Freshwater lakes provide many important ecosystem functions and services to support biodiversity and human well-being. Proximal and remote sensing methods represent an efficient approach to derive water quality indicators such as optically active substances (OAS). Measurements of above-ground remote and in situ proximal sensors, however, are limited to observations of the uppermost water layer. We tested a hyperspectral imaging system, customized for underwater applications, with the aim to assess concentrations of chlorophyll a (CHLa) and colored dissolved organic matter (CDOM) in the water columns of four freshwater lakes with different trophic conditions in Central Germany. We established a measurement protocol that allowed consistent reflectance retrievals at multiple depths within the water column independent of ambient illumination conditions. Imaging information from the camera proved beneficial for an optimized extraction of spectral information since low signal areas in the sensor’s field of view, e.g., due to non-uniform illumination, and other interfering elements, could be removed from the measured reflectance signal for each layer. Predictive hyperspectral models, based on the 470 nm–850 nm reflectance signal, yielded estimates of both water quality parameters (R² = 0.94, RMSE = 8.9 µg L−1 for CHLa; R² = 0.75, RMSE = 0.22 m−1 for CDOM) that were more accurate than commonly applied waveband indices (R² = 0.83, RMSE = 13.2 µg L−1 for CHLa; R² = 0.66, RMSE = 0.25 m−1 for CDOM). Underwater hyperspectral imaging could thus facilitate future water monitoring efforts through the acquisition of consistent spectral reflectance measurements or derived water quality parameters along the water column, which has the potential to improve the link between above-surface proximal and remote sensing observations and in situ point-based water probe measurements for ground truthing or to resolve the vertical distribution of OAS.

Le long des littoraux sableux tels que la côte Aquitaine, les vagues et principalement les courants moyens induits par celles-ci jouent un rôle majeur dans l’évolution morphologique des plages. Que ce soit d’un point de vue socio-économique (aménagement des plages, protection de l’environnement) ou sécuritaire (noyade), comprendre la dynamique de tels environnements est devenu un réel enjeu scienti?que ces dernières années. Le développement d’une plateforme de modélisation morphodynamique opérationnelle a été menée au cours de cette thèse. Ce modèle est basé sur le couplage du modèle spectral de houle SWAN (Delft University of Technology) avec le modèle MARS 2DH (Ifremer), initialement conçu pour calculer les courants induits par la marée et les vents. Après avoir ajouté les phénomènes liés à la houle, un modèle sédimentaire a été développé pour estimer les évolutions morphodynamiques. La campagne de mesures Biscarrosse-PréECORS menée en juin 2007 sur la plage de Biscarrosse a permis de valider le modèle pour une large gamme d’état de mer. Le modèle a montré son e?cacité et sa robustesse pour décrire les courants et des circulations induites par les vagues au dessus de fortes hétérogénéités bathymétriques. Nous avons mis en évidence la forte modulation tidale des courants sagittaux qui sont intenses même pour de faibles conditions de vagues. La plateforme de modélisation morphodynamique a permis d’analyser la formation et le développement de morphologies tridimensionnelles rythmiques pour des systèmes simple et double barre. Pour les environnements à double barre comme la côte Aquitaine, l’intense couplage morphologique entre la barre externe et la barre interne a été étudié en réponse aux conditions de forçages. Nous avons mis en évidence l’in?uence de la marée sur la croissance des barres et révélé la corrélation existant entre croissance des barres et dissipation d’énergie des vagues sur les barres. Cette thèse a abouti au développement d’un modèle complet permettant d’appréhender la dynamique des environnements littoraux sableux. / Along many sandy environments as the Aquitanian Coast, waves and wave-induced currents play a key role on the beach morphodynamics. Within a socio-economic (human interventions, natural environment protection) and touristic (human safety) framework, understand the complex dynamics of these systems is a real scienti?c challenge these last decades. The development of an operational morphodynamical modeling platform was performed during this PhD thesis. The modeling strategy consists in coupling the spectral wave model SWAN (Delft Univer- sity of Technology) with the non-linear shallow water model MARS 2DH (Ifremer). The MARS model was initially designed to compute tide- and wind-induced currents. Thus, the wave processes and a sed- imentary unit were implemented inside MARS to compute morphological evolutions of wave-dominated sandy beached. The Biscarrosse-PréECORS ?eld experiment carried out in June 2007 at Biscarrosse Beach was used to validate our modeling platform for a large range of o?shore wave conditions. Results have proved the e?ciency and the robustness of our model to calculate wave-induced currents and circulations over alongshore non-uniformities. The strong tidal modulation of currents and the intense rip currents for low-energy conditions were highlighted. The morphodynamical modeling platform was also used to analyze the generation and the development of rhythmic three-dimensional morphologies for one- and double-barred systems. For double-barred en- vironments, the intense morphological coupling between the inner and outer bar was studied in the response of wave and tide forcing. We have highlighted the in?uence of the tide on the bar growth and showed the correlation between the growth and the wave dissipation over the bar. This thesis has succeeded in the development of a complete model for understanding the dynamics of sandy coastal environments.

