Les vallées alpines urbanisées sont régulièrement soumises à des épisodes de pollution aux particules fines, en particulier sous des conditions hivernales anticycloniques. Ces épisodes se développent du fait de la conjonction de l'augmentation des émissions et de la stratification de l'atmosphère qui inhibe le mélange vertical et isole l'atmosphère de vallée de la dynamique de grande échelle. Le transport des polluants devient alors principalement piloté par les écoulements locaux d'origine thermique. Ces écoulements se caractérisent par une forte dépendance aux spécificités locales de la zone et sont difficiles à représenter dans les modèles numériques de prévision du temps, tout comme les conditions stables qui les accompagnent. L'amélioration de la prévision des situations de pollution hivernale en zone de montagne nécessite donc une meilleure compréhension de la dynamique locale en condition stable. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et vise à améliorer la compréhension de la structure des circulations locales à l'échelle de la vallée. Pour cela, l'étude s'appuie sur les données acquises lors de la campagne Passy-2015 et sur des simulations numériques haute résolution réalisées avec le modèle Méso-NH. La campagne s'est déroulée durant l'hiver 2014-2015 dans le bassin de Passy, situé à proximité du Mont-Blanc et à la confluence de trois vallées. Les concentrations en PM10 observées dans ce bassin excédent régulièrement les seuils réglementaires et montrent des hétérogénéités marquées au sein du bassin et avec les vallées adjacentes. L'étude de la dynamique met en évidence le rôle des circulations locales vis-à-vis des disparités dans la distribution spatiale des polluants. En particulier, les écoulements dans le bassin sont organisés selon différentes strates et génèrent des niveaux de ventilation hétérogènes. En journée, les échanges de masse s'opèrent de manière préférentielle entre les segments de vallée les plus ensoleillés. [...] / Air quality issues are frequent in urbanized valleys, particularly in wintertime under anticyclonic conditions. Pollution episodes occur due to the combination of increased emissions and atmospheric stratification that inhibits vertical mixing and isolates the valley atmosphere from large-scale dynamics. The transport of pollutants then becomes mainly driven by local thermally driven flows that largely depend on local characteristics and are difficult to represent in numerical weather prediction models. Improving the forecasting of winter pollution situations in mountain areas therefore requires a better understanding of local dynamics under stable conditions. This thesis fall within this objective and aims at improving the understanding of local wind dynamics at valley scale. It is based on high-resolution numerical simulations performed with Méso-NH and data from the Passy-2015 field experiment that took place during the winter of 2014-2015 within the Passy basin, located near Mont-Blanc and at the confluence of three valleys. The PM10 concentrations observed in this basin regularly exceed the regulatory thresholds and show marked heterogeneities within the basin and with adjacent valleys. The wind dynamics study highlights local flow characteristics that are consistent with the PM10 heterogeneities observed within the valley. In particular, flows within the basin show a stratified structure and give rise to heterogeneous ventilation levels. During the day, mass exchanges preferentially occur between the sunniest valley sections. At night, the convergence of flows from tributary valleys, along with the local orography, induces a very heterogeneous flow structure on the vertical and horizontal in the Passy basin. These characteristics tend to reduce ventilation in the basin especially in the eastern sector, which is also the most polluted sector during wintertime episodes. As spring approaches, the increase of solar radiation balances inter-valley mass exchanges, thus reducing pollutant accumulation within the basin. The analysis of mechanisms controlling local circulations underlines the importance of fine scale characteristics of topography and surface (snow cover) that determine the distribution of energy received at the surface.

