ayant les avantages de haute efficacité et faible coût. Par conséquent, sur les exigences structurelles de PM de l’application spécifique, ce mémoire a conçu le PM avec une structure spécifique et une co-extrusion de microcouche de manière créative combinée avec la méthode traditionnelle de préparation de PM (méthode de gabarit, méthode de séparation de phase), en combinant les avantages des deux méthodes, les PM avec une structure de pore idéale peuvent être préparés en grande quantité et l’on peut également explorer son application dans les séparateurs de batteries au lithium-ion et l'adsorption d'hydrocarbures aromatiques polycycliques.Le plus important, dans la deuxième partie de cet essai, se trouve que la simulation micro-numérique est utilisée pour étudier le transport et le dépôt de particules dans des milieux poreux pour explorer le mécanisme des matériaux poreux dans les domaines de l'adsorption et du séparateur de batterie. Le code de 3D-PTPO (un modèle tridimensionnel de suivi des particules combinant Python® et OpenFOAM®) est utilisé pour étudier le transport et le dépôt de particules colloïdales dans des milieux poreux, l’on adopte trois modèles (colonne, venturi et tube conique) pour représenter différentes formes de matériaux poreux. Les particules sont considérées comme des points matériaux pendant le transport, le volume des particules sera reconstitué et déposé comme partie de la surface du matériau poreux pendant le dépôt, la caractéristique principale de ce code est de considérer l'influence du volume des particules déposées sur la structure des pores, les lignes d'écoulement et le processus du dépôt des autres particules. Les simulations numériques sont d'abord conduites dans des capillaires simples, le travail de chercheurs de Lopez et d’autres est réexaminé en établissant un modèle géométrique tridimensionnel plus réaliste et il explore les mécanismes cachés derrière les règles de transmission et de dépôt. Par la suite, des simulations numériques sont effectuées dans des capillaires convergents-divergents pour étudier la structure des pores et l'effet de nombre Peclet sur le dépôt de particules. Enfin, l’on étudie l’effet double de l'hétérogénéité de surface et de l'hydrodynamique sur le comportement de dépôt de particules. / Due to the combination of the advantages of porous media and polymer materials, polymeric porous media possess the properties of controllable porous structure, easily modifiable surface properties, good chemical stability, etc., which make them applicable in a wide range of industrial fields, including adsorption, battery separator, catalyst carrier, filter, energy storage, etc. Although there exist various preparation methods, such as template technique, emulsion method, phase separation method, foaming process, electrospinning, top-down lithographic techniques, breath figure method, etc., the large-scale preparation of polymeric porous media with controllable pore structures and specified functions is still a long-term goal in this field, which is one of the core objectives of this thesis. Therefore, in the first part of the thesis, polymeric porous media are firstly designed based on the specific application requirements. Then the designed polymeric porous media are prepared by the combination of multilayer coextrusion and traditional preparation methods (template technique, phase separation method). This combined preparation method has integrated the advantages of the multilayer coextrusion (continuous process, economic pathway for large-scale fabrication, flexibility of the polymer species, and tunable layer structures) and the template/phase separation method (simple preparation process and tunable pore structure). Afterwards, the applications of the polymeric porous media in polycyclic aromatic hydrocarbons adsorption and lithium-ion battery separator have been investigated.More importantly, in the second part of the thesis, numerical simulations of particle transport and deposition in porous media are carried out to explore the mechanisms that form the theoretical basis for the above applications (adsorption, separation, etc.). Transport and deposition of colloidal particles in porous media are of vital important in other applications such as aquifer remediation, fouling of surfaces, and therapeutic drug delivery. Therefore, it is quite worthy to have a thorough understanding of these processes as well as the dominant mechanisms involved. In this part, the microscale simulations of colloidal particle transport and deposition in porous media are achieved by a novel colloidal particle tracking model, called 3D-PTPO (Three-Dimensional Particle Tracking model by Python® and OpenFOAM®) code. The particles are considered as a mass point during transport in the flow and their volume is reconstructed when they are deposited. The main feature of the code is to take into account the modification of the pore structure and thus the flow streamlines due to deposit. Numerical simulations were firstly carried out in a capillary tube considered as an element of an idealized porous medium composed of capillaries of circular cross sections to revisit the work of Lopez and co-authors by considering a more realistic 3D geometry and also to get the most relevant quantities by capturing the physics underlying the process. Then microscale simulation is approached by representing the elementary pore structure as a capillary tube with converging/diverging geometries (tapered pipe and venturi tube) to explore the influence of the pore geometry and the particle Péclet number (Pe) on particle deposition. Finally, the coupled effects of surface chemical heterogeneity and hydrodynamics on particle deposition in porous media were investigated in a three-dimensional capillary with periodically repeating chemically heterogeneous surfaces.