Noise has become a main nuisance in urban areas to the point that according to the World Health Organization 40% of the European population is exposed to excessive noise levels, mainly due to ground transportation. There is therefore a need to find new ways to mitigate noise in urban areas. In this work, a possible device to achieve this goal is studied: a low-height noise barrier. It consists of a barrier typically less than one meter high placed close to a source, designed to decrease the noise level for nearby pedestrians and cyclists. This type of device is studied both numerically and experimentally. Tramway noise barriers are especially studied since the noise sources are in this case very close to the ground and can therefore be attenuated efficiently. The shape and the surface treatment of the barrier are optimized using a gradient-based method coupled to a 2D boundary element method (BEM). The optimization variables are the node coordinates of a control mesh and the parameters describing the surface impedance. Sensitivities are calculated efficiently using the adjoint state approach. Numerical results show that the shapes generated by the optimization algorithm tend to be quite irregular but provide a significant improvement of more than 5 dB(A) compared to simpler shapes. Utilizing an absorbing treatment on the source side of the barrier is shown to be efficient as well. This second point has been con firmed by scale model measurements. In addition, a full scale low height noise barrier prototype has been built and tested in situ close to a tramway track in Grenoble. Measurements show that the device provides more than 10 dB(A) of attenuation for a close receiver located at the typical height of human ears. These results therefore seem to con rm the applicability of such protections to efficiently decrease noise exposure in urban areas.

Le fonctionnement hydrologique des petits bassins versants ruraux de quelques km² à régime intermittent est complexe car de nombreux processus affectent le cheminement des eaux de surface. Il en résulte une variabilité de la densité de drainage et de la dynamique de l'écoulement au sein du réseau hydrographique. Cette dynamique de fonctionnement est peu prise en considération du fait des difficultés d'ordres techniques et économiques pour suffisamment observer les mouvements de l'eau à la surface. Or, c'est une information essentielle pour décrire la connectivité hydrologique du bassin qui représente la distribution spatiale et temporelle des surfaces contributives à l'écoulement par leur connexion au réseau de drainage. De telles connaissances seraient utiles pour traiter la question de la séparation entre production et transfert effectuée dans les modèles hydrologiques, avec la perspective de proposer des simulations plus justes physiquement. L'objectif de la thèse est de proposer des approches spatiales pour mieux intégrer la dynamique de fonctionnement du réseau de drainage en lien étroit avec la réponse hydrologique du bassin. Le Mercier (7 km²) est le site expérimental situé en tête du bassin versant de l'Yzeron (142 km²) localisé à l'ouest de l'agglomération lyonnaise. Ce bassin sur socle cristallin est composé essentiellement de surfaces agricoles et de forêts. Son fonctionnement hydrologique est affecté par l'existence de zones humides contributives. Un réseau de routes et de fossés anthropiques s'ajoute aux talwegs naturels. Les méthodes développées relèvent de deux approches : (1) la microtopographie issue d'un MNT LiDAR (Light Detection and Ranging) permet d'identifier et décrire des extensions fonctionnelles du réseau de drainage d'une part au niveau des linéaires artificiels avec un apport minimal de données externes, et d'autre part au niveau des talwegs naturels en distinguant la présence ou l'absence d'un chenal de drainage, signe d'un potentiel d'écoulement concentré. (2) Un dispositif de 18 capteurs limnimétriques est mis en œuvre pour assurer un suivi permanent de la réponse hydrologique par emboitement de stations au sein du réseau hydrographique. Cette observation « multi-locale » permet de mesurer l'évolution de la densité de drainage, d'identifier localement la hiérarchie des facteurs qui affectent la réponse et de distinguer différentes dynamiques de transfert dans le réseau de drainage. Les résultats des approches par la microtopographie et par observations multi-locales aident à identifier des régions du bassin au comportement différent. Ils permettent notamment de mieux comprendre les interrelations entre occupation du sol et processus hydrologiques, voire géomorphologie et processus. Ces résultats valident donc l'intérêt du capteur LiDAR et celui d'un dispositif in situ souple et adaptable pour proposer un « pattern de drainage » réaliste en limitant le recours au terrain. Enfin, ce pattern décrivant la tendance d'organisation spatiale des écoulements, est paramétré dans une fonction de transfert géomorphologique calculée sur la base des cheminements fournis par un MNT. L'usage de cet outil constitue une ébauche mais conforte l'idée d'un couplage entre le pattern de drainage et la réponse du bassin versant dans des conditions d'intensité pluvieuse soutenue et d'humidité modérée pour expliquer la réponse rapide du bassin. L'ensemble des résultats justifie donc la mise en avant de la nature transitoire du réseau de drainage pour paramétrer des modèles spatialisés avec la perspective d'améliorer leurs capacités prédictives. / Hydrological functioning of small temporary catchments depends on several processes governing transfer from surface water paths. As a result flow dynamics and drainage density are highly variable in space and time. But this complex dynamic is not enough taken into account because of technical and economical limitations. However, it is essential to describe hydrological connectivity as a spatial and temporal pattern of contributive areas to the drainage network. Get this pattern may facilitate the conceptual distinction between production and