En prévision numérique du temps, les modèles de prévision d'ensemble sont devenus un outil incontournable pour quantifier l'incertitude des prévisions et fournir des prévisions probabilistes. Malheureusement, ces modèles ne sont pas parfaits et une correction simultanée de leur biais et de leur dispersion est nécessaire.Cette thèse présente de nouvelles méthodes de post-traitement statistique des prévisions d'ensemble. Celles-ci ont pour particularité d'être basées sur les forêts aléatoires.Contrairement à la plupart des techniques usuelles, ces méthodes non-paramétriques permettent de prendre en compte la dynamique non-linéaire de l'atmosphère.Elles permettent aussi d'ajouter des covariables (autres variables météorologiques, variables temporelles, géographiques...) facilement et sélectionnent elles-mêmes les prédicteurs les plus utiles dans la régression. De plus, nous ne faisons aucune hypothèse sur la distribution de la variable à traiter. Cette nouvelle approche surpasse les méthodes existantes pour des variables telles que la température et la vitesse du vent.Pour des variables reconnues comme difficiles à calibrer, telles que les précipitations sexti-horaires, des versions hybrides de nos techniques ont été créées. Nous montrons que ces versions hybrides (ainsi que nos versions originales) sont meilleures que les méthodes existantes. Elles amènent notamment une véritable valeur ajoutée pour les pluies extrêmes.La dernière partie de cette thèse concerne l'évaluation des prévisions d'ensemble pour les événements extrêmes. Nous avons montré quelques propriétés concernant le Continuous Ranked Probability Score (CRPS) pour les valeurs extrêmes. Nous avons aussi défini une nouvelle mesure combinant le CRPS et la théorie des valeurs extrêmes, dont nous examinons la cohérence sur une simulation ainsi que dans un cadre opérationnel.Les résultats de ce travail sont destinés à être insérés au sein de la chaîne de prévision et de vérification à Météo-France. / In numerical weather prediction, ensemble forecasts systems have become an essential tool to quantifyforecast uncertainty and to provide probabilistic forecasts. Unfortunately, these models are not perfect and a simultaneouscorrection of their bias and their dispersion is needed.This thesis presents new statistical post-processing methods for ensemble forecasting. These are based onrandom forests algorithms, which are non-parametric.Contrary to state of the art procedures, random forests can take into account non-linear features of atmospheric states. They easily allowthe addition of covariables (such as other weather variables, seasonal or geographic predictors) by a self-selection of the mostuseful predictors for the regression. Moreover, we do not make assumptions on the distribution of the variable of interest. This new approachoutperforms the existing methods for variables such as surface temperature and wind speed.For variables well-known to be tricky to calibrate, such as six-hours accumulated rainfall, hybrid versions of our techniqueshave been created. We show that these versions (and our original methods) are better than existing ones. Especially, they provideadded value for extreme precipitations.The last part of this thesis deals with the verification of ensemble forecasts for extreme events. We have shown several properties ofthe Continuous Ranked Probability Score (CRPS) for extreme values. We have also defined a new index combining the CRPS and the extremevalue theory, whose consistency is investigated on both simulations and real cases.The contributions of this work are intended to be inserted into the forecasting and verification chain at Météo-France.

La forêt boréale est le deuxième plus grand biome sur Terre, représentant 30 % de la surface forestière mondiale. Au Canada, bien que la forêt boréale couvre 55 % de la superficie du pays, elle contient 80 % des eaux intérieures dont dépendent des millions de personnes. La forêt boréale s'étendant de 45°N à 70°N, l'eau y est stockée en surface sous forme de neige pendant une grande partie de l'année. Ce manteau neigeux saisonnier s'accumule et fond en hiver, sous l'effet des échanges d'énergie et de masse avec l'atmosphère, le sol et la végétation. Comme la structure de la canopée est complexe, les dynamiques d'accumulation et d'ablation du manteau neigeux sont très variables à une fine échelle spatiale. Cela fait en sorte que la structure et les propriétés physiques du manteau neigeux peuvent également présenter une grande variabilité spatiale en milieu boréal. Dans un monde qui se réchauffe rapidement, il est essentiel de mieux comprendre comment les interactions entre la neige et la forêt influencent les propriétés du manteau neigeux et, conséquemment, les processus hydrologiques qui en dépendent. L'objectif de cette thèse est d'évaluer le rôle des propriétés physiques du manteau neigeux sur l'hydrologie nivale dans la forêt boréale de l'est du Canada et ce, dans un contexte d'hivers plus chauds. Cet objectif général est abordé dans les trois principaux chapitres de la thèse. Dans le premier chapitre, nous montrons que le manteau neigeux sous la canopée a une structure et des propriétés physiques différentes de ce que l'on retrouve dans les trouées forestières. Grâce à une campagne de terrain intensive d'octobre 2018 à juin 2019 à la Forêt Montmorency (47,29°N; 71,17°O), nous constatons que ces différences sont principalement dues à un manteau neigeux moins épais et un gradient de température vertical plus important sous la canopée. Il en résulte de plus gros grains facettés et un manteau neigeux perméable. En revanche, le manteau neigeux dans les trouées, plus épais et exposé à un gradient de température plus faible, est composé de grains fins et arrondis et présente une perméabilité plus faible. Cela, combiné à des couches de glace continues, implique que le manteau neigeux des trouées ralentirait l'écoulement de l'eau vers le bas par rapport au manteau neigeux sous les arbres. Les résultats du premier chapitre mettent la table pour la deuxième partie de la thèse où