L'érosion fluviatile par abrasion joue un rôle prépondérant dans l'évolution du paysage, notamment en contexte orogénique dans les rivières à fond rocheux. Le but de cette thèse est de démontrer qu'une étude intégrée des processus d'abrasion (petite échelle et courte période se temps) est possible sur le terrain à condition de bien contraindre « l'environnement érosif », c'est-à-dire : (1) les caractéristiques des flux d'eau (fréquence des crues, modélisation des écoulement dans le chenal) et des flux de sédiment (volume de sédiments transporté, granulométrie) ; (2) la résistance mécanique à l'érosion des roches du substrat. L'autre point essentiel est naturellement la mesure de l'érosion in situ qui nécessite la conception d'outils originaux. <br />Au travers des plis de l'avant pays himalayen que nous avons choisis comme « laboratoire naturel », dans les Siwaliks du Népal Central, l'abrasion fluviatile annuelle a atteint localement plusieurs millimètres voire dizaines de millimètres en 2006. Nous proposons un modèle simple intégrant les caractéristiques des flux et les l'érodabilités des roches permettant de reproduire assez fidèlement les valeurs d'érosion mesurées sur le terrain (à l'échelle d'une section de chenal). Ce mémoire est également l'occasion d'avancées méthodologiques, notamment sur la mesure indirecte de la charge de fond (granulométrie sur image des séries conglomératiques, désagrégation des grès) et sur la mesure de « l'érodabilité » des roches directement sur le terrain grâce au rebond du marteau de Schmidt. Nous présentons enfin de nouveaux dispositifs autonomes de mesure en continu dont un « capteur d'érosion » très prometteur.

This study is aimed at investigating the feasibility of using the radiometric technique as an alternative to traditional methods for determining soil physico-chemical parameters which are important for terroir characterization. In-situ and ex-situ radiometric analyses of soil from three vineyard blocks of Simonsig Wine Estate in the Stellenbosch district (Western Cape, South Africa) were studied. A mobile MEDUSA gamma-ray detection system comprising a CsI(Na) crystal (length 15 cm, diameter 7 cm) and associated electronics mounted on a portable trolley were used for partial terroir characterisation. Thereafter activity concentrations of 40K, 232Th series and 238U series in soil (top ~30 cm) from the measured MEDUSA spectra (0 – 3 MeV) were extracted by means of the full-spectrum analysis (FSA) method. A lead-shielded HPGe detector was used for analyzing collected soil samples while soil physico-chemical parameters were analysed using standard methods at research and commercial laboratories.

This study is aimed at investigating the feasibility of using the radiometric technique as an alternative to traditional methods for determining soil physico-chemical parameters which are important for terroir characterization. In-situ and ex-situ radiometric analyses of soil from three vineyard blocks of Simonsig Wine Estate in the Stellenbosch district (Western Cape, South Africa) were studied. A mobile MEDUSA gamma-ray detection system comprising a CsI(Na) crystal (length 15 cm, diameter 7 cm) and associated electronics mounted on a portable trolley were used for partial terroir characterisation. Thereafter activity concentrations of 40K, 232Th series and 238U series in soil (top ~30 cm) from the measured MEDUSA spectra (0 – 3 MeV) were extracted by means of the full-spectrum analysis (FSA) method. A lead-shielded HPGe detector was used for analyzing collected soil samples while soil physico-chemical parameters were analysed using standard methods at research and commercial laboratories.

In the past couple of decades, the discovery that iron is a limiting nutrient in large regions of the ocean has spurred much research into characterizing the biogeochemical controls on iron cycling. While Fe(II) is soluble at circumneutral pH, it readily oxidizes to Fe(III) in the presence of oxygen. Fe(III) is highly insoluble at circumneutral pH, presenting organisms with a bioavailability paradox stemming from the physiological challenge of using a solid phase mineral for assimilatory or dissimilatory purposes. Interestingly, dissolved organic-Fe(III) complexes can be stable in seawater in the presence of oxygen, and an active flux of these complexes has recently been measured in estuarine sediments. Their sources and biogeochemical role, however, remain poorly understood. In this work, a suite of field and laboratory techniques were developed to quantify diagenetic processes involved in the remineralization of carbon in marine sediments in situ, investigate the role of these organic-Fe(III) complexes in sediment biogeochemistry, and characterize the composition of the ligands possibly involved in the solubilization of Fe(III) in marine sediments. The first-of-its-kind in situ electrochemical analyzer and HPLC was used to better constrain diagenetic processes that may lead to the formation of dissolved organic-Fe(III) complexes in the Altamaha estuary and Carolina slope. An intensive study of the Satilla River estuary reveals that dissimilatory iron-reduction contributes to the formation of sedimentary organic-Fe(III) complexes, which are demonstrated to serve as an electron acceptor in subsequent incubations with a model iron-reducing microorganism. Similar observations in deep-sea slope and abyssal plain sediments fed by the Mississippi and Congo Rivers suggest that dissimilatory iron reduction may represent an important component of carbon remineralization in river-dominated ocean margin sediments that may be currently underestimated globally. To confirm that these organic-Fe(III) complexes are produced during microbial iron reduction, novel separation schemes were developed to extract and identify Fe(III)-binding ligands from sediment pore waters. Preliminary results reveal the presence of a few select low-molecular weight compounds in all pore waters extracted, suggesting they might be endogenous ligands secreted by iron-reducing bacteria to non-reductively dissolve Fe(III) minerals prior to reduction.