transfer functions to improve spatially distributed models. The aim of the study is to develop methods to describe spatial and temporal patterns of the drainage network in relation to catchment hydrological responses. The Mercier headwater catchment (7 km²) is located into the Yzeron catchment near Lyon (France). The land use is principally composed of agricultural plots and forested areas. The hydrographical network consists of natural thalwegs and many roadside ditches and agrarian ditches. Both approaches are developed for this purpose: first, the micro-topography from a LiDAR DEM helps to describe potential flow lengths from drainage network extensions during rainfall events. On the one hand, main artificial ditches are mapped from the DEM with minimal corrections from ancillary data. On the other hand, channelized or unchannelized reaches are located from the DEM into the natural thalwegs. Second, a water level sensor device is set up to record hydrological response from 18 stations located in nested sub-catchments into the hydrological network. These synoptic measurements are used to estimate temporal changes in drainage density, to analyze local hydrological functioning, or to describe flood propagation to the outlet. Results from both approaches lead to the identification of specific behaviors inside the hydrological network controlled by functional thresholds. These patterns help to better understand the relationship between land use and hydrological processes. The results also show the interest of LiDAR DEM and the suitability of adaptable distributed measurements as a substitute to heavy in situ studies for the identification of drainage patterns. Finally, to test the assumption of a gradual drainage network extension during a rainfall event, a simplified drainage pattern is processed into a geomorphological transfer function. This tool is fairly easy to set and is used to initiate an association between local hydrological knowledge and global catchment response. Both approaches lead to conclude that various drainage pattern must be integrated into spatially distributed models according to hydrological conditions, rather than a single hydrological network.

En Europe, le secteur du bâtiment est le plus énergivore et représente environ 40 % de l’énergie totale consommée. A court terme, la façon la plus efficace de baisser cette consommation est de réduire les déperditions thermiques à travers l’enveloppe du bâtiment en augmentant son isolation thermique, tout en minimisant la perte de surface habitable. Dans ce contexte, les travaux de thèse portent sur l’étude et la mise au point pour pré-industrialisation de matériaux super-isolants composites à base d'aérogel de silice. Le matériau composite étudié fait partie de la famille des blankets aérogels et est obtenu via un procédé de séchage ambiant innovant. Grâce à leur faible conductivité thermique et leurs propriétés mécaniques renforcées, les blankets aérogels sont d’un grand intérêt pour l’isolation thermique qui nécessite de fines épaisseurs d’isolants. Les travaux de thèse visent dans un premier temps à effectuer une analyse des propriétés thermophysiques des blankets aérogels étudiés à la sortie du moule de fabrication et vis-à-vis de leur mise en œuvre lorsqu’ils sont soumis à différentes sollicitations (mécaniques, hygriques ...). Des travaux de modélisation du transfert de chaleur dans le blanket aérogel sont développés afin d’étudier les relations entre le transfert thermique et les paramètres morphologiques du matériau. Dans un second temps, les travaux de thèse portent sur l’étude des performances à attendre d’un système d’isolation basé sur le blanket aérogel mis en œuvre sur un bâtiment, à la fois par l’analyse du comportement thermique d’une cellule test en climat réel, ainsi que par la conduite de simulations numériques de bâtiments prenant en compte plusieurs techniques constructives, configurations de murs, et ce, pour plusieurs climats européens. Les résultats obtenus montrent que les blankets aérogels étudiés ont une très faible conductivité thermique –0,016 W.m-1.K-1– et ont un fort potentiel d’application dans l’isolation thermique du bâtiment. / Buildings are the largest energy end-use sector and account for about 40 % of the total final energy consumption in the EU-28. A short-term strategy to efficiently reduce this consumption is to decrease thermal losses through the building envelope by improving its thermal insulation, while minimizing the reduction of the available indoor living space. In this context, the thesis deals with the study and development for pre-industrialization of super-insulating composite materials based on silica aerogel. The studied material is part of the aerogel blanket family and is obtained by an innovative ambient drying process. With a very low thermal conductivity and reinforced mechanical properties, aerogel blankets are of great interest for applications where they can offer a cost advantage due to a space-saving effect. Firstly, the thesis work aims at performing analyses of the thermo-physical properties of the studied aerogel blankets at the exit of the molding and drying processes, and during application, when they are subjected to different environmental stresses (mechanical, hygric …). Heat transfer modeling is developed to study the relationship between the morphological parameters of the material and thermal transfer within it. Secondly, the thesis work focuses on the study of the expected performances of an insulating system based on the aerogel blanket, by the study of the thermal behavior of an experimental building monitored under actual climate, as well as the use of whole building energy numerical simulations taking into account several constructive techniques, different wall configurations, for various European climates. The results obtained show that the aerogel blankets studied have a thermal conductivity as low as 0.016 W.m-1.K-1 and have promising applications for building thermal insulation needs.