nous étudions comment un hiver chaud avec une faible précipitation solide affecte les propriétés physiques du manteau neigeux, le gel dans le sol et la dynamique de la fonte de la neige en forêt boréale. Cette analyse est réalisée grâce à deux campagnes de mesures supportées par des simulations avec le modèle SNOWPACK au cours d'hivers présentant des conditions météorologiques contrastées à la Forêt Montmorency. Le premier hiver à l'étude (W20-21) a été exceptionnellement chaud avec de faibles chutes de neige, alors que le deuxième hiver (W21- 22) a été plus proche de la normale climatique pour le site. Nous avons observé que la fonte était plus précoce et plus lente au cours de l'année chaude, en particulier sous la canopée où le rayonnement solaire était limité. La température du sol était plus basse l'année chaude, bien que le gel n'ait été observé que sous le couvert forestier au cours des deux années. Enfin, le métamorphisme de gradient et la perméabilité de la neige ont été les supérieurs sous les arbres au cours de l'hiver W20-21. Cette année-là, le débit printanier du bassin versant expérimental a été significativement plus faible que lors de l'année de référence. Nos observations suggèrent qu'une faible accumulation de neige, une fonte lente et de faibles précipitations printanières déterminent le débit printanier alors qu'un sol gelé et une perméabilité élevée de la neige affectent de façon négligeable la dynamique d'écoulement sur une grande échelle temporelle. Dans le troisième chapitre, nous abordons l'impact des événements de pluie-sur-neige en forêt sur la structure du manteau neigeux et l'écoulement d'eau grâce aux observations collectées de 2018 à 2023 à la Forêt Montmorency et à un autre site boréal, la vallée de la rivière Bernard (50,91°N; 63,38°O), et grâce à des simulations du modèle SNOWPACK. D'abord, nos observations montrent que l'écoulement préférentiel est un mode de transport de l'eau qui prévaut dans le manteau neigeux sous la canopée. Nos résultats montrent également que SNOWPACK simule bien le manteau neigeux sous la canopée en général, mais qu'il ne parvient pas à reproduire la plupart des couches de regel observées. Ce problème a été résolu en paramétrant de façon simplifiée le métamorphisme et la densification de la neige interceptée, ce qui permet de reproduire presque toutes les couches de regel observées. La décharge de neige dense à grains fins a aussi pour effet de retarder et réduire l'écoulement d'eau du manteau neigeux modélisé. Le message principal de ce chapitre est que les épisodes de pluie-sur-neige sont susceptibles de percoler à travers le manteau neigeux par écoulement préférentiel et que ce mécanisme peut être influencé par le métamorphisme de la neige interceptée. Dans l'ensemble, cette thèse permet de mieux comprendre les processus nivologiques en forêt boréale en considérant la structure complexe de la canopée. Ce travail met en lumière la façon dont les conséquences du changement climatique, c'est-à-dire des hivers plus chauds et moins enneigés et les épisodes de pluie-sur- neige plus fréquents, peuvent influencer les propriétés physiques du manteau neigeux et d'autres processus hydrologiques connexes. Plus important encore, cette thèse fournit un ensemble de données uniques et détaillées pour de futures études de modélisation et d'observation. / The boreal forest is the second largest biome on Earth, representing 30% of the world's forested area. In Canada, although the boreal forest covers 55% of the country's land area, it contains 80% of the inland water on which millions of people depend. Because the boreal forest ranges from 45°N to 70°N, water is stored on the land as snow for much of the year. The seasonal snowpack accumulates and melts in winter, driven by energy and mass exchanges with the atmosphere, soil, and vegetation. Due to the complex and discontinuous structure of the boreal canopy, snow dynamics are highly variable at small spatial scales in the boreal forest. In other words, snowpack accumulation and ablation patterns under the canopy differ from those within forest gaps. The structure and physical properties of the snowpack may also exhibit high spatial variability in the boreal forest. In a rapidly warming world, a deeper understanding of how snow-forest interactions influence snowpack properties and the depending hydrological processes is critical. The objective of this thesis is to assess the role of snowpack physical properties on snow hydrology in discontinuous boreal forests of eastern Canada in the context of warmer winters. This general objective is addressed in the three main chapters of the thesis. In the first chapter, we show that the canopy snowpack has a structure and physical properties that are different from those in forest gaps. Thanks to an intensive field campaign from October 2018 to June 2019 in the Montmorency Forest (47.29°N; 71.17°W), we find that these differences are mainly due to a larger vertical temperature gradient under the canopy, where the snowpack is thinner. This results in large grains with developed facets and snow of large pores highly permeable. In contrast, the gap snowpack, which is thicker and thus exposed to a weaker temperature gradient, is composed of small rounded grains, and presents a low permeability. This, combined with continuous ice layers, means that the gap snowpack would impede the downward water flow compared to the canopy snowpack. The results of Chapter 1 set the stage for the second part of the thesis in which we study how a warm winter with low snowfall affects the physical properties of snow, ground freezing and snowmelt dynamics in the discontinuous boreal forest. This analysis was carried out from field observations, and supported by SNOWPACK simulations, during winters with contrasting weather conditions at Montmorency Forest. The first winter (W20-21) was exceptionally warm with low snowfall, and the second year (W21-22) was closer to the climate normal for the site. We observed that snowmelt was earlier and slower in the warm year, especially under the