La présence des particules d’aérosols dans l’atmosphère influencent le bilan radiatif de notre planète et ainsi son équilibre climatique. Selon les différents mécanismes d’émission et processus de transports atmosphériques, les aérosols peuvent être entrainés dans la troposphère libre et ainsi y résider pendant plusieurs semaines. Les contributions optiques et radiatives des aérosols de troposphère libre par rapport à celles de la colonne atmosphérique sont encore mal évaluées du fait de la difficulté d’accès et du manque de mesures sur de longues périodes. Ces travaux de thèse se sont donc appuyés sur deux sites d’altitude présentant des topographies adéquates pour l’analyse des aérosols de troposphère libre : le site ACTRIS/GAW du puy de Dôme (PUY, 1 465 m, France) et le site ACTRIS/GAW de Chacaltaya (CHC, 5 240 m, Bolivie). Ces deux sites disposent d’un large jeu de données in-situ et de télédétection. Les résultats montrent ainsi l’importance de la prise en compte de la structure verticale de l’atmosphère et de l’effet de l’humidité sur les propriétés des aérosols dans l’analyse des mesures. Pour la première fois à notre connaissance, l’utilisation de ces techniques instrumentales depuis la station de mesures météorologiques la plus haute du monde (Chacaltaya) a permis d’établir les propriétés optiques des aérosols dans cette région largement influencée par la ville de La Paz et par les émissions de la forêt amazonienne. Les résultats montrent que l’influence des feux de forêt amazoniens à la fin de la saison sèche peut accroitre les propriétés optiques de l’aérosol à cette altitude d’un facteur de 3,5 en moyenne et celles de la troposphère libre de 28 à 80%. La station est d’ailleurs régulièrement influencée par les conditions de la troposphère libre (30% du temps en journée et 60% la nuit). Ce manuscrit présente également des méthodes originales pour la détermination des contributions optiques et radiatives des aérosols de troposphère libre avec l’utilisation conjointe des mesures in-situ, photométriques et LIDAR. Les résultats établissent ainsi des contributions optiques de la troposphère libre au-dessus du puy de Dôme variant de 20%en hiver à 80% en été en moyenne. L’utilisation du modèle de transfert radiatif SBDART permet d’évaluer les contributions radiatives correspondantes qui oscillent entre 13 et 40% pour les courtes longueurs d’onde, soit des forçages radiatifs de -1 W.m-2 à -10 W.m-2. Les différentes sources d’aérosols en surface influencent donc fortement la composition de la troposphère libre, qu’il est alors nécessaire de prendre en compte dans le bilan radiatif global de notre planète. / Atmospheric aerosols impact the earth radiative budget and its climate. Depending on their emission mechanisms and atmospheric transport processes, aerosols can be injected into the free tropophere where their lifetime is increased to up to several weeks. Optical and radiative properties of free tropospheric aerosols are still poorly known because of the difficulties to access high altitudes over long periods of time. The present work is based on two high altitude sites measurements: the ACTRIS/GAW station of puy de Dôme (PUY, 1 465 m, France) and the ACTRIS/GAW station of Chacaltaya (CHC, 5 240 m, Bolivia). These two sites are equipped with a unique set of both in-situ and remote sensing measurements. Results first show the importance of taking into account the vertical atmospheric structure and the hygroscopic properties of aerosols when combining in situ and remote sensing measurements. Measurements from the highest atmospheric station in the world (Chacaltaya), provide for the first time to our knowledge, the aerosol optical properties from this region of the world, segregated into mixing layer aerosols and free tropospheric aerosols.The site is both influenced by anthropogenic emissions from the nearby city, La Paz and pristine emissions from the Amazonian forest. From these measurements, we observe that biomass burning emissions can increase column aerosol optical properties by an average factor of 3,5 and the free tropospheric aerosol optical properties between 28 and 80%. The station is regularly influenced by free tropospheric conditions (30% of the time during daytime and 60% during nighttime). This manuscript is also presenting original methods for retrieving the optical and radiative aerosol contributions from the free tropospheric layer to the total atmospheric column using a combination of in-situ, photometric and LIDAR measurements. Results show that free tropospheric contributions above puy de Dôme station vary from 20% during winter to 80% during summer. The use of the radiative transfer model SBDART allows to evaluate the corresponding shortwave radiative contributions of free tropospheric aerosols between 13 and 40% (between -1 and -10 W.m-2). Thus, the different surface aerosol emissions influence significantly the free tropospheric composition which is essential for radiative budget determination.