Die Urbanisierung und Ausbreitung von Siedlungsgebieten führt unweigerlich zur Beeinträchtigung der daran angrenzenden Ökosysteme. Haupteinflussfaktoren sind häufig Abwassereinleitungen bzw. Entlastungen, die eine stoffliche und hydraulische Belastung für natürliche Lebensräume darstellen. Um diese zu begrenzen und betroffene Ökosysteme besser zu schützen, ist die Kenntnis der im Abwasser transportierten Inhaltsstoffe von entscheidender Bedeutung. Ziel der Arbeit war es daher, das Systemverständnis der Abwasserzusammensetzung über die Standard-Analyseparameter hinaus zu erweitern, durch den Einsatz von in situ UV-/Vis-Messtechnik ergänzt durch die Bestimmung pharmazeutischer Spurenstoffe. Der einfache lineare Kalibrieransatz zur Beschreibung der Abflussbedingungen Trocken- und Allwetter im Mischwasserkanal wurde durch das ODR-Verfahren (Ordinary Distance Regression) ergänzt, um die Varianzhomogenität der zugrundeliegenden Messdaten zu berücksichtigen und präzisere Abschätzungen zu liefern. Neben der Kalibrierung für die Parameter TSGes, oTSGes, CSBGes, CSBmf, TOC und DOC erfolgte zusätzlich die Beschreibung der Fraktion feiner Partikel von 0,45 µm bis 63 µm als TS63 und oTS63, da diese als Träger von Schadstoffen fungieren und ein Nachweis durch das DWA-A 102 gefordert wird. Für die insgesamt 16 Kalibrierungen wurden die Wellenlängen 230nm, 300nm und 732,5nm verwendet. Die Bestimmtheitsmaße reichen dabei von 0,43 (TS63 – Allwetter) bis 0,92 (oTS63 – Trockenwetter). Durch zeitlich hochaufgelöste Messungen wurde der Tagesverlauf der Fracht von 12 pharmazeutischen Spurenstoffen des häuslichen Schmutzwasserabflusses bestimmt. Der Verlauf zeigt insbesondere für Clarithromycin, Gabapentin und Metoprolol einen wiederkehrenden Tagesgang im Schwankungsbereich des 1,5- bis 4-fachen der mittleren Tagesfracht, wobei weitere Stoffe um das 1,5- (Clarithromycin) bis 5-fache (Pregabalin, Telmisartan) der mittleren Tagesfracht schwanken. Für die untersuchten pharmazeutischen Spurenstoffe Citalopram (Rohprobe: 28%, <63µm: 21%) und Telmisartan (Rohprobe: 22%, <63µm: 27%) konnten Anhaftungen an den Feststoffen nachgewiesen werden. Diese fanden vorrangig an der Fraktion <63µm statt. Eine Korrelation zu den untersuchten nass-chemischen Analyseparametern konnte jedoch nicht hergestellt werden.:Abbildungsverzeichnis v Tabellenverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis xi 1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 Grundlagen 5 2.1 Abwassercharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Herkunft und Anfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Beschaffenheit und Beschreibung von Summenparametern . . . . . . 7 2.2 Feststoffe im Kanalsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Auswirkung von Niederschlagsabflüssen in Mischwasserkanälen . . . . 9 2.2.2 Feinfraktion TS63 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Optische Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.2 Störeinflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.3 Anwendung zur Beschreibung von Abwasserparametern . . . . . . . . 16 2.3.4 Verfahren zur Kalibrierung von Online-Spektrophotometern . . . . . 18 2.4 Pharmazeutische Spurenstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4.1 Relevante Kinetik und Ausscheidungswege . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4.2 Priorisierung umweltrelevanter Arzneimittel . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.3 Feststoffaffinität & Sorptionspotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.4 Bewertung und Beschreibung ausgewählter Stoffe . . . . . . . . . . . 24 3 Material 33 3.1 Einzugsgebiet der Messstation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 iii Inhaltsverzeichnis 3.2 Equipment im Messstationsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Online-Spektrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.2 Probenehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.3 Durchfluss- und Füllstandsmessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3 Aufbau und Anordnung des Messequipments . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4 Methode 41 4.1 Datenerhebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.1.1 Probenahmekonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.1.2 Probengewinnung am Standort MS 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.1.3 Durchführung der nass-chemischen Analysen . . . . . . . . . . . . . . 44 4.2 Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2.1 Datenvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2.2 Interquartilsabstand (IQR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2.3 Gradientenfilterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2.4 Glättung mittels LOWESS und gleitendem Mittelwert . . . . . . . . 