canopy where solar radiation was limited. Ground temperature was lower in the warm year and freezing was observed only under the canopy in both years. Finally, gradient metamorphism and snow permeability were the greatest under the canopy in W20-21. That year, the spring runoff was significantly lower than in the reference year, suggesting that low snow accumulation, slow snowmelt, and low spring precipitation drive spring runoff, whereas frozen ground and high snowpack permeability are of secondary influence as theireffects on runoff dynamics are negligible on large temporal scales. In the third chapter, we address the impact of rain-on-snow events on the canopy snowpack structure and runoffthanks to field observations collected from 2018 to 2023 at the Montmorency Forest and at another boreal site,the Bernard River Valley (50.91°N; 63.38°W), and thanks to SNOWPACK simulations. First, we demonstratefrom observations that preferential flow is an important water transport mode in the snowpack under the trees.Our results also show that SNOWPACK is suitable for simulating canopy snow in boreal environments but failsto reproduce most melt-freeze formations. This problem was addressed by reproducing, albeit simply, canopysnow metamorphism and densification that allows to simulate almost all of the observed melt-freeze layers. Unloading of denser small-grained snow also delays and reduces the simulated runoff from rain-on-snow events. The take home message from this chapter is that rain-on-snow events are likely to percolate through thesnowpack from preferential flow and that this mechanism can be influenced by canopy snow processes. Overall, this dissertation provides a better understanding of snow processes in the boreal forest with respect tothe complex and discontinuous structure of the canopy. This work sheds light on how the consequences ofclimate change (i.e. warmer, less snowy winters and more frequent rain-on-snow events) may influence thephysical properties of the snowpack and other related hydrological processes. Most importantly, this thesisprovides a unique and detailed dataset for future modeling and observational studies.

Selon les projections climatiques du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, les événements météorologiques extrêmes (ÉME) seront plus fréquents dans les prochaines années. Ces événements peuvent entraîner des problèmes au niveau de la santé mentale et du bien-être psychosocial chez les personnes exposées. Dans le territoire à l'étude, soit les régions sociosanitaires de Chaudière-Appalaches et du Bas-Saint-Laurent, on prévoit une augmentation de la fréquence et de l'intensité des ÉME, dont les inondations et les vagues de chaleur. En réponse à ces prévisions, les intervenants du système de santé doivent se préparer afin d'intervenir efficacement auprès des communautés lorsque survient un ÉME afin de limiter les impacts sur la santé mentale. Pour cela, ils doivent être en mesure d'identifier les communautés où la population est la plus vulnérable aux effets des ÉME. L'objectif général de la recherche est donc de développer un indice géographique de la vulnérabilité psychosociale de la population face aux inondations et aux vagues de chaleur. Les objectifs spécifiques sont : (1) d'établir un portrait des populations vulnérables du point de vue des impacts des ÉME sur la santé mentale des populations exposées (2) d'élaborer un indice synthétique de la vulnérabilité psychosociale de la population qui permettra d'identifier géographiquement la distribution de cette vulnérabilité (3) de déployer une application web qui favorisera la diffusion et le partage de l'indice. Pour atteindre ces objectifs, une analyse en composantes principales a été réalisée, ce qui a permis de produire des indices synthétiques de vulnérabilité. Ces derniers ont ensuite été cartographiés, puis intégrés dans une application web. Les résultats montrent une plus grande vulnérabilité psychosociale dans les grands centres urbains, et ce autant pour les inondations que pour les vagues de chaleur. La vulnérabilité diminue ensuite en périphérie de ces centres et augmente dans les zones plus rurales. / According to climate projections from the IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), EWEs (extreme weather events) are set to become more frequent in the coming years. These events can lead to mental health problems and affect the psychosocial well-being of those exposed. In our study area, the Chaudière-Appalaches and Bas-Saint-Laurent sociosanitary regions, the frequency and intensity of EWEs, including floods and heat waves, are expected to increase. In light of these predictions, health and public safety professionals must be prepared to intervene effectively in communities when an EWE occurs, to limit the impact on mental health and psychosocial well-being. To do this, they need to be able to identify the communities where the population is most vulnerable to the effects of EWEs. The general aim of the research is therefore to develop a geographical index of the population's psychosocial vulnerability to floods and heat waves. The specific objectives are: (1) to establish a portrait of vulnerable populations and social inequalities in terms of the impacts of EWEs on the mental health and psychosocial well-being of exposed populations (2) to develop an index of the psychosocial vulnerability of the population that will make it possible to geographically identify the distribution of this vulnerability (3) to deploy a web application that will promote the dissemination and sharing of the index. To achieve these objectives, a principal component analysis was used to reduce the number of variables used in the psychosocial vulnerability index. The vulnerability indices and each variable used were then mapped and integrated into a web application using Experience Builder. The results show greater psychosocial vulnerability in major urban centres, for both floods and heat waves. Vulnerability then decreases on the outskirts of these centres and increases in more rural areas.

