Les invasions biologiques se sont intensifiées au cours des dernières décennies en raison d’une accélération des échanges commerciaux. Ces invasions représentent une menace pour les écosystèmes et de nombreuses activités anthropiques, il est donc crucial de comprendre les mécanismes qui les sous-tendent afin de mieux prévoir et limiter leurs impacts. Dans cette thèse, j’aborde la question du potentiel dispersif d’espèces natives et non natives impliquées dans une association phorétique nouvellement formée. En particulier, je me focalise sur le cas de l’association entre un nématode invasif ravageur des pinèdes, le nématode du pin (Bursaphelenchus xylophilus) et son insecte vecteur endémique en Europe (Monochamus galloprovincialis). J’ai tout d’abord étudié les flux de gènes de l’insecte vecteur seul afin d’identifier les barrières à sa dispersion. J’ai ensuite simulé l’expansion spatiale du couple nématode-vecteur à l’aide d’un modèle de dispersion, en intégrant l’effet synergique de cette nouvelle association. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montrent qu’il existe un important potentiel de dispersion du nématode invasif en Europe par le biais de cette association phorétique. En revanche, certains paramètres de l’environnement tels que les reliefs et les températures basses qui leur sont associées, ainsi que les fortes densités en pins constituent des barrières à la dispersion du vecteur et donc des obstacles potentiels à l’expansion du nématode invasif. Au-delà des apports relatifs au modèle d’étude, cette thèse a conduit au développement de plusieurs méthodes pouvant être adaptées à d’autres cas d’associations phorétiques nouvelles et, par extension, contribuer à la compréhension de la dispersion des espèces au sein de ces systèmes complexes et peu étudiés. / Biological invasions dramatically increased over the last decades due to the intensification of international trade. These invasions constitute a threat for ecosystems and many anthropic activities, therefore it is crucial to understand underlying processes in order to better predict and manage their impacts. In this PhD thesis, I explore the potential of dispersion of native and non-native species involved in a novel phoretic association. I focus on the case of the association between a pest for pine forests, the pinewood nematode (Bursaphelenchus xylophilus) introduced in Europe, and its endemic insect vector (Monochamus galloprovincialis). I first estimated gene flows of the insect vector alone in order to identify the barriers and corridors to dispersal of this species. Then I have simulated the spatial spread of the nematode-vector couple using a spread model, and accounting for the synergistic effect of this novel association. The results obtained during this PhD showed that the invasive nematode has an important potential to spread through this phoretic association. However, some environmental features such as elevation, areas with low temperatures, and the high pine densities constitute barriers to dispersal of the vector and so, potential obstacles to the spread of the invasive nematode. Beyond these results focused on the model of study, this thesis has led to the development of several methods that may be adapted to other cases of novel phoretic association and, by extension, may contribute to a better understanding of dispersal of species involved in those complex and poorly known systems.

La dispersion d'agents biologiques hautement pathogène dans une zone urbanisée après un acte terroriste est l'une des situations que les agences de sécurité nationales ont besoin d'évaluer en termes des risques et de la prise de décision. La simulation numérique des écoulements turbulents dans les zones urbaines, y compris la surveillance de la dispersion des polluants, a atteint un niveau de maturité suffisant pour faire des prédictions sur les zones urbaines réalistes jusqu'à 4 km2. Les simulations existantes sont déterministes dans le sens que tous les paramètres qui définissent le cas étudié (l'intensité et la direction du vent, la stratification atmosphérique, l'emplacement de la source des émissions, etc.) devraient être bien connu. Cette précision ne peut être atteint dans la pratique en raison d'un manque de connaissances sur la source d'émissions et de l'incertitude aléatoire intrinsèque des conditions météorologiques.Pour augmenter la contribution de la simulation numérique pour l'évaluation des risques et la prise de décision, il est essentiel de mesurer quantitativement l'impact d'un manque de connaissances en termes de résolution spatiale et temporelle des zones de danger.L'objet de cette thèse est d'appliquer des méthodes de quantification d'incertitude pour quantifier l'impact de ces incertitudes dans l'évaluation des zones de danger à moyenne portée dans des scénarios de dispersion de gaz toxiques. Une méthode hybride c-ANOVA et POD/Krigeage permet d'envisager jusqu'à 5 paramètres incertains dans une simulation 3D-CFD haute fidélité non-stationnaire de la dispersion d'un gaz toxique provenant d'une source type flaque dans une zone urbaine de 1km2. / The dispersion of highly pathogenic biological agents in an urbanized area following a terrorist act is one of the situations that national security agencies need to evaluate in terms of risk assessment and decision-making. The numerical simulation of turbulent flows in urban areas, including monitoring the dispersion of pollutants, has reached a sufficient level of maturity to make predictions on realistic urban zones up to 4 square kilometers. However, the existing simulations are deterministic in the sense that all the