Ce travail de recherche vise à caractériser les propriétés hydrodynamiques des sols des Cévennes, une zone de moyenne montagne du sud de la France connue pour être sujette à des crues à cinétique rapide, appelées « crues éclair ». Il s'agit donc de déterminer les paramètres relatifs à la conductivité hydraulique et à la rétention en eau du modèle de Mualem-van Genuchten, leur variabilité spatiale à l'échelle du versant ou du petit bassin, et les facteurs qui expliquent cette variabilité spatiale. Il s'agit également d'évaluer la perméabilité du sous-sol constitué d'une roche plus ou moins altérée, et d'en déduire des informations sur les processus de saturation des sols pouvant être à l'origine de ruissellement.Les propriétés hydrodynamiques des sols et du sous-sol ont été estimées par modélisation inverse de la teneur en eau sols, à partir d'une station pilote sur le site de Sumène et d'un réseau de 50 stations de mesure répartis sur 4 versants granitiques (site de Valescure) et 2 versants schisteux (site de Tourgueille). La station pilote comprend 3 sondes de mesure installées à 20, 40, 60 cm de profondeur, et les stations installées sur les versants comprennent chacune 2 sondes de mesure installées à des profondeurs variables allant de 15 à 45 cm. Les teneurs en eau du sol ainsi que les précipitations ont été mesurées en continu au pas de temps 15 min sur les différents sites. La procédure de modélisation inverse est basée sur l'algorithme génétique multi-objectif NSGA-II. Cette procédure a été appliquée pour chaque station, en considérant que le sol d'épaisseur variable constitué de la superposition de 2 horizons, surmontant un troisième horizon figurant la roche altérée sous-jacente. Au total, quinze paramètres doivent être calibrés pour chaque station, et sont estimés à partir de périodes sélectionnées correspondant aux épisodes de pluie les plus importants. Les processus d'évapotranspiration ont été considérés comme négligeables au cours de ces épisodes. L'analyse des propriétés de rétention et de conductivité obtenues a mis en évidence la très forte conductivité hydraulique des sols étudiés, de l'ordre de 1000 à 2000 mm/h, et leur faible rétention en eau. Les teneurs en eau à saturation estimées s'échelonnent de 0.30 à 0.60 cm3.cm-3, traduisant une grande hétérogénéité locale. On retrouve cette forte variabilité pour l'estimation des profondeurs de sol qui varient de 31 à 120 cm. Pour l'horizon représentant le sous-sol, les perméabilités sont très contrastées, avec des valeurs de conductivités hydrauliques variant de quelques unités à plus d'une centaine de mm/h. Les stations présentant les sols les moins profondes et des sous-sols moins perméables génèrent des zones saturées qui se développent à la base du profil de sol, comme ça a été observé et simulé lors des épisodes pluvieux les plus intenses. Si les propriétés des sols apparaissent très variables d'une station à une autre et d'un versant à un autre, les résultats n'ont pas montré d'organisation particulière de cette variabilité spatiale. La position de la station sur le versant n'apparaît pas être déterminante pour les porosités, les profondeurs, les perméabilités et les rétentions en eau des sols ; les distributions de ces propriétés, calculées à l'échelle des différents versants, ne semblent pas reliées aux grands traits du paysage : géologie, orientation, végétation. / This research work aims to characterize soil hydrodynamic properties of the Cévennes area, a low mountain region known to be prone to flash floods. We thus chose to estimate hydraulic conductivity and water retention properties of the Mualem –van Genuchten model and their spatial variability at the hillslope scale and between multiple hillslope profiles. The objectives are also to evaluate the weathered bedrock permeability, and consequently to enhance our understanding of the soil saturation processes.The soil and bedrock hydrodynamic properties were estimated by inverse modelling of soil moisture from a pilot station and a network of 50 stations distributed on 4 granitic hillslope and 2 schist hillslope. The pilot station was instrumented with 3 soil moisture sensors located at 20, 40 and 60 cm deep whereas the hillslope stations were instrumented with 2 soil moisture sensors located variably from 15 to 45 cm deep. Both soil moisture and precipitation were recorded with a 15 min time step for every station. The inverse modelling procedure is based on the multi-objective genetic algorithm NSGA-II. This procedure was used for every station considering a variably deep soil composed by 2 layers surmounting a 100 cm deep third layer representing the weathered bedrock. Fifteen parameters were calibrated for every station, and were estimated from small selected rainfall periods of 1 to 15 days corresponding to the major rainfall events during the monitoring period. Evapotranspiration has been considered as negligible during those events. The analysis of those retention and conductivity properties shows a very important hydraulic conductivity for the studied soils, ranging from 1000 to 2000 mm/h, and their low retention capacity. The soil saturated water content varies from 0.30 to 0.60 cm3.cm-3, which is a consequence of the important soil heterogeneity at the hillslope scale. We also find that heterogeneity on the estimation of soil depth which varies from 31 to 120 cm. For the weathered bedrock layer, we also found contrasted permeability varying from a few units to a hundred of mm/h. Stations with the shallowest soils and the less permeable bedrock presenting a saturation process at the soil/bedrock contact, as monitored and simulated during the most intense rainfalls. If the estimated soil hydrodynamic properties exhibit important variations at the hillslope scale from a station to another, results showed no specific spatial organization of this variability. The station's position on the hillslope is not decisive to estimate saturated soil moisture, soil depth, soil permeability or water retention capacity. The distribution of those properties, calculated for the 6 studied hillslope is not either correlated to the landscape general characteristic: geology, orientation, land cover.