Depuis plusieurs années, la prévision d'ensemble suscite beaucoup d'intérêt en météorologie et en hydrologie. Le dessein de ce type de prévisions est d'évaluer l'incertitude du système pour la présenter sous la forme d'un ensemble de prévisions probables. En hydrologie, la prévision d'ensemble (PHE) est produite en fournissant au modèle pluie-débit les prévisions météorologiques d'ensemble (PME). La valeur ajoutée de cette prévision, comparée à la prévision hydrologique déterministe typique (PHD), pourrait s'avérer d'une grande utilitée pour la gestion en situation de crue. Dans le cadre de cette maîtrise, des PHE de débits et de niveaux sont produites sur le bassin versant du Haut Saint-François pour deux périodes qui ont connu des événements de crues. Les PHE de débits sont simluées en fournissant au modèle hydrologique HYDROTEL la PME issue du système opérationnel d'ensemble canadien. Ces PHE se sont avérées plus performantes que les PHD à partir de l'horizon 24 heures. L'évaluation des PHE obtenues a également démontré que les PHE sous-estiment l'incertitude réelle du système. Cette sous-dispersion de l'ensemble, prononcée lors des premiers pas de temps, s'atténue avec l'horizon. Pour corriger cette sous-dispersion des débits, un post-traitement par la méthode du meilleur membre est appliqué. Cette méthode s'avère efficace et permet d'améliorer la fiabilité de la prévision. Par contre, le post-traitement crée une discontinuité temporelle des hydrogrammes. Pour pallier cette situation, les PHE brutes sous-dispersées sont donc fournies en entrée au modèle hydraulique HEC-RAS pour estimer les niveaux d'eau. Ces prévisions d'ensemble de niveaux présentent également une sous-dispersion, et cela peu importe l'horizon de prévision. L'analyse des prévisions émises les jours précédents les événements de crues a finalement permis de faire quelques observations. Pour l'un des événements, les prévisions probabilistes ont réussi à anticiper l'événement deux jours plus tôt que la prévision déterministe. À 24 heures de préavis, l'incertitude sur les prévisions émises était importante pour les deux événements étudiés. Ce mémoire constitue un premier pas vers l'implantation d'un système opérationnel utilisant les prévisions hydrologiques d'ensemble.