parameters that define the case studied (intensity and wind direction, atmospheric stratification, source of emissions location, quantity of injected toxic agent, etc.) should be well known. Such precision cannot be achieved in practice due to a lack of knowledge about the source of emission and the intrinsic aleatoric uncertainty of the meteorological conditions. To significantly increase the contribution of numerical simulation for risk assessment and decision-making, it is essential to quantitatively measure the impact of a lack of knowledge especially in terms of spatial and temporal resolution of the danger zones. The object of this thesis is to apply uncertainty quantification methods to quantify the impact of these uncertainties in the evaluation of the danger zones in medium range toxic gas dispersion scenarios. A hybrid method merging c-ANOVA and POD/Kriging allows to consider up to 5 uncertain parameters in a high-fidelity unsteady 3D-CFD simulation of the dispersion of a toxic gas from a pond-like source in an urban area of 1km2.

Ces travaux de thèse sont consacrés à l’analyse des phénomènes ondulatoires se produisant dans les structures périodiques : des phénomènes comme les réflexions de Bragg ou les résonances locales qui émergent dans de telles structures permettent de contrôler la propagation des ondes, et ces structures présentent donc des propriétés spécifiques. Dans le premier chapitre, des outils numériques permettant de déterminer les relations de dispersion dans les structures périodiques sont présentées, et notamment la méthode de Floquet-Bloch qui sert de référence dans l’analyse des milieux périodiques. Cette technique consiste à résoudre le problème sur une cellule unitaire avec des conditions limites adaptées, cependant l’introduction d’amortissement dans les cas 2D et 3D n’est pas facile. Elle est mise en œuvre dans le deuxième chapitre pour étudier la propagation des ondes dans un méta matériau comprenant des performations rectangulaires, hiérarchiques et auxétiques (coefficient de poisson négatif). L’influence des paramètres géométriques de la cellule sur la dispersion et les propriétés mécaniques de la structure est investiguée en utilisant une méthode d’homogénéisation. Une validation expérimentale est effectuée sur un réseau en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) en utilisant un vibromètre3d à balayage. Dans le troisième chapitre, une alternative à la méthode de Floquet-Bloch pour étudier la propagation d’ondes dans des milieux dissipatifs est décrite : la méthode intitulée « Shift cell operator ». Elle est basée sur une reformulation du problème aux équations aux dérivés partielles, la périodicité étant incluse dans le comportement global de la structure et des conditions de continuité sur les bords de la cellule sont imposés. Cette stratégie permet de résoudre le problème quelle que soit l’évolution en fréquence de propriétés de la cellule. Des outils de post-traitement des diagrammes de dispersion avec amortissement sont proposés basés notamment sur une analyse de la vitesse de groupe. Dans le dernier chapitre, la démarche est appliquées sur une structure périodique amortie consistant en un guide d’ondes bidirectionnel infini mêlant aluminium et polymère hautement dissipatif. Les résultats obtenus sur une structure finie intégrant une interface composée d’un ensemble distribué de ces cellules unitaires confirment le caractère adaptatif du méta matériau ainsi conçu. Une confrontation de ces résultats à des résultats expérimentaux a permis de confirmer ce comportement. / The understanding of wave propagation in periodic structures is proposed in this work. Periodic structures exhibit very specific properties in terms of wave propagation. First, some numerical tools for dispersion analysis of periodic structures are presented. The classical Floquet-Bloch approach is first presented, as a reference. This technique uses proper boundary conditions on the unit cell, but dealing with damping is not easy for 2D or 3D cases. Secondly, a metamaterial with hierarchical, auxetic (negative Poisson ratio) rectangular perforations is presented using the Floquet-Bloch method as a reference. Some numerical eigenvalue tools are used for the dispersion analysis of this structure. A geometric parametric investigation of these rectangular perforations using a numerical asymptotic homogenisation finite element approach is done. The experimental validation is performed with a network based on polymethyl methacrylate (PMMA) using a 3D scanning vibrometer. Third, the Shift cell operator technique is described. It consists in a reformulation of the PDE problem by shifting in terms of wave number the space derivatives appearing in the mechanical behavior operator inside the cell, while imposing continuity boundary conditions on the borders of the domain. Damping effects can be introduced in the system. This strategy make it possible to solve the problem with an arbitrary frequency dependency of the physical properties of the cell. A focus is proposed on tools for the post-processing of dispersion diagrams in damped configurations like group velocity. Finally, an adaptive metamaterial based on the combination of metallic parts with highly dissipative polymeric interface is designed. In order to validate the design and the adaptive character of the metamaterial, results issued from a full 3D model of a finite structure embedding an interface composed by a distributed set of the unit cells are presented. After this step, a comparison between the results obtained using the tunable structure simulation and the experimental results is presented.