48 4.3 Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.3.1 Lineare Einfachregression (OLS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.3.2 Orthogonale Einfachregression (ODR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.3.3 Bewertung der Modellgüte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.4 Formulierung von Modellunsicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.2 Ermittlungsmethode A der Standardunsicherheit . . . . . . . . . . . 55 4.4.3 Ermittlungsmethode B der Standardunsicherheit . . . . . . . . . . . . 56 4.4.4 Ermittlung der kombinierten Standardunsicherheit . . . . . . . . . . 56 4.4.5 Ermittlung der erweiterten Unsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.5 Pharmazeutische Spurenstoffanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.5.1 Auswahl der Spurenstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.5.2 Bestimmung pharmazeutischer Spurenstoffe . . . . . . . . . . . . . . 58 4.5.3 Berechnung pharmazeutischer Tagesdosen auf Basis gemessener Konzentrationen im Schmutzwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5 Ergebnisse 61 5.1 Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.1.1 Überblick und Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.1.2 Datenvorbereitung des Durchfluss- und Füllstandssignals . . . . . . . 61 5.1.3 Separation von Regenwetterzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.2 Vorbetrachtungen zur Kalibrierung des Spektrophotometers . . . . . . . . . 66 5.3 Ermittlung der geeignetsten Wellenlängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.4 Kalibrierung und Validierung durch Datenaufteilung . . . . . . . . . . . . . 69 5.4.1 Feststoffgehalt gesamt (TSGes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.4.2 Feststoffgehalt < 63 µm (TS63) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.4.3 Weitere Kalibrierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Inhaltsverzeichnis iii 5.5 Vorbetrachtungen der weiterführenden Validierung . . . . . . . . . . . . . . 78 5.5.1 Datenzuordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.5.2 Durchfluss- und Füllstandskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.6 Weiterführende Validierung durch Mischproben . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.6.1 Feststoffgehalt gesamt (TSGes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.6.2 Feststoffgehalt < 63 µm (TS63) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.6.3 Weitere Validierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.7 Pharmazeutische Spurenstoffanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.7.1 Vorbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.7.2 Adsorptionsverhalten im Schmutzwasser . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.7.3 Korrelation zu nass-chemischen Analyseparametern . . . . . . . . . . 91 5.7.4 Tagesgang pharmazeutischer Spurenstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.7.5 Errechnete DDD im Tagesverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6 Diskussion 103 6.1 Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.1.1 Probenvorbereitung und Analyse des TS63 . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.1.2 Datenvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.2 Kalibrierung und Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.2.1 Bewertung der Kalibrierung und Validierung durch Datenaufteilung . 105 6.2.2 Bewertung der weiterführenden Validierung . . . . . . . . . . . . . . 107 6.3 Pharmazeutische Spurenstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7 Schlussfolgerungen und Ausblick 115 Literaturverzeichnis 119 Anhang 135 A Anhang zu Kapitel 4 – Methode 135 A.1 Voruntersuchung zur pharmazeutischen Spurenstoffbestimmung . . . . . . . 135 A.2 Handlungsanweisung zur Probenvorbereitung am ISI . . . . . . . . . . . . . 138 A.3 Angabe der Unsicherheit nach ISO (2008) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 B Anhang zu Kapitel 5 – Ergebnisse 141 B.1 Niederschlagsabflussbeziehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 B.1.1 Auswertung des Durchflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 B.1.2 Auswertung der Fließgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 B.2 Weitere Kalibrierungen und Validierungen durch Datenaufteilung . . . . . . 144 B.2.1 Organischer Feststoffgehalt gesamt (oTSGes) . . . . . . . . . . . . . . 144 B.2.2 Organischer Feststoffgehalt < 63 µm (oTS63) . . . . . . . . . . . . . . 146 B.2.3 Chemischer Sauerstoffbedarf gesamt (CSBGes) . . . . . . . . . . . . . 148 B.2.4 Chemischer Sauerstoffbedarf membranfiltriert (CSBmf) . . . . . . . . 151iv Inhaltsverzeichnis B.2.5 Organischer Kohlenstoff gesamt (TOC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 B.2.6 Organischer Kohlenstoff gelöst (DOC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 B.3 Weitere Validierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 B.3.1 Organischer Feststoffgehalt gesamt (oTSGes) . . . . . . . . . . . . . . 158 B.3.2 Organischer Feststoffgehalt < 63 µm (oTS63) . . . . . . . . . . . . . . 160 B.3.3 Chemischer Sauerstoffbedarf gesamt (CSBGes) . . . . . . . . . . . . . 162 B.3.4 Chemischer Sauerstoffbedarf membranfiltriert (CSBmf) . . . . . . . . 164 B.3.5 Gesamter organischer Kohlenstoff (TOC) . . . . . . . . . . . . . . . . 166 B.3.6 Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) . . . . . . . . . . . . . . . . 168

