Depuis une dizaine d’années, l’évolution de la puissance des ordinateurs a permis de développer l’utilisation, dans les études d’ingénierie, des simulations 3D CFD (Computational Fluid Dynamics) pour l’étude de l’atmosphère à petite échelle, en particulier pour la dispersion de polluants sur des sites industriels et urbains complexes. Compte tenu de la complexité des domaines à étudier et des ressources de calcul généralement disponibles, ces études sont la plupart du temps réalisées à l’aide des modèles RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), et particulièrement avec le modèle de fermeture k – e. Différents travaux de validation de l’approche RANS k – e ont mis en évidence quelques limitations à reproduire la dynamique de l’écoulement et de la dispersion dans des configurations géométriques complexes. Le travail de recherche réalisé dans le cadre de cette thèse a pour objectif une caractérisation expérimentale fine de l’écoulement et de la dispersion turbulente autour d’un obstacle bidimensionnel placé dans une couche limite de surface, afin d’évaluer la validité des modèles RANS en vue de leur application pour l’étude de la dispersion atmosphérique.Dans un premier temps, nous avons utilisé des techniques d’anémométrie à fil chaud, d’anémométrie laser Doppler et d’anémométrie par image de particules, pour déterminer le champ de vitesse dans une couche limite de surface rugueuse et autour d’un obstacle bidimensionnel de section carrée. Une attention particulière a été portée sur l’analyse des termes de l’équation évolutive de l’énergie cinétique turbulente (ECT) et sur la détermination de la viscosité turbulente vt. Différentes approches ont également été utilisées pour estimer le taux de dissipation e de l’énergie cinétique turbulente. Nous avons mis en évidence que ces différentes approches fournissent des résultats comparables dans le cas de la couche limite, tandis que seule la technique estimant e comme le résidu de l’ECT est applicable dans le sillage de l’obstacle. De plus, nos mesures ont permis d’évaluer les paramétrisations du modèle k – e et de montrer que la valeur du coefficient Cμ = 0.09 ne semble pas adaptée dans le cas de la couche limite, conduisant à une surestimation de vt, alors que cette valeur apparait plus adaptée dans le cas de l’obstacle. Une étude de sensibilité, portant la détermination de la constante σk du modèle k – e, indique une contribution non négligeable des termes de corrélation entre la vitesse et la pression dans le sillage de l’obstacle.Dans un deuxième temps, nous avons étudié la dispersion d’un scalaire passif, en mesurant les différents moments statistiques de la concentration, au moyen d’un détecteur à ionisation de flamme. Nous avons également déterminé les flux turbulents de masse, par un couplage entre les mesures de vitesse et de concentration, en prenant soin de contrôler les influences réciproques des deux techniques de mesure. Ces mesures nous ont permis de tester la validité de différents modèles de fermeture de l’équation d’advection-diffusion pour estimer les flux dans le sens vertical et dans le sens longitudinal. Nous avons également pu déterminer expérimentalement le coefficient de diffusivité turbulente Dt, nous permettant d’évaluer un nombre de Schmidt turbulent Sct, afin de mettre en évidence que la valeur Sct = 0.7 est adaptée à la majorité des zones étudiées, excepté dans la zone de recirculation induite par l’obstacle. Enfin, nous nous sommes intéressés aux différents termes de l’équation de la variance de la concentration et plus particulièrement à son taux de dissipation. À nouveau, les mesures nous ont permis de tester un modèle de fermeture disponible dans la littérature et de montrer la bonne cohérence entre le modèle et l’expérience. / In the last decades, there has been an increasing use of Computational Fluid Dynamics (CFD)simulations to evaluate the impact of atmospheric pollutants dispersion in within industrial and urban sites. Given the high geometrical complexity of these sites, these simulations are mainly performed adopting a Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) approach and using k−e closure models. As is well known from previous studies, RANS k−e simulations are affected by some limitations that prevent them correctly reproducing the dynamics of the flow and the pollutant dispersion in complex geometrical configurations. The aim of the PhD is to provide a detailed experimental characterization of the flow and the turbulent dispersion around an idealized two-dimensional obstacle placed within a boundary layer flow. This is subsequently used to analyse the reliability of RANS closure models as predictive tools for the atmospheric dispersion of airborne pollutants. Initially we focus on the flow dynamics of a boundary layer flow developing over a rough wall and in the wake