Les relations complexes qui unissent les insectes phytophages et les plantes peuvent être étudiées par des approches interdisciplinaires à diverses échelles. Ces études peuvent avoir un intérêt appliqué, dans l'agriculture notamment. Au cours de cette thèse, nous avons mené une étude interdisciplinaire sur la biologie de la cécidomyie des fleurs du manguier, Procontarinia mangiferae (Felt) (Diptera : Cecidomyiidae), un bio-agresseur monophage et invasif responsable de dégâts économiques majeurs dans plusieurs zones de production du monde. L'objectif était d'améliorer les connaissances sur la biologie de cette espèce à l'île de la Réunion : (1) en évaluant sa diversité génétique et les facteurs écologiques et biologiques qui peuvent expliquer la structuration génétique de ses populations ; (2) en étudiant en milieu naturel ou contrôlé les caractéristiques de sa diapause, qui lui permettent de maintenir des populations d'une saison de floraison à la suivante ; (3) en étudiant par modélisation la dispersion des femelles dans un verger lors de sa colonisation, en prenant en compte les capacités de vol et la distribution spatiale et temporelle des stades sensibles du manguier au sein du verger. Les résultats ont montré que l'espèce P. mangiferae se reproduisait à la fois sur les inflorescences et sur les jeunes feuilles, qu'elle était présente toute l'année et sur tous les sites échantillonnés sur l'île, quelles que soient les conditions culturales ou climatiques. Ses populations sont apparues structurées en deux clusters sympatriques, dont un était plus fréquent dans la zone de culture du manguier. Ensuite, nous avons prouvé l'existence d'une diapause facultative induite toute l’année, avec cependant un taux d'induction de diapause supérieur en été. Cette diapause du troisième stade larvaire se déroule dans le sol et dure entre six semaines et plus d'un an. Les températures fraiches déclenchent les émergences des individus en diapause et permettent de synchroniser l'émergence des adultes avec la période de floraison du manguier. Enfin, nous avons montré que des femelles immigrantes étaient capables de coloniser l'ensemble des arbres d'un verger. Le vol d'arrivée des femelles dans le verger et le vol actif au sein du verger se sont avérés influencés respectivement par l'abondance et par l'attractivité de la ressource. Les connaissances obtenues sur la biologie de P. mangiferae et sur ses relations avec le manguier ouvrent des pistes pour le développement de stratégies de gestion agroécologique de ce bio-agresseur. / Phytophagous insects and plants are linked by complex relationships. Insect-plant interaction researches involve several biological disciplines at different levels of analysis. These insect–plant relationships are of crucial importance from an applied point of view, notably for agriculture. In this work, an interdisciplinary approach has been used to study on the mango blossom gall midge, Procontarinia mangiferae (Felt) (Diptera: Cecidomyiidae), an invasive insect pest specific to mango causing major economic damages worldwide. The objective was to improve our knowledge of the biology of this species in the subtropical Reunion Island (i) by describing its genetic diversity and investigate the ecological and biological determinants of the genetic structure of its populations, (ii) by carrying out field and controlled experiments to understand the diapause strategies involved in maintaining populations from one flowering season to the next one, (iii) by modeling the arrival and dispersion of females within an orchard in relation with their flight capacity and with the spatial and temporal distribution of the mango susceptible resources. The results showed that the single species P. mangiferae, feeding on both inflorescences and young leaves, was present all year round and in all the sampled sites on the island, regardless of the climatic and cultural conditions. Populations in Reunion Island appeared structured into two clusters in sympatry, one cluster being more frequent in the cultivated mango area. Secondly, we demonstrated the occurrence of facultative diapause all year round, with the highest rate of diapause observed in summer. The diapause allowed a developmental arrest at the 3rd larval instar in the soil, lasting between six weeks to more than one year. The decrease of temperature at the beginning of winter triggered off the emergence of diapausing individuals and synchronized adult emergence with the mango flowering period. Thirdly, non-native female gall midges were able to colonize all the trees of an orchard. Their arrival flight and trivial flight were oriented by the abundance and by the attractiveness of the mango resources, respectively. The knowledge obtained on the biological cycle of P. mangiferae and on its relationships with the mango tree should be useful to develop new agroecological pest management strategies.