La compréhension du transport et du dépôt bio-colloïdal dans un milieu poreux présente un grand intérêt dans les applications environnementales, en particulier pour le contrôle de la bio-remédiation des sols et la protection des ressources en eau souterraine. Afin de mieux évaluer et prévenir les risques de contamination de la nappe phréatique et de proposer des solutions adéquates de remédiation, il est nécessaire d’avoir une bonne compréhension des mécanismes qui contrôlent le transport et le dépôt des bactéries dans les milieux poreux saturés et non saturés. L’objectif des ces travaux de thèse est d’étudier le rôle de l’hétérogénéité physique du milieu poreux (distribution granulométrique, porosité…) et de l’hydrodynamique du milieu sur les mécanismes de transport et de dépôt de particules bio-colloïdales, tout en prenant en compte l’impact des propriétés de cellules bactériennes sur ces mécanismes. Des expériences de traçage et d’injection de suspensions bactériennes ont été menées à l’échelle de colonnes de laboratoire dans trois milieux poreux avec une porosité et une distribution de taille de pore distincte. Afin de caractériser l’écoulement dans les milieux poreux, un soluté non-réactif a été utilisé comme traceur de l’eau. Trois souches bactériennes ont été utilisées pour préparer les suspensions bactériennes : une bactérie mobile (Escherichia coli), et deux non mobiles (Klebsiella sp. et R. rhodochrous). La caractérisation des propriétés cellulaires (telles que la taille et la forme des cellules, le potentiel zêta, la motilité et l'hydrophobicité) a été effectuée pour chaque souche. Des simulations numériques ont été réalisées en utilisant le code de calcul HYDRUS-1D afin de modéliser l’écoulement et d’estimer les paramètres de transport et de dépôt des bactéries. Ces derniers ont été explorés afin d'identifier le mode de transport bactérien et les mécanismes physico-chimiques ou physiques impliqués dans le dépôt des bactéries. Des expériences supplémentaires à l'échelle des pores ont été réalisées à l'aide de dispositifs microfluidiques conçus à cet effet. Un calcul théorique des différentes interactions entre les bactéries et le milieu poreux aux interfaces air/eau/solide a été effectué pour compléter les résultats expérimentaux ainsi que ceux issus de la modélisation numérique. Ainsi, les énergies d’interactions telles que les forces de van der Waals, électrostatiques de double couche, hydrophobes, stériques, capillaires et hydrodynamiques, impliquées dans le dépôt de bactéries ont été calculées pour décrire les interactions bactéries-interfaces afin d'identifier leur impact relatif sur le dépôt physico-chimique et physique des bactéries. Les résultats expérimentaux et la modélisation numérique ont mis en évidence un écoulement non uniforme, dépendant de la taille des grains ainsi que de la distribution de la taille des pores du milieu poreux. Pour un milieu poreux donné, l’écoulement devient plus dispersif quand la teneur en eau du milieu diminue. Ceci est dû à l’augmentation de la tortuosité du milieu, du fait de la présence de l’air dans les pores. Le transport des bactéries diffère de celui du traceur de l’eau. Le dépôt bactérien a été fortement influencé par la géométrie du réseau poral du milieu, les propriétés cellulaires et le degré de saturation en eau. Le piégeage physique et physico-chimique sont des mécanismes qui doivent être pris en compte pour bien décrire le dépôt bactérien, mais leur importance sur les mécanismes de dépôt est étroitement liée aux propriétés du milieu poreux et des cellules. Ces travaux mettent en évidence l’effet simultané des propriétés cellulaires, des propriétés physiques (granulométrie et distribution de taille de pores) et de l'hydrodynamique du milieu poreux sur les mécanismes de transport et de dépôt bactérien. Le calcul des différentes énergies d’interaction a permis d’identifier leur importance sur les mécanismes de dépôt bactérien. / The investigation of the transport and retention of bacteria in porous media has a great practical importance in environmental applications, such as protection of the surface and groundwater supplies from contamination, risk assessment from microorganisms in groundwater, and soil bioremediation. The aim of this study is to gain a fundamental understanding of the mechanisms that control bacteria transport and deposition in saturated and unsaturated porous media. Laboratory tracer and bacteria transport experiments at Darcy scale were performed in three porous media with distinct pore size distribution in order to investigate and quantify water and bacteria transport process under steady state flow conditions. A conservative solute was used as water tracer to characterize water flow pathways through porous media. A gram negative, motile Escherichia coli, a gram negative, non-motile Klebsiella sp. and a gram positive, non-motile R. rhodochrous were selected for the transport experiments. Characterization of cell properties (such as cell size and shape, zeta potential, motility and hydrophobicity) was performed for each strain. Numerical simulations with HYDRUS-1D code were performed to characterize water flow and to estimate bacteria transport and deposition parameters. The later were explored to identify bacteria flow patterns and physicochemical or physical mechanisms involved in bacteria deposition. To provide a better understanding of the mechanisms involved on bacteria transport and deposition, pore scale experiments were carried out by using microfluidic devices, designed for this purpose. The information obtained from laboratory experiments and numerical modeling was improved by theoretical calculation of different interactions between bacteria and porous media at air/water/solid interfaces. DLVO and non-DLVO interactions such as hydrophobic, steric, capillary and hydrodynamic forces involved in bacteria deposition were considered to describe bacteria-interface interactions in order to identify their relative impact on physicochemical and physical deposition of bacteria. Results obtained through both laboratory experiments and numerical simulationsoutlined non-uniform flow pathways, which were dependent on both grain/pore size as well as pore size distribution of the porous media. For a given porous medium, water flow patterns became more non-uniform and dispersive with decreasing water saturation due to the presence of air phase, which lead to an increase of the tortuosity of the flow pathways under unsaturated conditions. Bacteria transport pathways were different from the tracer transport, due to size exclusion of bacteria from smaller pore spaces and bacteria motility. Bacteria deposition was greatly influenced by pore network geometry, cell properties and water saturation degree. Both physical straining and physicochemical attachment should be taken into account to well describe bacteria deposition, but their importance on bacteria deposition is closely linked to porous media and cell properties. The results obtained in this work highlighted the simultaneous role of cell properties, pore size distribution and hydrodynamics of the porous media on bacteria transport and deposition mechanisms. The calculation of DLVO and non-DLVO interactions showed that bacteria deposition in saturated and unsaturated porous media was influenced by both kinds of interactions.