of a 2D obstacle. The velocity field is investigated experimentally by means of different measurement techniques, namely Hot Wire Anemometry (HWA), Laser Doppler Anemometry (LDA) and Stereo-Particle Imagery Velocimetry (PIV). A particular attention was devoted to the estimate of the turbulent viscosity nt as well as of the terms composing the turbulent kinetic energy budget (TKE), including its rate of dissipation e which was determined adopting different approaches. These measurements allowed us to analyse the accuracy of the parameterizations included in a standard k−e closure model. Our analysis show that a value of the coefficient Cμ = 0.09 leads to significant overestimation of nt in a boundary layer flow. Conversely, adopting Cμ = 0.09 provides a good agreement between modeled and direct estimates of nt in the wake of the obstacle. As a second step, we studied the dispersion of a passive scalar emitted by a ground level line source. To that purpose we measured the first four order moments of the concentration probability density function by mean of a flame ionization detector (FID). Furthermore, the coupling of the FID system with the LDA or HWA system allowed us to directly measure the turbulent mass transfer, i.e. the correlation between velocity and concentration fluctuations. The combination of these two techniques was carefully analyzed, in order to quantify eventual mutual disturbances of one measurement technique on the other. The measurements of the velocity/concentration correlations allowed us to determine experimentally the turbulent diffusivity Dt and the turbulent Schmidt number Sct , and therefore to test the accuracy of different closure models of the advection-distribution equation. Our results show that the value of the turbulent Schmidt number is approximately equal to 0.7 in most of the domain, except in the recirculation zone on the wake of the obstacle. Experimental data provide also a complete description of the spatial distribution of the concentration variance, and of the term composing its budget (with a focus on its dissipation). As for the velocity field, we test the reliability of different closure model proposed in the literature of the turbulent mass transfer terms, enlightening the shortcomings of simple gradient-law closer models.

Les réservoirs constituent des ouvrages de retenue d'eau qui permettent de supporter une vaste gamme d'activités humaines telles que la production d'électricité et d'eau potable, l'irrigation, la navigation, etc. L'Est de la région boréale canadienne compte une part importante de réservoirs hydroélectriques. Le contexte actuel des changements climatiques affecte fortement ces écosystèmes et modifie ainsi l'hydrologie et la climatologie régionale via les échanges d'eau, d'énergie et de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone, méthane, vapeur d'eau) avec l'atmosphère. Parmi ces échanges, l'évaporation, une composante essentielle des modèles climatique et hydrologique, demeure encore difficile à estimer à ce jour. Le bilan hydrique d'un réservoir reflète l'équilibre entre les flux massiques entrant et sortant, et permet d'anticiper l'évolution des volumes d'eau disponibles pour supporter les différents usages anthropiques. Il se compose des flux entrant et sortant, de la précipitation, de l'évaporation, qui mis ensemble peuvent faire varier le volume d'eau stocké. Via l'évaporation, le bilan d'énergie d'un réservoir est couplé au bilan hydrique, ce qui en motive son étude. Le bilan d'énergie d'un réservoir compare les flux de chaleurs advectifs, turbulents (sensible et latent) et de rayonnement net. Même si beaucoup d'études ont analysé et quantifié le bilan énergétique des plans d'eau, des lacunes demeurent. En effet, peu d'entre elles ont été effectuées sur des réservoirs hydroélectriques, de surcroît en zone boréale. De plus, lorsque disponibles, les observations ont généralement des portées spatiale et temporelle limitées. L'objectif principal de cette thèse est de pallier ces insuffisances en réalisant une analyse des échanges eau-atmosphère d'un réservoir hydroélectrique profond à plusieurs échelles spatiales (locale ~ ha; régionale ~ km²) et temporelles (journalière, mensuelle et annuelle), puis en quantifiant les bilans de masse et d'énergie en incluant les échanges advectifs liés au turbinage du réservoir. Notre démarche expérimentale s'appuie sur une campagne de mesures réalisée sur le réservoir Romaine-2 (50.68°N, 63.25°O), exploité par Hydro-Québec depuis 2015, situé à 243 m d'altitude au Québec, Canada. Le réservoir présente des profondeurs moyenne de 44 m et maximale de 101 m, une superficie maximale de 85.6 km² avec un marnage annuel maximal de 17 m. Deux tours à flux mesurant le bilan d'énergie thermique ont été déployées de juin 2018 à juin 2022, l'une sur la berge et la seconde sur