La partie centrale de la chaîne himalayenne présente d’importantes hétérogénéités, en particulier en termes de topographie et de climatologie. La caractérisation des processus hydro-climatiques dans cette région est limitée par le manque de descriptif des milieux. La variabilité locale est alors difficilement représentée par les modélisations mises en œuvre à une échelle régionale.L’approche proposée dans ce travail est de caractériser les systèmes hydro-climatiques à l’échelle locale pour réduire les incertitudes liées à l’hétérogénéité du milieu. L’intégration de données localement précises est testée pour la modélisation de bassins versants peu instrumentés et fortement hétérogènes.Deux sous-bassins du bassin de la Dudh Koshi (Népal) sont utilisés comme échantillons représentatifs des milieux de haute et moyenne montagne, hors contribution glaciaire. Le schéma de surface ISBA est appliqué à la simulation des réponses hydrologiques des types de surface décrits à partir d’observations de terrain. Des mesures de propriétés physiques des sols sont intégrées pour préciser la paramétrisation des surfaces dans le modèle. Les données climatiques nécessaires sont interpolées à partir des observations in situ disponibles. Une approche non déterministe est appliquée pour quantifier les incertitudes liées à l’influence de la topographie sur les précipitations, ainsi que leur propagation aux variables simulées. Enfin, les incertitudes liées à la structure des modèles sont évaluées à l’échelle locale à travers la comparaison des paramétrisations et des résultats de simulation obtenus d'une part avec le schéma de surface ISBA, couplé à un module de routage à réservoir et d'autre part avec le modèle hydrologique J2000. / The central part of the Hindukush-Himalaya region presents tremendous heterogeneity, in particular in terms of topography and climatology. The representation of hydro-climatic processes for Himalayan catchments is limited due to a lack of knowledge regarding their hydrological behavior. Local variability is thus difficult to characterize based on modeling studies done at a regional scale. The proposed approach is to characterize hydro-climatic systems at the local scale to reduce uncertainties associated with environmental heterogeneity.The integration of locally reliable data is tested to model sparsely instrumented, highly heterogeneous catchments. Two sub-catchments of the Dudh Koshi River basin (Nepal) are used as representative samples of high and mid-mountain environments, with no glacier contribution. The ISBA surface scheme is applied to simulate hydrological responses of the surfaces that are described based on in-situ observations. Measurements of physical properties of soils are integrated to precise surface parametrization in the model. Necessary climatic data is interpolated based on available in-situ measurements. A non deterministic approach is applied to quantify uncertainties associated with the effect of topography on precipitation and their propagation through the modeling chain. Finally, uncertainties associated with model structure are estimated at the local scale by comparing simulation methods and results obtained on the one hand with the ISBA model, coupled with a reservoir routing module, and on the other hand, with the J2000 hydrological model.

La thèse s'inscrit dans un projet de recherche national (ANR Primaterre) qui a pour but d'étudier les performances (mécaniques et thermiques) réelles des matériaux de construction premiers à faible énergie grise que sont la terre crue et la limousinerie.Le travail de thèse se concentre sur les aspects thermiques et hygrothermiques de la terre crue, c'est-à-dire le couplage entre les transferts de masse d'eau (liquide et vapeur) et de chaleur au sein du matériau. Dans une première partie, une analyse des performances thermiques et hydriques d'une habitation comportant des murs en pisé (terre crue compactée) instrumentés a été réalisée. Cette étude a été complétée par la mesure, en laboratoire, des propriétés thermiques et hydriques du matériau. Le lien entre les paramètres matériaux mesurés et les performances (hygro)-thermiques a été appréhendé à la lumière d'un modèle numérique couplé, adapté aux caractéristiques particulières du matériau. Cette étude a mis en évidence que, de par leur aptitude à stocker puis restituer l'énergie solaire, leur capacité de stockage hydrique et la complexité des transports et changements de phases de l'eau se produisant en leur sein, les murs en terre crue présentent de nombreuses particularités qu'il convient de prendre en compte pour une bonne prédiction de leur impact sur les performances d'une habitation. / The Ph.D. is part of a national research project (ANR Primaterre) aiming at promoting real performances (mechanical and thermal) of primary construction materials with low embodied energy such as raw earth.This work focuses on the thermal and hygrothermal behaviour of rammed earth, i.e. coupled transfers of heat and moisture (liquid water and water vapour) within the material. On the one hand, an evaluation of the thermal and hygric performances of a monitored house with rammed earth walls is provided. This study is completed with laboratory measurements of the thermal and hydric properties of the material. A numerical coupled model, suitable for the specific characteristics of the material, provides a better understanding of the link between the characterization parameters measured and its (hygro)thermal performances. Because of their ability to store and release heat from the sun, their capacity to store moisture and the complexity of the transfers occurring in their pores, earthen walls display many distinctive features that are essential to count for in order to provide an accurate prediction of their impact on the global performances of a building.