Les théories relatives à la biodiversité contrastent fortement quant au rôle qu’elles accordent aux différences de traits écologiques entre espèces (théorie des niches) ou à la stochasticité démographique (théorie neutre de la biodiversité) pour expliquer l’organisation des communautés d’espèces compétitrices. Les espèces en compétition pour une ressource pulsée permettent de tester à relativement court terme ces théories : dans le cadre de la théorie des niches, les espèces en compétition devraient présenter de fortes différences de traits les conduisant à exploiter différemment la ressource pulsée; elles devraient alors répondre démographiquement de manière différente aux fortes fluctuations en ressources et leurs dynamiques populationnelles devraient être asynchrones. Au contraire, dans le cadre de la théorie neutre, les espèces ne devraient pas présenter de différences majeures dans leurs caractères associés à l’exploitation de la ressource variable; elles devraient alors répondre de la même manière aux pulses et leurs dynamiques populationnelles devraient être synchronisées. Nos travaux, centrés sur quatre espèces du genre Curculio en compétition pour l’exploitation des glands de chêne, permettent de mettre en évidence (i) qu’un fort partitionnement global de leurs niches est assorti de dynamiques populationnelles asynchrones. (ii) Cependant, ils montrent également que deux des quatre espèces compétitrices apparaissent très similaires quant aux caractères étudiés et présentent des dynamiques de population synchronisées. Les résultats, dans leur ensemble, fournissent donc l’un des premiers arguments empiriques en faveur d'une théorie unifiée de la biodiversité / Understanding the organization of communities composed of competing species, and notably their biodiversity, has led to two theories that sharply contrast with each other about the role primarily assigned either to the differences in ecological traits among the species (niche theory) or to the demographic stochasticity (neutral theory of biodiversity). Species competing for a pulsed resource allow testing the two theories in short-term studies: the niche theory predicts that differences should exist in the traits of such species, which should allow them taking advantage of the resource in various ways; the species should thus respond differently to the fluctuations in the availability of the resource, resulting in asynchronous population dynamics. In contrast, the neutral theory predicts that the trait differences possibly existing between the species should not impact the way they use the variable resource; the species should then respond similarly to the pulses and their population dynamics should be synchronized. Our work, focusing on four phytophagous insect species (Curculio spp.) that compete for oak acorns (Quercus spp.), (i) show evidence of a clear, global niche partitioning combined with asynchronous population dynamics (ii) but points out that two of these species show similar ecological traits and display synchronized population dynamics. Overall, these results therefore provide one of the first empirical arguments in favor of a unified theory of biodiversity

La pollution atmosphérique et ses conséquences sur la santé et l'environnement constituent un domaine d'étude complexe à cause du nombre de phénomènes physiques mis en jeu. L'objectif de ce travail est d'étudier les principales caractéristiques de l'écoulement et de la dispersion d'un scalaire passif au sein de la canopée urbaine. Pour ce faire, un code numérique a été développé. Il résout les équations de Navier-Stokes dans le cadre d'un écoulement incompressible pour une atmosphère neutre en faisant usage de la méthode de la compressibilité artificielle selon la méthode des volumes finis. Le modèle de Spalart-Allmaras a été utilisé pour la modélisation de la turbulence. La