un quai flottant ancré au fond du réservoir et déployé en période d'eau libre chaque année. L'objectif principal de la thèse est décliné en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif consiste à évaluer l'applicabilité sur un plan d'eau d'une méthode récente de mesure des flux turbulents à l'échelle régionale (~ km²), soit la scintillométrie à deux longueurs d'onde. Les résultats sont comparés avec ceux de la méthode de référence à l'échelle locale (~ ha), la covariance des tourbillons, réalisée à partir d'un quai flottant. La méthode de scintillométrie repose sur deux couples d'émetteurs/récepteurs installés de part et d'autre du réservoir Romaine-2 et émettant deux faisceaux situés pour l'un dans l'infrarouge et pour l'autre dans le domaine des micro-ondes, sur une distance de 1745 m et à une hauteur approximative de 10 m au-dessus de la surface du plan d'eau. Les résultats révèlent une concordance acceptable des flux de chaleur sensible, mais moins probante quant aux flux de chaleur latente qui sont surestimés par rapport à la méthode locale de covariance des tourbillons. L'empreinte de mesure plus large des scintillomètres peut expliquer ces différences en captant une plus grande hétérogénéité dans les flux. Enfin, la différence de température eau-air se révèle être un bon indicateur du régime de stabilité et par conséquent de la direction (i.e., signe) du flux de chaleur sensible, initialement mal attribué par la scintillométrie. Pour le deuxième objectif, les variabilités journalière, mensuelle et interannuelle de l'évaporation mesurée à l'échelle locale au-dessus du réservoir Romaine-2 sont quantifiées et analysées. Les résultats montrent un déphasage de 12 heures entre les flux de chaleurs sensible et latente pendant la période d'eau libre. Le flux de chaleur sensible répond avant tout à la différence de température eau-air qui est maximale la nuit et minimale l'après-midi, tandis que le flux de chaleur latente est corrélé à l'énergie apportée par le rayonnement solaire qui est maximale l'après-midi et minimale la nuit. Annuellement, l'évaporation atteint 590 mm en moyenne (minimum de 555 mm, et maximum de 656 mm), ce qui représente environ 51 % de la précipitation annuelle. 84% de l'eau est évaporée entre août et décembre, période pendant laquelle le réservoir largue intensément sa chaleur stockée dans une atmosphère plus froide. L'évaporation annuelle cumulée a dû être corrigée à la hausse par application de la fraction d'énergie perdue sur une année énergétique (aucun stockage net). Pour le troisième objectif, l'évolution temporelle du régime thermique du réservoir est caractérisée par des mesures de profil thermique de la colonne d'eau, à l'aide de deux chaînes de thermistors, et ce entre juin 2018 et juin 2022. Les données de turbinage offrent la possibilité de quantifier le bilan hydrique du réservoir ainsi que le bilan d'énergie complet associé. Les résultats montrent que les couches supérieures affichent des décalages d'amplitudes thermique et temporel avec les couches plus profondes. La variabilité interannuelle de la thermocline reste faible, mais sa profondeur et son gradient thermique varient en fonction du niveau d'eau et du turbinage. Le bilan hydrique est dominé en entrée et en sortie par les débits turbinés (61.4% du réservoir amont et 88.0% via la centrale en aval), tandis que le bilan d'énergie est principalement gouverné en entrée par le rayonnement net (62.3%) et en sortie dans les mêmes proportions par les flux de chaleurs sensible et latente (41.2%) et le débit sortant du réservoir (37.4%). Cette thèse offre donc une analyse méthodique et structurée de résultats obtenus sur une longue période de campagne en milieu éloigné, sur la base de méthodes de mesure peu usitées jusqu'alors dans une région climatique parfois hostile d'un réservoir hydroélectrique en milieu boréal côtier, la basse Côte Nord du Québec. / Reservoirs are water retention structures that support a wide range of human activities such as power generation, drinking water, irrigation, navigation, etc. The eastern part of the Canadian boreal region has a significant amount of hydroelectric reservoirs. The current context of climate change strongly affects these ecosystems and thus modifies regional hydrology and climatology through the exchange of water, energy and greenhouse gases (carbon dioxide, methane, water vapour) with the atmosphere. Among these exchanges, evaporation, an essential component of climate and hydrological models, remains difficult to estimate to this day. The water balance of a reservoir represents the balance between incoming and outgoing mass flows, and allows to anticipate the evolution of the volumes of water available to support the different anthropic uses. It is composed of lateral and upstream inflows and outlet flows (i.e. spillway and