La Selle Rivière, cours d’eau non canalisé du bassin Artois-Picardie est considérée par l’Agence de l’Eau comme une masse d’eau prioritaire dont la qualité est à améliorer. L’objet de ce travail a été d’étudier le comportement spatio-temporel de plusieurs substances déclassantes ou non, avec des échelles de temps allant du prélèvement ponctuel à la mesure haute fréquence, en passant par des échantillonneurs passifs intégrateurs. Nous nous sommes intéressés à plusieurs traceurs de la contamination urbaine, agricole et industrielle, au travers des nitrates, des phosphates, des éléments traces métalliques, de certains produits phytosanitaires et pharmaceutiques, et de la matière organique dissoute. Dans un premier temps, nous avons confirmé que la Selle est principalement alimentée par les eaux souterraines riches en nitrates, avec des teneurs résiduelles en atrazine qui se retrouvent dans le cours d’eau à des concentrations similaires. Par ailleurs, le bassin versant étant très agricole dans sa partie amont et avec des ilots urbains plutôt localisé en aval, quelques pesticides et médicaments sont retrouvés à l’état d’ultra-traces par temps sec, et des teneurs en phosphates souvent supérieures à 0,2 mg L-1. Les métaux sont peu présents dans le cours d’eau malgré des teneurs pouvant être élevées en sortie de stations d’épuration (notamment Gd et Zn) car les débits des stations représentent des apports mineurs. La mesure haute fréquence a permis de préciser des problèmes de qualité d’eau par temps de pluie avec des lessivages de sols, et des pics importants mais limités dans le temps en phosphore et carbone organique alors que l’on observe une dilution des nitrates. La composition de la matière organique étudiée par spectroscopie de fluorescence a permis de caractériser la signature spectrale de différents types d’eau (souterraine, de surface et effluent de station d’épuration) et de différencier les apports allochtones des apports autochtones. Enfin, ces résultats permettent de discuter qualitativement les futurs effets du changement climatique à l’échelle régionale sur l’évolution de la qualité de la Selle Rivière. / The River Selle is a non-channelised stream in the Artois-Picardy basin and is considered as a priority waterbody by the Artois-Picardy Water Agency. The aim of this work was to study the spatio-temporal behaviour of several substances at different time scales, ranging from low-frequency (grab sampling, passive samplers) to high-frequency monitoring. More specifically, tracers of pollution reflecting urban, agricultural and industrial contamination (nitrates, phosphates, trace metal elements, pesticides, pharmaceutical residues, dissolved organic matter) were investigated. We confirmed that the River Selle is mainly fed by a nitrate-rich groundwater. Besides, the nitrates and atrazine concentrations in the river water were similar to those found in the groundwater. At the upstream of the river, the land-use is mainly dominated by agriculture whereas most of the urban islets are located at the downstream of the river. Consequently, during dry weather, ultra-trace concentrations of some pesticides and pharmaceutical residues were recorded and phosphate levels often exceeded 0.2 mg L-1. Due to the minor flow input of the wastewater treatment plants into the river, metallic contamination in the River Selle (particularly Gd and Zn) is quite low despite the high concentrations measured in wastewater effluents. Water quality issues during storm events were identified by high-frequency monitoring. Significant but time-limited peaks in phosphorus and organic carbon were observed, while nitrates were diluted. The composition of dissolved organic matter was studied by fluorescence spectroscopy. The spectral signature of different types of water (groundwater, surface water and wastewater effluents) was characterised as well as the origins of this organic matter (autochtonous vs allochthonous). Finally, these results enable to discuss qualitatively the future effects of climate change at a regional scale on the evolution of the water quality of the River Selle.