canopée urbaine est explicitement prise en compte et est modélisée par un groupe d'obstacles de forme cubique. Le code fut d'abord testé pour des configurations bidimensionnelles avec un seul et 4 obstacles en configuration alignée selon deux approches : une simulation stationnaire RANS et instationnaire URANS qui reproduit le décrochement tourbillonnaire. La prise en compte du décrochement tourbillonnaire se traduit par une diffusion dans le sillage turbulent du groupe d'obstacles. Les résultats ont été comparés à des mesures expérimentales et d'autres résultats numériques de référence dans la bibliographie et montrent l'amélioration du champ de vitesse moyen par l'approche code fut ensuite testé sur un cas tridimensionnel avec un groupe d'obstacles organisés selon 2 configurations géométriques: alignée et en quinconce. Afin d'éliminer les effets des conditions aux limites, l'écoulement fut calculé sur un volume élémentaire de calcul en utilisant des conditions aux limites périodiques. Deux types de simulations furent réalisés: l'approche RANS classique et la version DDES du modèle de Spalart-Allmaras. L'écoulement obtenu par la DDES améliore de façon significative les résultats par rapport au RANS en comparaison de mesures expérimentales de simulation directe et montrent la bonne potentialité du modèle. La dispersion d'un scalaire passif émis au sein de la canopée fut obtenue sur un domaine plus important comprenant 16 volumes élémentaires par le biais des conditions aux limites périodiques utilisées. Une analyse du champ de concentration a ensuite été réalisée et des comparaisons effectuées en fonction du type de calcul et de la configuration géométrique. / Atmospheric pollution and its impact on health and the environment depend on many physical phenomena, and this makes it a difficult subject to study. The main objective of this work is to investigate the main characteristics of the flow and dispersion of a passive scalar in the urban canopy. Specifically, the urban canopy is simulated by a group of cubical obstacles in a neutrally-buoyant atmospheric boundary layer. A numerical code bas been developed as a tool to aid in this study; flow is computed by solving the Navier-Stokes equations for an incompressible flow, using a finite volume approach, and the method of artificial compressibility. The turbulence is modeled using the method proposed by Spalart and Allmaras. The code was tested first in a 2-D configuration, for flow over a single obstacle, and over a group of 4 obstacles; in both cases two types of simulation were studied: a stationary RANS simulation, and an unsteady RANS (URANS), which reproduced vortex shedding from the obstacles. The explicit inclusion of vortex shedding in the URANS simulation leads to diffusion in the obstacle wakes, and the results compare better with experimental measurements and other published numerical simulations than do those for the RANS simulations. The code was then tested for some 3-D cases consisting of a group of obstacles arrangcd either in aligned or staggered configurations. In order to avoid the influence of boundary conditions, the flow field was simulated using periodic boundary conditions and a small sub-unit from the group of obstacles. Two types of simulation were performed: a classical RANS type calculation and the DDES proposed by Spalart and Allmaras. The results obtained using the ODES agree much more closely with experimental measurements and the results of other numerical simulations than do those obtained using RANS, and indicate the potential of this approach. The dispersion of a passive scalar in the urban canopy was simulated on a much larger domain consisting of 16 of the sub-units used to compute the flow field. The concentration fields were analyzed to show the influence of the geometrical configuration and the type of model.