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet SIMED fédérant les activités de modélisation à l'échelle méditerranéenne, et plus globalement dans le programme MERMEX qui vise à étudier les cycles biogéochimiques en mer Méditerranée et leurs évolutions futures. L'étape préliminaire a été de coupler la plateforme de modélisation hydrodynamique (NEMO) à celle de modélisation biogéochimique mécaniste (Eco3M), afin de réaliser une simulation (2000-2012) utilisant les sorties hydrodynamiques de la configuration NEMO-MED12 pour forcer le modèle biogéochimique Eco3M-MED. Les nombreuses comparaisons menées dans cette thèse (chlorophylle, sels nutritifs, production primaire, etc.) ont aidé à s'assurer de la capacité du modèle à reproduire les principales caractéristiques biogéochimiques de la Méditerranée. Ce travail a permis de généraliser le rôle majeur joué par le carbone organique dissous dans la pompe biologique à l'échelle de la mer Méditerranée. Les résultats montrent que la production de carbone organique particulaire est restreinte aux régions de forte dynamique physique, tandis que l'accumulation de carbone organique dissous dans les eaux de surface est commune à la plupart des régions du bassin. Ce dernier processus s'est avéré dépendant des contenus cellulaires du phytoplancton et des bactéries hétérotrophes. Finalement d'après le modèle, la fraction dissoute du carbone organique contribuerait à hauteur d'environ 64 % à l'exportation dans le bassin Ouest, et de 90 % dans le bassin Est. Le bassin Est -en dépit de sa plus forte oligotrophie- s'avère participer à près de 60 % à l'exportation de carbone organique en mer Méditerranée. / This work is part of the SIMED project which is dedicated to basin-scale modeling of the Mediterranean Sea. It also belongs to the MERMEX program which aims at studying biogeochemical cycles in the Mediterranean Sea and their evolution. The first step of this work was to couple the hydrodynamic modeling platform (NEMO) to the mechanistic biogeochemical modeling platform (Eco3M). We ran a simulation (2000-2012) using the hydrodynamic outputs from NEMO-MED12 configuration to force the biogeochamical model Eco3M-MED. The model evaluation was conducted using numerous field measurements (chlorophyll, nutrients, primary production, etc.). The simulation strengthens and extends to the whole basin the prominent role of dissolved organic carbon in the biological carbon pump in the whole Mediterranean Sea. A comprehensive analysis of organic carbon (particulate and dissolved) production processes production was performed. Results reveal that particulate organic carbon production is restricted to the highly dynamic areas, whereas dissolved organic carbon accumulation in the surface layers is a common process in much areas of the basin. This latter process appeared to dependant on the cellular contents of phytoplancton and heterotrophic bacteria, themselved being controled by low phosphate availability. Finally, the dissolved organic carbon contribution to carbon export is around 64 % in the Western basin, and up to 90 % in the Eastern basin. When taking into account the dissolved fraction, total organic carbon export in the Eastern basin -despite its higher oligotrophy- exceeds the one in the Western basin (60% against 40 %).

Le champ électrique d'une puissance suffisante peut provoquer une augmentation de conductivité et perméabilité de la membrane cellulaire. L'effet est connu comme l'électroporation, attribuée à la création de voies aqueuses dans la membrane. Quantifier le transport de la matière dans le cadre d'électroporation est un objectif important. Comprendre ces processus a des ramifications dans l’extraction du jus ou l’extraction sélective des composés de cellules végétales, l'amélioration de l'administration de médicaments, et des solutions aux défis environnementaux. Il y a un manque de modèles qui pourraient être utilisés pour modéliser le transport de la matière dans les structures complexes (tissus biologiques) par rapport à l'électroporation. Cette thèse présente une description mathématique théorique (un modèle) pour étudier le transport de la matière et le transfert de la chaleur dans tissu traité par l’électroporation. Le modèle a été développé en utilisant les lois de conservation et de transport et permet le couplage des effets de l'électroporation sur la membrane des cellules individuelles au transport de la matière ou la chaleur dans le tissu. Une solution analytique a été trouvée par une simplification, mais le modèle peut être étendu avec des dépendances fonctionnelles supplémentaires et résolu numériquement. La thèse comprend cinq articles sur l'électroporation dans l'industrie alimentaire, la création de modèle pour le problème de diffusion, la traduction du modèle au problème lié à l’expression de jus, validation du modèle, ainsi que des suggestions pour une élaboration future du modèle. Un chapitre supplémentaire est dédié au transfert de la chaleur dans tissu. / An electric field of sufficient strength can cause an increase of conductivity and permeability of cell membrane. Effect is known as electroporation and is attributed to creation of aqueous pathways in the membrane. Quantifying mass transport in connection with electroporation of biological tissues is an important goal. The ability to fully comprehend transport processes has ramifications in improved juice extraction and improved selective extraction of compounds from plant cells, improved drug delivery, and solutions to environmental challenges. While electroporation is intensively investigated, there is a lack of models that can be used to model mass transport in complex structures such as biological tissues with relation to electroporation. This thesis presents an attempt at constructing a theoretical mathematical description – a model, for studying mass (and heat) transfer in electroporated tissue. The model was developed employing conservation and transport laws and enables coupling effects of electroporation to the membrane of individual cells with the resulting mass transport or heat transfer in tissue. An analytical solution has been found though the model can be extended with additional dependencies to account for the phenomenon of electroporation, and solved numerically. Thesis comprises five peer-reviewed papers describing electroporation in the food industry, model creation for the problem of diffusion, translation of the model to the mathematically-related case of juice expression, model validation, as well as suggestions for possible future development, extension, and generalization. An additional chapter is dedicated to transfer of heat in tissue.