La performance à long terme du réseau routier au Québec est fortement influencée par le climat et les conditions météorologiques (Doré et Zubeck, 2008). Parmi ces facteurs, des niveaux élevés de saturation dans les sols et les matériaux de chaussée peuvent être une cause importante de la détérioration des routes. Selon des scénarios de changements climatiques établis par Ouranos, le sud du Québec subira des augmentations de précipitations moyennes mensuelles de -0,1 % à 8,45 % sur un horizon de 2010 à 2039. Le but de ce projet est de quantifier l’effet de ces futures augmentations sur le comportement mécanique des structures de chaussées et des sols. Basé sur les données collectées dans des sections de routes instrumentées, une relation entre les précipitations et l’augmentation du niveau de saturation des couches de chaussée est proposée. Afin de déterminer la relation entre les propriétés mécaniques et la teneur en eau, les comportements en module réversible et en déformation permanente (quatre différents sols) ont été déterminés avec des essais triaxiaux et ont été validés avec un simulateur de charge routier. Une analyse d’endommagement est effectuée afin de quantifier la diminution de la durée de vie utile causée par les changements climatiques. Il a été montré que les augmentations de précipitations, prévues au Québec, auront un impact significatif sur la performance des chaussées. Ainsi, certaines techniques de mitigation seront proposées pour pallier la diminution de la vie utile des chaussées. / The long-term performance of the road network of the province of Quebec (Canada) is strongly influenced by the climate and the weather conditions. Amongst other factors, high levels of saturation in soils and pavement materials are believed to be an important cause of pavement deterioration. According to the climate change scenarios established by Ouranos (2010), the North and South of Quebec will undergo an average precipitation increase from -0.1% to 8.45% in a future horizon of 2010-2039. The purpose of this project is to quantify the effect of these expected precipitation increases on the mechanical behavior of road structures, materials and soils. Based on literature and on data collected on instrumented road sections, a relationship between precipitation increase and saturation level of pavement layers is proposed. The resilient modulus and permanent deformation behavior for various water contents and four different subgrade soils was determined using triaxial tests, which were validated using small-scale heavy vehicle simulator, in order to determine the existing relationship between mechanical properties and moisture contents. Using the precipitation increase scenarios and the preset models, a damage analysis is performed to quantify the decrease of pavements service life caused by climate change. It is found that climate change, and more precisely the increase of precipitation expected in the Province of Quebec, will have a significant impact on pavement performance and that adapted pavement structures and materials, such as improved drainage, increased structural capacity or materials with reduced sensitivity to water, are possible options to reduce the loss of pavement life associated with climate change.

Cette thèse étudie l'interaction entre les stations d’épuration (STEP) et le changement climatique: soit en premier lieu la production ainsi que les émissions de gaz à effet de serre (GES), en particulier le protoxyde d’azote (N2O), généré à la STEP et en second lieu l’effet des pluies plus intenses dues aux changements climatiques sur la STEP. Des campagnes de mesure sur le terrain et la modélisation à échelle réelle ont été utilisées conjointement dans cette recherche. Une campagne de mesure d'une durée d’un mois a été réalisée dans une STEP traitant les eaux usées de 750,000 équivalents habitants, soit la STEP d’Eindhoven aux Pays-Bas. Des capteurs en ligne ont été installés dans la zone d'aération du bioréacteur. Une usine virtuelle de grande échelle, soit la STEP décrit par le Benchmark Simulation Model No.2 (BSM2), ainsi qu’une usine réelle de grande échelle, soit la STEP d’Eindhoven aux Pays-Bas, étaient incluses dans cette étude. Dans les deux cas, les modèles ont été modifiés afin de prendre en compte les GES, en particulier la production de N2O. Deux modèles de boues activées (ASM) ont été développés, soit l’ASMG1 et l’ASMG2d. En plus de la conversion de N2O par les bactéries hétérotrophes, les deux modèles sont en mesure de simuler la production de N2O par la dénitrification catalysée par les bactéries oxydant l'ammoniac (AOB). Les modèles décrivent aussi l'effet de l’oxygène dissous (OD) sur la cinétique de production de N2O par les AOB grâce à une modification de la cinétique d’Haldane. Les résultats montrent que les AOB produisent beaucoup de N2O tandis que les hétérotrophes en consomment considérablement. Les émissions de N2O augmentent lorsque les concentrations de NH4+ sont élevées et que les concentrations d’OD sont modérées (jusqu’à 2.5 mg O2/l dans cette étude). Ces conditions peuvent avoir été créées par le contrôle en cascade de NH4+-OD qui vise à réduire la consommation d'énergie en diminuant les concentrations d'OD lorsque la concentration de NH4+ est suffisamment faible. En outre, ce contrôleur en cascade est une stratégie de rétroaction à gain faible. C'est-à-dire, un retard significatif se produit entre la détection d'une augmentation de NH4+ et l'accroissement de l'aération. Toutes ces propriétés produisent des conditions favorables à la production de N2O par les bactéries AOB. Différents scénarios alternatifs ainsi que des stratégies de contrôle ont été comparés selon la qualité de l'effluent, le coût d’opération et les émissions de GES. Dans le cadre de BSM2, un bon équilibre entre la qualité de l'effluent, le coût d’opération et les émissions de GES a été obtenu avec à la mise en œuvre d'un contrôleur rétroactif pur de l’OD sur la première zone d'aération et d’un contrôleur en cascade de NH4+-DO sur les deux zones d'aération suivantes et en utilisant soit une stratégie d'alimentation étagée ou le contrôle du recyclage des boues afin de gérer les pics de débits. Mots-clés: Traitement des eaux usées par boues activées, contrôle de procédé, campagne de mesures en terrain, modélisation mathématique à échelle grandeur réelle, gaz à effet de