Le bruit est devenu une nuisance importante en zone urbaine au point que selon l'Organisation Mondiale de la Santé, 40% de la population européenne est exposée à des niveaux de bruit excessifs, principalement dû aux transports terrestres. Il devient donc nécessaire de trouver de nouveaux moyens de lutter contre le bruit en zone urbaine. Dans ce travail, on étudie une solution possible à ce problème: un écran bas antibruit. Il s'agit d'un écran de hauteur inférieure à un mètre placé près d'une source, conçu pour réduire le niveau de bruit pour les piétons et les cyclistes à proximité. Ce type de protection est étudié numériquement et expérimentalement. Nous nous intéressons particulièrement aux écrans adaptés au bruit du tramway puisque dans ce cas les sources sont proches du sol et peuvent être atténuées efficacement. La forme ainsi que le traitement de surface de l'écran sont optimisés par une méthode de gradient couplée à une méthode 2D d'éléments finis de frontière. Les variables à optimiser sont les coordonnées de nœuds de contrôle et les paramètres servant à décrire l'impédance de surface. Les sensibilités sont calculées efficacement par la méthode de l'état adjoint. Les formes générées par l'algorithme d'optimisation sont assez irrégulières mais induisent une nette amélioration par rapport à des formes simples, d'au moins 5 dB (A). Il est également montré que l'utilisation de traitement absorbant du côté source de l'écran peut améliorer la performance sensiblement. Ce dernier point est confirmé par des mesures effectuées sur modèle réduit. De plus, un prototype à l'échelle 1 d'écran bas antibruit a été construit et testé en conditions réelles, le long d'une voie de tramway à Grenoble. Les mesures montrent que la protection réduit le niveau de 10 dB (A) pour un récepteur proche situé à hauteur d'oreilles. Ces résultats semblent confirmer l'applicabilité de ces protections pour réduire efficacement le bruit en zone urbaine / Noise has become a main nuisance in urban areas to the point that according to the World Health Organization 40% of the European population is exposed to excessive noise levels, mainly due to ground transportation. There is therefore a need to find new ways to mitigate noise in urban areas. In this work, a possible device to achieve this goal is studied: a low-height noise barrier. It consists of a barrier typically less than one meter high placed close to a source, designed to decrease the noise level for nearby pedestrians and cyclists. This type of device is studied both numerically and experimentally. Tramway noise barriers are especially studied since the noise sources are in this case very close to the ground and can therefore be attenuated efficiently. The shape and the surface treatment of the barrier are optimized using a gradient-based method coupled to a 2D boundary element method (BEM). The optimization variables are the node coordinates of a control mesh and the parameters describing the surface impedance. Sensitivities are calculated efficiently using the adjoint state approach. Numerical results show that the shapes generated by the optimization algorithm tend to be quite irregular but provide a significant improvement of more than 5 dB (A) compared to simpler shapes. Utilizing an absorbing treatment on the source side of the barrier is shown to be efficient as well. This second point has been confirmed by scale model measurements. In addition, a full scale low height noise barrier prototype has been built and tested in situ close to a tramway track in Grenoble. Measurements show that the device provides more than 10 dB (A) of attenuation for a close receiver located at the typical height of human ears. These results therefore seem to confirm the applicability of such protections to efficiently decrease noise exposure in urban areas

Accélérer la dégradation anaérobie des déchets enfouis, optimiser la production de biogaz et diminuer le temps et le coût de surveillance sont les enjeux principaux d'installation de stockage des déchets non dangereux (ISDND)-bioactives, ainsi que, plus classiquement, minimiser leurs impacts sanitaires et environnementaux. L'une des méthodes les plus efficaces pour atteindre ces objectifs est la recirculation de lixiviat et l'augmentation de l'humidité des déchets. Les objectifs du bioréacteur ne seront pas atteints sans une connaissance rationnelle des phénomènes hydrauliques, biologiques et thermiques qui s’y développent et de l’influence de l'un de ces phénomènes sur les autres. Les observations in situ, les expérimentations en laboratoire ainsi que les modèles numériques