Philosophiae Doctor - PhD / This study is aimed at investigating the feasibility of using the radiometric technique as an alternative to traditional methods for determining soil physico-chemical parameters which are important for terroir characterization. In-situ and ex-situ radiometric analyses of soil from three vineyard blocks of Simonsig Wine Estate in the Stellenbosch district (Western Cape, South Africa) were studied. A mobile MEDUSA gamma-ray detection system comprising a CsI(Na) crystal (length 15 cm, diameter 7 cm) and associated electronics mounted on a portable trolley were used for partial terroir characterisation. Thereafter activity concentrations of 40K, 232Th series and 238U series in soil (top ~30 cm) from the measured MEDUSA spectra (0 - 3 MeV) were extracted by means of the full-spectrum analysis (FSA) method. A lead-shielded HPGe detector was used for analyzing collected soil samples while soil physico-chemical parameters were analysed using standard methods at research and commercial laboratories. / South Africa

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.

Le littoral sableux du Languedoc-Roussillon est un système vulnérable aux risques d'érosion et de submersion. Ces aléas sont liés à la conjonction des facteurs naturels que sont les vagues, vent, élévation du niveau de la mer et apports sédimentaires et sont donc aggravés en période de tempête. En vue d'une gestion des risques, une meilleure connaissance des phénomènes hydrodynamiques de l'échelle littorale à l'échelle côtière est essentielle. Ce travail a conduit à la réalisation d'une plateforme de modélisation numérique composé du modèle de circulation océanique 3D Symphonie, traditionnellement dédié aux échelles régionales et côtières, qui a été modifié pour inclure le forçage par les vagues, modélisées par les modèles Wavewatch III ou Swan, et ainsi étendre sa validité au littoral.Le modèle a été testé sur des cas académiques littoraux. Des mesures sur la plage à double barres de Sète pendant l'hiver 2008-2009, ont également servi à parfaire le modèle qui reproduit ainsi avec succès les caractéristiques des courants en zone littorale : la dérive, les courants sagittaux sur des bathymétries plus complexes et les profils verticaux des courants. Pour valider le modèle à des échelles plus côtières, nous avons confronté ses résultats à des mesures réalisées pendant une tempête hivernale en 2004 aux alentours de l'embouchure de la Têt, mais également sur des tempêtes de 2007 et 2008 dans le Golfe d'Aigues-Mortes. Les courants sont globalement bien reproduits. Les zones d'action des vagues semblent limitées aux zones de profondeur inférieure à 30 m. Les caractéristiques de notre modèle permet une reproduction des courants à toutes les échelles et sa nature 3D permet un calcul plus précis de la tension de cisaillement de fond et du courant près du fond, responsables respectivement de la mise en suspension et de l'advection des sédiments. / The sandy coasts of Languedoc-Roussillon are a zone vulnerable to erosion and flooding. These hazards are generally associated with a combination of natural factors such as waves, wind, rising sea levels and the importance of sedimentsupply, and are therefore worsened during storms. For the management of such risks, a better knowledge of the hydrodynamic phenomena occuring from the surf zone through to the coastal scale is essential. This need led to the development of a numerical modelling platform consisting of the 3D ocean circulation model Symphonie, usually dedicated to regional and coastal scales, which was modified to include the wave forcing, modeled by the WaveWatch III or Swan models. Using this platform the entire littoral and coastal regions can be accurately represented.The model was tested in several academic cases. Measurements on the barred beach of Sète during the winter of 2008-2009 served to refine the model, which is able to successfully reproduce the characteristics of the currents in coastal areas, drifts or rip currents over more complex bathymetries and also the vertical profiles of currents. To validate the model on the inner-shelf, we compared the simulations with measurements taken during a winter storm in 2004 around the mouth of the Têt river, as well as during storms in 2007 and 2008 in the Gulf of Aigues-Mortes. Currents are generally well reproduced. However, the scope of wave action seems limited to a depth of 30m. The characteristics of our model allow a reproduction of the currents at all scales and the 3D nature of the model permits a more precise calculation of the shear stress and bottom current responsible, respectively, for the suspension and advection of sediments.