serre, protoxyde d’azote, temps de pluie. / This PhD thesis studied the interaction between wastewater treatment plants (WWTPs) and climate change, i.e. the production and emission of greenhouse gases (GHGs), especially nitrous oxide (N2O), from WWTPs and the effect of the climate change induced more intense rain events on WWTPs. Both field measurements and full-scale modelling were pursued in this research. A one-month measurement campaign was performed by installing on-line sensors at the aeration zone of the bioreactor of a 750,000 person equivalents WWTP, i.e. the Eindhoven WWTP in the Netherlands. The models of a full-scale virtual plant, i.e. the Benchmark Simulation Model No.2 (BSM2), and a full-scale real plant, i.e. the Eindhoven WWTP in the Netherlands, were extended with respect to GHG emissions, especially the pathways involving N2O. Two types of extended Activated Sludge Models (ASM) were developed, i.e. ASMG1 for COD/N removal and ASMG2d for COD/N/P removal. Besides heterotrophic N2O production, both proposed models include N2O production by nitrite denitrification by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and describe the DO effect on AOB N2O production by a modified Haldane kinetics term. Results showed that AOB are the major producer of N2O while the heterotrophs consume N2O considerably. The high N2O emissions occurred under high NH4+ and intermediate DO concentrations (up to 2.5 mg O2/l in this work). Such conditions can be created by NH4+-DO cascade control which aims at reducing energy consumption by lowering the DO concentrations when the NH4+ concentration is sufficiently low. Moreover, this cascade controller is a low-gain feedback control strategy, i.e. a significant delay will occur between the detection of a NH4+ increase and the increase in aeration. All these properties lead to conditions favourable to N2O production by AOB. Different alternative scenarios and control strategies were compared in terms of effluent quality, operational cost and GHG emissions. In the framework of BSM2, a good balance among effluent quality, operational cost and GHG emissions was realized by implementing a pure DO feedback controller in the first aeration zone and a NH4+-DO cascade controller in the following two aeration zones and using either step feed or sludge recycling control to deal with hydraulic shocks. Keywords: Activated sludge, wastewater treatment, process control, field measurements, full-scale mathematical modelling, greenhouse gases, nitrous oxide, wet weather conditions.

La gestion intégrée de l’eau souterraine constitue un défi majeur pour les activités industrielles, agricoles et domestiques. Dans certains systèmes agricoles, une gestion optimisée de la nappe phréatique représente un facteur important pour améliorer les rendements des cultures et l’utilisation de l'eau. La prévision de la profondeur de la nappe phréatique (PNP) devient l’une des stratégies utiles pour planifier et gérer en temps réel l’eau souterraine. Cette étude propose une approche de modélisation basée sur les arbres de décision pour prédire la PNP en fonction des précipitations, des précédentes PNP et de l'évapotranspiration pour la gestion de l’eau souterraine des champs de canneberges. Premièrement, deux modèles: « Random Forest (RF) » et « Extreme Gradient Boosting (XGB) » ont été paramétrisés et comparés afin de prédirela PNP jusqu'à 48 heures. Deuxièmement, l’importance des variables prédictives a été déterminée pour analyser leur influence sur la simulation de PNP. Les mesures de PNP de trois puits d'observation dans un champ de canneberges, pour la période de croissance du 8 juillet au 30 août 2017, ont été utilisées pour entraîner et valider les modèles. Des statistiques tels que l’erreur quadratique moyenne, le coefficient de détermination et le coefficient d’efficacité de Nash-Sutcliffe sont utilisés pour mesurer la performance des modèles. Les résultats montrent que l'algorithme XGB est plus performant que le modèle RF pour prédire la PNP et est sélectionné comme le modèle optimal. Parmi les variables prédictives, les valeurs précédentes de PNP étaient les plus importantes pour la simulation de PNP, suivie par la précipitation. L’erreur de prédiction du modèle optimal pour la plage de PNP était de ± 5 cm pour les simulations de 1, 12, 24, 36 et 48 heures. Le modèle XGB fournit des informations utiles sur la dynamique de PNP et une simulation rigoureuse pour la gestion de l’irrigation des canneberges. / Integrated ground water management is a major challenge for industrial, agricultural and domestic activities. In some agricultural production systems, optimized water table management represents a significant factor to improve crop yields and water use. Therefore, predicting water table depth (WTD) becomes an important means to enable real-time planning and management of groundwater resources. This study proposes a decision-tree-based modelling approach for WTD forecasting as a function of precipitation, previous WTD values and evapotranspiration with applications in groundwater resources management for cranberry farming. Firstly, two models-based decision trees, namely Random Forest (RF) and Extrem Gradient Boosting (XGB), were parameterized and compared to predict the WTD up to 48-hours ahead for a cranberry farm located in Québec, Canada. Secondly, the importance of the predictor variables was analyzed to determine their influence on WTD simulation results. WTD measurements at three observation wells within acranberry field, for the growing period from July 8, 2017 to August 30, 2017, were used for training and testing the models. Statistical parameters such as the mean squared error, coefficient of determination and Nash-Sutcliffe efficiency coefficient were used to measure models performance. The results show that the XGB algorithm outperformed the RF model for predictions of WTD and was selected as the optimal model. Among the predictor variables, the antecedent WTD was the most important for water table depth simulation, followed by the precipitation. Base on the most important variables and optimal model, the prediction error for entire WTD range was within ± 5 cm for 1-, 12-, 24-, 26-and 48-hour prediction. The XGB model can provide useful information on the WTD dynamics and a rigorous simulation for irrigation planning and management in cranberry fields.