La dispersion est définie comme le mouvement d'un individu entre le site de naissance et le premier site de reproduction ou entre deux sites de reproduction. La dispersion se traduit par des échanges d'individus et des flux de gènes entre les populations et est donc reconnue comme un trait d'histoire de vie clé de part son rôle déterminant sur de nombreux processus écologiques et évolutifs comme la dynamique ou la génétique des population, la répartition spatiale des espèces ou encore la capacité des espèces à faire face aux changements brutaux induits par les activités humaines. Pourtant les conséquences de la dispersion en terme de valeur sélective individuelle restent mal connues malgré leur importance dans l'évolution de la dispersion. Le but de cette thèse est d'identifier plus précisément les conséquences de la dispersion en terme de valeur sélective individuelle en utilisant à la fois des approches corrélative et expérimentale dans une population sauvage de passereaux migrateurs, le gobe mouche à collier (Ficedula albicollis). Grâce à des données à long terme comprenant plus de 20 ans de suivi, des différences entre les individus dispersants et philopatriques ont pu être mises en évidence à la fois à l'échelle de la vie des individus et à l'échelle annuelle, celle de l'événement de reproduction. Les résultats mettent en évidence des effets de la dispersion dépendant à la fois des conditions et du phénotype des individus et soulignent donc le fait que la balance entre les coûts et les bénéfices est le résultat d'interactions subtiles entre l'environnement et les caractéristiques de l'individu. D'autre part, l'expérience de dispersion forcée a permis de démontrer clairement l'existence de coûts liés à l'établissement dans un environnement non familier que seuls certains individus sont capables de surmonter. Enfin, l'absence de différence dans les décisions majeures de reproduction une fois les individus établis, suggère que la dispersion doit majoritairement être adaptative, une fois les coûts de l'installation surmontés / Dispersal is commonly defined as the movement of an individual from its natal or previous breeding site to a new breeding site. Because dispersal involves movements of individuals and genes among populations, it is widely recognized as a key life history trait with strong effects on many ecological and evolutionary processes, such as population dynamics and genetics but also species spatial distribution or response to brutal environmental variations induced by human activities. Yet, the consequences of dispersal in terms of individual fitness remain poorly understood despite their crucial importance in the understanding of the evolution of dispersal. The aim of this PhD is to get better insights in the fitness consequences of dispersal using both correlative and experimental approaches at different scales, i.e. annual and lifetime scales, in a wild patchy population of migratory passerine bird, the collared flycatcher (Ficedula albicollis). Using a long term data set encompasses more than 20 years of data, differences between dispersing and philopatric individuals were showed both at a lifetime and annual scale. The results highlighted strong phenotypic- and condition-dependent effects of dispersal and underline that the balance between the costs and benefits of dispersal is likely to be the result of subtle interactions between environmental factors and individuals’ phenotype. Moreover, the experiment of forced dispersal demonstrated that dispersal might entail costs linked with settlement in a new habitat, which only some individuals may overcome. Nevertheless, the absence of difference in major fitness related decisions after settlement suggests that dispersal is mostly adaptive for individuals overcome such costs

La caractérisation et le monitoring des ressources en eau souterraine et des processus d'écoulement et de transport associés reposent principalement sur la mise en place de forages (piézomètres). Mais la variété des échelles auxquelles se déroulent ces processus et leur variabilité dans l'espace et dans le temps limitent l'interprétation des observations hydrogéologiques. Dans un tel contexte, l'hydrogéophysique fait appel aux méthodes de prospection géophysique afin, notamment, d'améliorer la très faible résolution spatiale des données de forage et de limiter leur caractère destructif. Parmi les outils géophysiques appliqués à l'hydrogéologie, les méthodes sismiques sont régulièrement utilisées à différentes échelles. Mais la réponse sismique dans le contexte de la caractérisation des aquifères reste complexe. L'interprétation des vitesses estimées est souvent délicate à cause de leur variabilité en fonction de la lithologie de l'aquifère (paramètres mécaniques intrinsèques et géométrie des milieux poreux le constituant, influence du degré de saturation, etc). La perméabilité du milieu a également un effet sur la géométrie d'un réservoir hydrologique dont les contours peuvent varier en espace comme en temps, compliquant ainsi l'interprétation des données sismiques.Les géophysiciens cherchent à pallier ces limites, notamment à travers l'étude