permettent ensemble une approche rationnelle de ces phénomènes. C’est ce qui constitue le corps de ce travail de thèse, où nous avons étudié le comportement hydro-thermo-biologique des déchets dans la phase anaérobie en laboratoire, sur site à partir de données hydro-thermiques de deux bioréacteurs situés en France et en développant un modèle numérique pour simuler ce comportement couplé des bioréacteurs. Les travaux en laboratoire nous ont permis d’étudier l’effet de la saturation et de la densité (compactage des déchets) sur la dégradation anaérobie des déchets ménagers et l’influence de ces paramètres sur la production de biogaz. Les données hydrauliques et thermiques in-situ des bioréacteurs nous ont permis de connaître les variations des paramètres essentiels comme la température et la saturation dans les déchets, à différentes profondeurs, et estimer d’autres paramètres qui sont difficile à déterminer expérimentalement. Le modèle numérique nous a permis d’étudier le comportement couplé, hydro-thermo-biologique, des bioréacteurs à long terme (pendant une dizaine d’années) aussi bien qu’à court terme pendant la recirculation de lixiviat. L’interdépendance des différents paramètres qui influent la dégradation des déchets est la principale raison nous ayant conduits à développer un modèle de couplage qui nous permette d'étudier chaque paramètre en fonction des autres. Les travaux en laboratoire et les données thermiques de site nous ont conduits à développer un modèle d'écoulement diphasique du liquide et du gaz dans les déchets, considérant les phénomènes biologiques, en fonction des paramètres clés de la dégradation comme la température et la saturation, pour aboutir à la production de biogaz et de chaleur. Les trois parties de ce travail, les expérimentations en laboratoire, le développement d'un modèle numérique et l’analyse des données de site ont été effectuées en parallèle de façon complémentaire. Les expérimentation de laboratoire tout comme l’analyse des données de site, nous ont montré l'importance des paramètres qu'il faut considérer dans le modèle et en retour le modèle numérique nous a aidé à diriger les expérimentations en laboratoire et montré la nécessité de conduire certaines analyses sur les pilotes expérimentaux, comme l’analyse de la biomasse, de la DCO et des AGV. L'analyse des données hydrauliques et thermiques de sites de bioréacteur nous a permis de caler les paramètres hydrauliques, biologiques et thermiques des déchets qui sont difficile à définir sur le site sans le perturber (comme la conductivité hydraulique, la saturation, la conductivité thermique, la capacité calorifique, la concentration en biomasse et en AGV). Le travail réalisé dans la thèse a permis de développer un modèle couplé hydro-thermo-biologique et de tester sa capacité à prévoir le comportement thermique d'un bioréacteur, la production totale et le taux de production de méthane. Nous avons montré qu'il était adopté à l'étude du comportement à long terme d'un bioréacteur, aussi bien qu'à court terme pendant la réinjection de lixiviat, là où les techniques de mesure et le temps sont limitants en laboratoire ou sur site / The main objectives of bioreactor landfills are to accelerate anaerobic degradation of waste in order to minimize the environmental impacts, to optimize biogas production and to minimize the time of waste stabilization as well as the costs and time of monitoring of landfill sites after operation. One of the most important and cost-effective method to achieve these objectives is liquid addition and management. The objectives of bioreactor landfills could not be achieved without enough knowledge of its hydraulic, thermal and biological parameters and processes and the effects of each of them on the others. Site observations and data and laboratory experiments as well as numerical models could help to develop the knowledge of these phenomena and processes, which is the objective of this work. In this thesis we study the coupled hydro-thermo-biological behavior of bioreactor landfills in the anaerobic phase in the laboratory and using site data of two bioreactor landfills in France and developing a numerical coupled model. The laboratory experiments help us to know the effect of such important parameters as saturation and density of wastes on anaerobic degradation and biogas production. The site data help us to know the variations of saturation and temperature of wastes in a bioreactor landfill in different depths, as two key factors of anaerobic degradation and biogas production. Site analysis helps also to estimate some parameters as hydraulic and thermal conductivity of wastes, which are hard to measure in situ without disturbing the landfill site. The numerical model helps us to study the coupled behavior of bioreactor landfills during leachate recirculation, as well as on the long term during many years. The interdependence of various parameters which