Les précipitations sont caractérisées par une variabilité extrême sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles. Elles résultent de phénomènes non linéaires qui produisent des extrêmes violents et localisés difficiles à représenter dans les modèles météorologiques. Il est alors souhaitable de pouvoir disposer de représentations stochastiques susceptibles de reproduire les propriétés statistiques des précipitations aux différentes échelles. Une famille de candidats possibles est constituée par les cascades multifractales, initialement introduites en mécanique statistique de la turbulence. Dans ce travail, nous considérons le modèle des " multifractales universelles " (Schertzer & Lovejoy, 1987), qui permet de caractériser les propriétés statistiques d'un champ d'un point de vue multi-échelle au moyen de trois paramètres fondamentaux (" universels "). Nous avons appliqué des outils d'analyse multifractale à des jeux de données de précipitations représentatifs de la variabilité à la sub-mésoéchelle, notamment à des cartes radar de pluie et à des séries chronologiques à très haute résolution temporelle. Cette étude a permis d'identifier les gammes d' " invariance d'échelle " dans lesquelles des symétries multifractales prédominent, et d'estimer les trois paramètres universels. Nous montrons aussi que l'application des algorithmes d'analyse à l'intérieur des événements de pluie fournit des résultats sensiblement différents de ceux généralement publiés. On a pu démontrer, par des calculs théoriques et au moyen de simulations, que les algorithmes classiques d'analyse multifractale sont très sensibles à la proportion de zéros dans les champs, ce qui est évidemment problématique pour la pluie. Une méthode d'analyse pondérée par le support d'occurrence de pluie des données a été proposée pour corriger les biais. Les valeurs des paramètres universels corrigés semblent indiquer que la pluie et les scalaires passifs présentent certaines symétries d'échelles communes aux échelles suffisamment grandes pour que l'advection turbulente domine les effets inertiels. Enfin, on montre que l'existence de propriétés multifractales présente un grand intérêt au niveau des applications. Notamment, un algorithme de downscaling multifractal universel a été défini. Cet algorithme exploite les symétries caractérisées par les paramètres universels pour générer une variabilité statistiquement réaliste à des échelles plus fines qu'une échelle d'observation donnée. Potentiellement, cet algorithme pourrait être utilisé pour générer des séries de précipitations de résolution horaire à partir de données journalières, ou pour augmenter la résolution de cartes de précipitations, ce qui peut donner lieu à des applications en hydrologie.

Ce travail a consisté à developper un modèle de canopée (CIM), qui pourrait servir d'interface entre des modèles méso-échelles de calcul du climat urbain et des modèles micro-échelles de besoin énergétique du bâtiment. Le développement est présenté en conditions atmosphériques variées, avec et sans obstacles, en s'appuyant sur les théories précédemment proposées. Il a été, par exemple, montré que, pour être en cohérence avec la théorie de similitude de Monin-Obukhov, un terme correctif devait être rajouté au terme de flottabilité de la T.K.E. CIM a aussi été couplé au modèle méso-échelle WRF. Une méthodologie a été proposée pour profiter de leurs avantages respectifs (un plus résolu, l'autre intégrant des termes de transports horizontaux) et pour assurer la cohérence de leurs résultats. Ces derniers ont montré que ce système, en plus d'être plus précis que le modèle WRF à la même résolution, permettait, par l'intermédiaire de CIM, de fournir des profils plus résolus près de la surface.