turbine), precipitation and evaporation, which together can vary the volume of water stored. Through evaporation, the energy balance of a reservoir is coupled to the water balance, which motivates its study. The energy balance of a reservoir compares advective, turbulent (sensible and latent) and net radiation heat fluxes. Although many studies have analysed and quantified the energy balance of water bodies, there are still gaps. Indeed, few of them have been carried out on hydroelectric reservoirs, especially in boreal zones. Moreover, when available, the observations generally have limited spatial and temporal scope. The main objective of this thesis is to overcome these shortcomings by analyzing the water-atmosphere exchanges of a deep hydroelectric reservoir at several spatial (local ~ ha; regional ~ km²) and temporal (daily, monthly and annual) scales, and then quantifying the mass and energy balances by including the advective exchanges related to the reservoir turbining. Our experimental approach is based on a measurement campaign carried out on the Romaine-2 reservoir (50.68°N, 63.25°W), operated by Hydro-Québec since 2015, located at 243 m altitude in Quebec, Canada. The reservoir has an average depth of 44 m and a maximum depth of 101 m, a maximum surface area of 85.6 km² with a maximum tidal range of 17 m. Two flux towers measuring the thermal energy balance were deployed from June 2018 to June 2022, one on the shore and the second on a floating raft anchored to the bottom of the reservoir and deployed during the open water period each year. The main objective of the thesis is broken down divided into three specific objectives. The first objective is to evaluate the applicability on a water body of a recent method for measuring turbulent flows on a regional scale (~ km²), i.e. two-wavelength scintillometry. The scintillometry method is based on two transmitter/receiver installed on either side of the Romaine-2 reservoir and emitting two beams, one in the infrared and the other in the microwave bands, over a distance of 1745 m and at a height of approximately 10 m above the water surface. The results show acceptable agreement for sensible heat fluxes, but less agreement for latent heat fluxes which are overestimated compared to the local eddy covariance method. The larger footprint of the scintillometers may explain these differences by capturing greater heterogeneity in the fluxes. Finally, the water-air temperature difference turns out to be a good indicator of the stability regime and therefore of the direction (i.e., sign) of the sensible heat flux, initially poorly assigned by scintillometry. For the second objective, the daily, monthly and interannual variabilities of evaporation measured at the local scale above the Romaine-2 reservoir are quantified and analysed. Results show a 12-hour phase shift between sensible and latent heat fluxes during the open water period. The sensible heat flux responds primarily to the water–air temperature difference which is maximum at night and minimum in the afternoon, while the latent heat flux is related to the energy provided by solar radiation which is maximum in the afternoon and minimum at night. Annually, evaporation averages 590 mm (minimum and maximum 555 mm and 656 mm respectively), which represents about 51% of the annual precipitation. 84% of the water is evaporated between August and December, when the reservoir intensively releases its stored heat into a colder atmosphere. The annual cumulative evaporation is then corrected upwards by considering the ratio of the energy budget over an energy year (no net storage). As a third objective, the temporal trends of the reservoir thermal regime is characterized by thermal profile measurements of the water column using two thermistors chains, between June 2018 and June 2022. The turbining data provides the opportunity to quantify the water budget of the reservoir and the associated full energy budget. Results show that there are temporal thermal amplitude lags between the surface and the deeper layers. The interannual variability of the thermocline remains small, but the depth and thermal gradient vary with water level and turbining. The water budget is dominated at the inlet and outlet by the turbined flows (61.4% from the upstream reservoir and 88.0% via the downstream power station), while the energy budget is mainly governed at the inlet by net radiation (62.3%) and at the outlet by both the sensible and latent heat fluxes (41.2%) and reservoir flow (37.4%). Ultimately, this thesis provides a methodical and structured analysis of results obtained over a long period of fieldwork in a remote environment. It is based on measurement technics that have not been widely used up to now in a hostile climatic region of a coastal boreal hydroelectric reservoir, the lower Côte Nord of Québec.