Pour réduire significativement les émissions de CO2 dans les moteurs à combustion interne, un levier majeur est la réduction des pertes thermiques pariétales lors de la combustion. Ces pertes présentent un pic de plusieurs MW/m2 près du point mort haut, et sont liées à des phénomènes complexes d'interaction flamme-paroi qui dépendent du mode de combustion. Afin de mieux appréhender les phénomènes associés, il est nécessaire de caractériser le flux thermique à des échelles temporelles inférieures à la milliseconde.Dans ces travaux, une machine à compression rapide et une cellule à précombustion à volume constant sont utilisées pour simuler les phénomènes de combustion rencontrés en moteurs. Des thermocouples à jonction fines permettent une mesure de flux thermique instantanée avec une résolution temporelle de 0.1 ms. Ces moyens d'essais permettent de reproduire trois modes de combustion : flamme de propagation, flamme de diffusion et auto-inflammation. Ces travaux permettent également d'évaluer les différentes technologies envisageables de mesure de transfert thermique en combustion (thermocouples, thermorésistances et thermométrie phosphore rapide) au regard des caractéristiques métrologiques requises par la rapidité des phénomènes mis en jeu.Le flux lors du transfert thermique atteint des valeurs de plusieurs MW/m2 avec une forme qui dépend du mode de combustion. Le flux lors de la propagation d'une flamme prémélangée est dominé par un pic lors de l'interaction flamme paroi,d'environ 5 MW/m2 et de durée 0.5 ms. Le flux lors de la combustion d'un jet Diesel est approximativement un plateau pendant la durée de l'injection ; il est dominé par l'effet d'entraînement d'air par le jet qui cause une augmentation du coefficient de transfert convectif jusqu'à des valeurs de 10 kW/m2/K, l'augmentation de température liée à la combustion étant secondaire. Dans le cas d'ondes de pression générées par une auto-inflammation rapides de gaz(cliquetis lors d'un allumage commandé ou HCCI à fort contenu énergétique), une corrélation est observée entre l'intensité du cliquetis et le flux thermique associé, quel que soit le mode de combustion qui génère les oscillations de pression. Le flux lors du cliquetis est 3 à 5 fois plus élevé que lors d'une combustion par flamme de propagation comparable. / CO2 emissions in internal combustion engines are linked with inefficiencies due to wall heat losses during combustion.Those losses exhibit a sharp peak of a few MW/m2 close to top dead center and are linked to complex flame/wall interaction phenomena that vary with the combustion mode. A fine understanding of the associated phenomena requires experimental characterization of wall heat flux with a time resolution better than the millisecond. In this PhD work, a rapid compression machine and a precombustion cell are used to reproduce engine combustion phenomena. Thin-junction thermocouples allow an instantaneous measurement of the wall heat flux with a time resolution of 0.1 ms. Three combustion modes are generated: propagation flame, diffusion flame and auto-ignition.Different possible measurement technologies and procedures (thermocouples, thermoresistances and rapid phosphor thermometry) are compared and benchmarked against the features of combustion phenomena. Flux during wall heat transfer reaches values of a few MW/m2 and its shape varies with the combustion mode. During premixed flame propagation, flux is dominated by a peak during flame-wall interaction of about 5 MW/m2 in amplitude and 0.5 ms in duration. During Diesel combustion, heat flux is approximately constant during the injection duration; itsevolution is driven by an increase of the convection coefficient up to 10 kW/m2/K, which is attributed to air entrainment by the spray; the temperature increase from combustion is considered a second-order effect. During combustion presenting a pressure wave propagation (e.g. knock for some spark-ignition cases or HCCI with high energy content), the intensity of pressure oscillations and wall heat flux are shown to be correlated. That correlation is independent of the phenomenon creating the pressure wave; heat flux during knock is 3-5 times higher than for a comparable premixed propagation flame.

Depuis plus d’un siècle, les changements globaux sont à l’origine de profondes modifications de nos sociétés, nos modes de vie et il en va bien sûr de même pour notre environnement. Cette trajectoire empruntée, bon gré mal gré, par l’ensemble de l’humanité n’est pas sans conséquences pour les systèmes naturels et semble déjà mener les générations futures au-devant de grands défis. Afin de ne pas compromettre notre capacité à relever ces épreuves futures et, devant l’urgence du besoin d’action, une partie de la communauté scientifique a choisi de concentrer ses efforts sur la couche superficielle de notre planète qui soutient la vie terrestre : la Zone Critique. L’émergence de ce concept souligne la nécessité de développer des approches scientifiques pluridisciplinaires intégrant une large variété d’échelles de temps et d’espace. En tant que lien entre les différents compartiments de la Zone Critique (Atmosphère, Biosphère, Hydrosphère, Lithosphère et Pédosphère), l’eau est une molécule essentielle aux échanges d’énergie et de matière dont la dynamique requiert une attention particulière. Compte tenu de la diversité et de la variabilité spatiotemporelle des transferts d’eau et de matière dissoute dans les milieux aquatiques, de nouvelles méthodes d'investigations sont nécessaires. L'objectif général de cette thèse est de décrire l’intérêt et le potentiel qui résident dans l’utilisation des gaz dissous, en particulier lorsqu’ils sont mesurés à haute fréquence sur le terrain, afin de caractériser la dynamique hydrobiogéochimique des eaux naturelles de la Zone Critique à différentes échelles spatiales et temporelles. Pour parfaire cette ambition, ce travail s’est tout d’abord attaché au développement d'une instrumentation innovante puis, à la mise en place de nouveaux traceurs intégrés dans des dispositifs expérimentaux originaux et enfin, à l'acquisition, au traitement et à l'analyse de différents jeux de données de gaz dissous en se focalisant sur les eaux souterraines. / For more than a century, global change has led to a profound modification of our societies, our lifestyles and, of course, our environment. This trajectory followed willy-nilly by all mankind has consequences for natural systems and already seems to lead the future generations ahead of serious challenges. In order not to compromise our ability to meet these future ordeals, and because of the urgent need for action, part of the scientific community has chosen to concentrate on the near-surface environment that supports terrestrial life: the Critical Zone. The emergence of this concept underlines the need to develop multidisciplinary scientific approaches integrating a wide variety of temporal and spatial scales. As the link between the different compartments of the Critical Zone (Atmosphere, Biosphere, Hydrosphere, Lithosphere and Pedosphere), water is an essential molecule controlling the exchanges of energy and matter whose dynamics require special attention. In view of the diversity and spatiotemporal variability of water and matter transfers arising in aquatic environments, new methods of investigation are needed. The general objective of this thesis is to describe the interest and the potential lying in the use of dissolved gases, especially when they are measured at high frequency in the field, in order to characterise the hydrobiogeochemical dynamics of the natural waters of the Critical Zone at different spatial and temporal scales. To perfect this ambition, this work focused first on the development of an innovative instrumentation, then, on the implementation of novel tracers integrated into original experimental setups and finally, on the acquisition, processing and analysis of different dissolved gas datasets focusing on groundwater.