conjointe des vitesses (Vp et Vs) des ondes compression (P) et de cisaillement (S), dont l'évolution est par définition fortement découplée en présence de fluides. D'un point de vue théorique, cette approche se révèle appropriée à la caractérisation de certains aquifères, en particulier grâce à l'estimation des rapports Vp/Vs ou du coefficient de Poisson. L'évaluation de ces rapports peut être pratiquée de manière systématique grâce à la tomographie sismique en réfraction en utilisant parallèlement ondes P et S. Mais d'un point de vue pratique, la mesure de Vs reste délicate à mettre en oeuvre car les ondes S sont souvent difficiles à générer et à identifier sur les enregistrements sismiques. Une alternative est proposée par l’estimation indirecte de Vs à partir de l’inversion de la dispersion des ondes de surface, réalisée à partir de mesures de la vitesse des ondes de surface contenues dans les enregistrements sismiques classiques. Bien que généralement proposée pour la caractérisation de milieux 1D, la prospection par ondes de surface peut être déployée le long de sections linéaires dans le but de reconstruire un modèle 2D de distribution des Vs du sous-sol.Une méthodologie a été mise au point afin d'exploiter simultanément et de façon optimale les ondes P et les ondes de surface à partir des mêmes enregistrements sismiques. Lors de sa mise en oeuvre sur le terrain, cette acquisition « en ondes P » a été systématiquement suivie d'une acquisition « en ondes SH » afin de comparer les vitesses Vs obtenues par analyse de la dispersion des ondes de surface et par tomographie en ondes SH. L'utilisation de cette méthodologie dans différents contextes géologiques et hydrogéologiques a permis d'estimer les variations latérales et temporelles du rapport Vp/Vs, en bon accord avec les informations géologiques a priori et les données géophysiques et piézométriques existantes. L'utilisation de l'interférométrie laser a également permis de mettre ces techniques de traitement en application sur des modèles physiques parfaitement contrôlés afin d'étudier la propagation des ondes élastiques dans des « analogues » réalistes de milieux poreux partiellement saturés. / Characterisation and monitoring of groundwater resources and associated flow and transport processes mainly rely on the implementation of wells (piezometers). The interpretation of hydrogeological observations is however limited by the variety of scales at which these processes occur and by their variability in space and in time. In such a context, using geophysical methods often improves the very low spatial resolution of borehole data and limits their destructive nature. Among the geophysical tools applied to hydrogeology, seismic methods are commonly used at different scales. However, the seismic response in the context of aquifer characterisation remains complex. The interpretation of the estimated velocities is often difficult because of their variability depending on the aquifer lithology (intrinsic mechanical parameters and geometry of the constituting porous media, influence of the degree of saturation, etc). The permeability of the medium also affects the geometry of a hydrological reservoir whose contours may vary in space and in time, thus complicating the interpretation of seismic data. Geophysicists seek to overcome these limitations, especially through the joint study of compression (P-) and shear (S-) wave velocities (Vp and Vs), whose evolution is by definition highly decoupled in the presence of fluids. From a theoretical point of view, this approach proves suitable for the characterisation of aquifers, especially by estimating Vp/Vs or Poisson's ratio. The evaluation of these ratios can be systematically carried out with seismic refraction tomography using both P- and S-waves. However, retrieving Vs remains practically delicate because S-waves are usually difficult to generate and identify on seismic records. As an alternative, indirect estimation of Vs is commonly achieved thanks to surface-wave dispersion inversion, carried out from measurements of surface waves phase velocities contained in typical seismic records. Although it is usually proposed for the characterisation of 1D media, surface-wave prospecting can be deployed along linear sections in order to build 2D models of Vs distribution in the ground. A specific methodology has been developed for the combined and optimised exploitation of P- and surface waves present on single seismic records. When deployed on the field, this "P-wave" acquisition has been systematically followed by a "SH-wave" acquisition in order to compare Vs models obtained from surface-wave dispersion analysis and SH-wave refraction tomography. The use of this methodology in several geological and hydrogeological contexts allowed for estimating Vp/Vs ratio lateral and temporal variations in good agreement with a priori geological information and existing geophysical and piezometric data. Laser-based ultrasonic techniques were also proposed to put these processing techniques in practice on perfectly controlled physical models and study elastic wave propagation in partially saturated porous media.