influence waste degradation and thermo-biological phenomena in a bioreactor landfills is the main reason of development of this coupled model. This model makes it possible to study each key parameter, as saturation and temperature, as a function of other parameters. Laboratory experiments and site data analysis lead to develop a biological model of degradation to be coupled with a two-phase flow model of liquid and gas. The three parts of this thesis, laboratory experiments, site data analysis and development of the numerical coupled model were carried out in parallel and in a complementary manner. Laboratory experiments as well as site data analysis showed us the importance of some parameters to be considered in the numerical model and coupled behavior. In return numerical model showed the importance of considering the temperature dependence behavior of microbial activity and the necessity of biomass, VFA and COD analysis in laboratory experiments. The analysis of hydraulic and thermal site data led to estimate parameters which are hard to measure in situ or in the laboratory, as hydraulic and thermal conductivity of waste, saturation, thermal conductivity of cover layer and heat capacity of waste. The numerical coupled hydro-thermo-biological model seems to be efficient enough to predict biogas and methane production in bioreactor and classical landfills and to reproduce their correct behavior

Résumé indisponible / Résumé indisponible

L’étude de la pollution troposphérique inclut l’étude des gaz traces provenant de sources anthropiquesdiverses, dont l’impact varie de l’échelle locale à globale. Pour caractériser cette pollution, il est nécessairede mesurer avec précision les concentrations en polluants. Dans le cadre de projets européens, troiscampagnes aéroportées ont été conduites, dans le bassin méditerranéen, en Afrique de l’ouest et enMalaisie, pour mesurer différents types de polluants grâce, entre autres, à un spectromètre à lasersinfrarouges, SPIRIT, capable de mesurer rapidement en ligne de faibles variations de NO2 et CO. Les jeuxde données de ces gaz traces (et d’autres) ont été combinés avec un modèle lagrangien de dispersion departicules, FLEXPART, pour identifier différentes sources de pollution locales et régionales de l’air. Cettethèse présente ainsi les mesures et le travail de modélisation entrepris afin de définir les sources depollution de chaque région. Il a été montré que le bassin méditerranéen a été impacté, de la moyenne à lahaute troposphère pendant l’été, par des émissions de feux de biomasse venant de Sibérie et du continentnord-américain. Les régions ouest-africaine et malaisienne sont aussi impactées par des émissions de feuxde biomasse transportées depuis l’Afrique centrale dans le premier cas, et de feux locaux dans le second.En outre, ces régions sont influencées par des émissions provenant de l’exploitation du pétrole et du traficmaritime. FLEXPART a été utilisé afin d’identifier l’origine des pics de pollution mesurés au cours descampagnes. Nous avons ainsi montré que les conditions atmosphériques, qui définissent la hauteurd’injection du panache de la plateforme pétrolière, ainsi que le flux d’émission sont des paramètres clésdans la caractérisation des mesures par le modèle. / The study of tropospheric pollution includes the study of trace gases coming from various anthropogenicsources that can impact scales ranging from local to global. To characterise this pollution, it is necessary tobe able to measure with precision pollutant concentrations. Within the frame of European projects, threeairborne campaigns in the Mediterranean Basin, in West Africa and in Malaysia were conducted to measuredifferent types of pollutants thanks to, among others, an infrared laser spectrometer, SPIRIT, able to rapidlymeasure on-line small variations in NO2 and CO. The data sets of these trace gases (and others) have beencombined with a Lagrangian model of particle dispersion, FLEXPART, to fingerprint different sources of localand regional air pollution. Thus, this thesis presents the measurements and the modelling work undertakenin order to define the sources of pollution of each region. It has been shown that the Mediterranean Basinwas impacted, in the mid to upper troposphere during summer, by biomass burning emissions coming fromSiberia and the Northern American continent. West African and Malaysian regions are also impacted bybiomass burning emissions transported from central Africa in the first case, and from local fires in thesecond. In addition, those regions are influenced by emissions coming from oil exploitation and maritimetraffic. FLEXPART was used in order to identify the origin of the pollution peaks measured during thecampaigns. It has been shown that atmospheric conditions, which define the injection height of the oilplatform plume, and also the emission flux are key parameters in the characterisation of the measurementsby the model.