En Bretagne, les « marées vertes » sont récurrentes depuis le début des années 70 et occupent une place importante dans le débat public en terme sanitaire, politique et économique. Lors de cette thèse, une large revue bibliographique a été réalisée sur l’export d’azote et une méthodologie innovante a été mise en place afin d’étudier la variabilité spatio-temporelle de l’export de nutriments dans 2 bassins versants à algues vertes à une échelle intra-annuelle et pendant des évènements extrêmes (évènements pluvieux, période touristique de basses eaux,…). Les bassins versants sélectionnés pour les expérimentations de terrain sont l’Ic et le Frémur (Côtes d’Armor). 3 types d’expérimentations ont été réalisées sur ces bassins versants : 1) Des campagnes de prélèvements ponctuels par temps sec et par temps de pluie (32 stations, 27 campagnes) ; 2) des prélèvements automatiques en crue (3 stations, 8 crues) ; et 3) la mesure haute fréquence (2 stations, en continu). Les paramètres hydrologiques et physico-chimiques classiques, les matières en suspension, les spectres UV et toutes les formes de macronutriments (carbone, azote, phosphore) ont été analysés lors de ces expérimentations. Les résultats obtenus confirment pour une part un certain nombre de résultats de la littérature. D’autre part, il met en lumière la relation carbone/nitrates, jusqu’à présent peu étudiée à différentes échelles spatio-temporelles et pendant des évènements pluvieux, qui semble pourtant primordiale dans la compréhension des phénomènes d’export de nitrates à l’échelle de l’année. Enfin, l’analyse de toutes les formes de nutriments révèle l’importance des formes particulaires issues de l’érosion des sols. Ces résultats soulèvent de nombreuses questions de recherche qui mériteraient un approfondissement afin d’améliorer la connaissance des transferts de nutriments dans les bassins versants et prioriser les actions de remédiations. Les perspectives de ce travail sont à la fois scientifiques et pratiques. Au niveau scientifique, les efforts de recherche sur la relation carbone/nitrate et l’identification de la fraction de carbone organique assimilable par les organismes dénitrifiants doivent être poursuivis. De même, l’amélioration des connaissances sur l’export de nutriments en crue passe par l’identification précise des sources de nutriments particulaires pendant les crues printanières. Au niveau pratique, il doit contribuer à l’amélioration des pratiques agricoles, à la reconnaissance de l’intérêt des zones humides naturelles et à l’amélioration des types de traitement utilisés par les stations d’épuration. Les résultats obtenus lors de cette étude devraient notamment être mis en relation avec la dynamique des nutriments observée dans l’estran pendant la période de développement des algues vertes. Enfin, un effort d’amélioration de l’accès à certains type de données sur les bassins versants est nécessaire afin d’améliorer la compréhension des transferts de nutriments. / In Brittany (Western France), "green tides" are recurrent since the early 70s and have an important place in public debate in health, political and economic terms. In this thesis, a wide bibliographic review was performed on the export of nitrogen, and an innovative methodology has been set up to study the spatial and temporal variability of nutrient export in two coastal watersheds on an intra-annual basis and during extreme events (rainfall events, tourist periods of low water, ...). Watersheds selected for the field experiments are Ic and Frémur (Côtes d'Armor). 3 types of experiments were performed on these watersheds: 1) Campaigns of grab samples by dry and wet weather (32 stations, 27 campaigns); 2) automatic sampling during floods (3 stations, 8 floods); and 3) high frequency measurement (2 stations, continuous). Conventional hydrological and physicochemical parameters, suspended solids, UV spectra and all forms of macronutrients (carbon, nitrogen, phosphorus) were analyzed during these experiments. The results confirm in part a number of results of the literature. Furthermore, it highlights the relationship carbon / nitrates far little studied at different spatial and temporal scales and during rainfall events, which however seems to be crucial in understanding of nitrate export. Finally, the analysis of all forms of nutrients reveals the importance of particulate forms from soil erosion. These results raise many research questions that merit further development in order to improve knowledge on nutrient transfers in watersheds and prioritize remediation actions. The prospects of this work are both scientific and practical. At the scientific level, research efforts on the relationship carbon / nitrate and identification of the assimilable fraction of organic carbon by denitrifying organisms must be continued. Similarly, the knowledge on nutrient export must be improved through the precise identification of particulate nutrient sources during the spring floods. On a practical level, it should contribute to the improvement of agricultural practices, the recognition of the interest of natural wetlands and improvement of the types of treatment used by treatment plants. The results obtained in this study should in particular be linked to the dynamics of nutrients in the foreshore observed during the development of green algae. Finally, an effort to improve access to certain types of data on watersheds is needed to improve understanding of nutrient transfers.