Ce travail de thèse apporte des éléments en vue d’une meilleure compréhension de la circulation et des processus de dispersion associés aux vagues à proximité des plages. Un outil de modélisation numérique opérationnelle a été développé, fondé sur le modèle spectral d’état de mer WAVEWATCH III R et le modèle hydrodynamique 3-D MOHID Water. Le code MOHID a été étendu à l’approche glm2z pour la représentation des interactions 3-D vagues-courant. Les développements théoriques permettant l’obtention des équations glm2z sont rassemblés et détaillés dans ce travail. L’implémentation de ces équations au sein de l’outil de modélisation est exposée. L’outil construit est validé sur deux cas académiques, où est mise en évidence sa capacité à reproduire la solution fournie par des modèles numériques de référence. Par la suite, la modélisation est combinée à des observations in situ pour étudier deux sites de la côte Sud Atlantique française. Ces sites correspondent à des configurations littorales complexes, associant une influence significative des vagues et une stratification haline notable de la colonne d’eau. La confrontation des résultats du calcul 3-D aux mesures fournit des résultats encourageants et apporte des éléments utiles pour la compréhension de la variabilité des courants et des profils de salinité observés. Une baie estuarienne semi-fermée est tout d’abord étudiée. La modélisation y suggère un effet significatif des vagues sur la dispersion des panaches estuariens, susceptible d’impacter la vidange globale de la baie à l’échelle d’un épisode de précipitations. Le second site d’application permet l’étude de la circulation intense induite par les vagues au-dessus d’un système barre/chenal, ainsi que la dispersion des eaux douces introduites par une rivière dans la zone de déferlement. Ce travail fournit finalement un outil de modélisation 3-D pour l’étude de la circulation et du transport sous l’effet de l’ensemble des forçages littoraux. / This work aimed at providing a better understanding of nearshore circulation and dispersion processes under the effect of waves. An operational numerical modeling tool was developed, based on the spectral wave model WAVEWATCH III R and the 3-D hydrodynamical model MOHID Water. The MOHID implementation was extended to the glm2z approach for 3-D wave-current interactions. Theoretical developments leading to glm2z equations are gathered and detailed in the present work. The numerical implementation of glm2z equations is described. The model is validated in academic cases, in which the obtained solution is shown to be consistent with that provided by reference numerical models. Both numerical modeling and in situ measurements are then used to study two nearshore environments, located on the French South Atlantic coast. These complex areas combine a significant effect of waves on dynamics and remarkable salinity stratification. Comparison of 3-D model results with field data are encouraging and offers interesting insights for current and salinity profile variability. Dynamics of a semi-enclosed estuarine bay is first studied. Modeling results suggest that waves may have a significant impact on river plumes, leading to a reduction of the global bay flushing during a raining event. The second study site allows the investigation of the intense circulation generated by waves over a ridge and runnel system, and the dispersion of reshwaters introduced in the surfzone by a small river. Finally, this work provides a 3-D numerical modeling tool for the study of the circulation and related transports under the effects of nearshore forcings.

Dans cette thèse, on s’intéresse à l’approximation numérique d’un modèle d’écoulement dispersif en eau peu profonde. Les applications visées par ce type de modélisation sont nombreuses (écoulement dans les océans, les rivières, etc) et cette thèse est motivée en particulier par les risques naturels et la production d’énergie renouvelable. Le modèle étudié a été dérivé par moyenne selon la verticale des équations d’Euler et prend en compte la pression non-hydrostatique. Il est alors nécessaire de résoudre un système de type incompressible; ce qui nous amène à résoudre une équation elliptique en pression. Nous proposons une méthode numérique pour résoudre le système dispersif avec topographie pour les modèles 1D et 2D. L’approche développée est basée sur un schéma de type prediction-correction, initialement introduit par Chorin-Temam pour les équations de Navier-Stokes. Nous définissons un cadre générique qui permet de concevoir un schéma valable en 1D et 2D et aussi de pouvoir augmenter l’ordre de précision. Ainsi, nous proposons une formulation variationnelle qui nous permet d’appliquer la méthode des éléments finis avec des choix d’espaces compatibles. Le travail effectué étant destiné à simuler des processus géophysiques réels, la méthode a été conçue pour pouvoir traiter les transitions de sol sec/mouillé et cette propriété a été confirmée par plusieurs tests numériques. Afin de valider la méthode, nous présentons la comparaison entre certaines solutions analytiques et leurs simulations numériques. / In this PhD thesis we are interested in the numerical approximation of a dispersive shallow water system, aimed at modeling the free surface flows (e.g. ocean and rivers) and motivated by applications for natural hazards and sustainable energy resources. This model is a depth-averaged Euler system and takes into account a non-hydrostatic pressure which brings crucial information for understanding the behavior of the flow, particularly when dispersion occur. We develop a numerical method for the one- and the two-dimensional dispersive shallow water system with a topography. The approach is based on a prediction-correction method initially introduced by Chorin-Temam, and we establish a global framework in order to easily increase the order of accuracy of the method. The prediction part leads to solving a shallow water system for which we use finite volume methods, while the correction part leads to solving a mixed problem in velocity and pressure. We propose a variational formulation of the mixed problem which allows us to apply a finite element method with compatible spaces. In this framework we establish compatible boundary conditions between the prediction part and the correction part. The method is performed for the one-dimensional model and for the two-dimensional problem on unstructured grids. In order to make the method practical for real geophysical cases, we have derived a scheme able to treat wet/dry interfaces and to this end we give many examples to test its performance. Moreover, we provide a comparison of simulated solutions with data from laboratory experiments.