La modélisation dynamique des systèmes écologiques constitue une méthode incontournable pour comprendre,prédire et contrôler la dynamique des écosystèmes semi-naturels, qui fait intervenir des processuscomplexes. Le principal objectif de cette thèse est de développer un modèle permettant de simuler la dynamiqueà moyen terme de la végétation herbacée dans les prairies permanentes, en tenant compte à lafois de la productivité et de la biodiversité. Les prairies sont des réservoirs présentant une forte biodiversitévégétale, qui soutiennent de nombreux services écosystémiques. Sur le plan agricole, cette importantediversité contribue à la qualité de la production fourragère, et de plus, elle permet une plus grande résistancede la végétation face à des changements climatiques (réchauffement moyen, vagues de chaleur etde sécheresse).Pourtant, cette notion clé de biodiversité n’est que faiblement prise en considération dans la modélisationde l’écosystème prairial : elle est souvent absente ou alors présente sous une forme très simplifiée. Enréponse à ces considérations, ces travaux de thèse présentent la construction d’un modèle de successionbasé sur des processus, décrit par un système d’équations différentielles ordinaires, qui représente ladynamique de la végétation aérienne des prairies tempérées. Ce modèle intègre les principaux facteursécologiques impactant la croissance et la compétition des espèces herbacées, et peut s’ajuster à n’importequel niveau de diversité, par le choix du nombre et de l’identité des espèces initialement présentes dansl’assemblage. Ce formalisme mécaniste de modélisation nous permet alors d’analyser les relations qui lientdiversité, productivité et stabilité, en réponse à différentes conditions climatiques et différents modes degestion agricole.[...]Ces résultats soulignent alors le besoin de prendre en compte le rôle clé joué par la biodiversité dansles modèles de l’écosystème prairial, de par son impact sur le comportement des dynamiques simulées.De plus, pour rendre correctement compte des interactions au sein de la végétation, le nombre d’espècesconsidéré dans le modèle doit être suffisamment important. Enfin, nous comparons les simulations devégétation de ce modèle à des mesures issues de deux sites expérimentaux, la prairie de fauche d’Oensingen,et le pâturage de Laqueuille. Les résultats de ces comparaisons sont encourageants et soulignentla pertinence du choix et de la représentation des processus écologiques clés qui composent ce modèlemécaniste.Ce travail de thèse propose donc un modèle, en total adéquation avec les besoins actuels en terme demodélisation de l’écosystème prairial, qui permet de mieux comprendre la dynamique de la végétationherbacée et les interactions entre productivité, diversité et stabilité. / Dynamic modelling of ecological systems is an essential method to understand, predict and control thedynamics of semi-natural ecosystems, which involves complex processes. The main objective of this PhDthesis is to develop a simulation model of the medium- and long-term dynamics of the herbaceous vegetationin permanent grasslands, taking into account both biodiversity and productivity. Grasslandecosystems are often hot spots of biodiversity, which contributes to the temporal stability of their services.On an agricultural perspective, this important biodiversity contributes to the forage quality, andbesides, it induces a higher ability of the vegetation cover to resist to different climatic scenarios (globalwarming, heat and drought waves).However, this key aspect of biodiversity is only poorly included in grassland models : often absent ofmodelling or included in a very simple form. Building on those considerations, this PhD work exposes thewriting of a process-based succession model, described by a system of Ordinary Differential Equationsthat simulates the aboveground vegetation dynamics of a temperate grassland. This model implementedthe main ecological factors involved in growth and competition processes of herbaceous species, and couldbe adjust to any level of diversity, by varying the number and the identity of species in the initial plantcommunity. This formalism of mechanistic models allows us to analyse relationships that link diversity,productivity and stability, in response to different climatic conditions and agricultural management.In mathematical grassland models, plant communities may be represented by a various number of statevariables, describing biomass compartments of some dominant species or plant functional types. The sizeof the initial species pool could have consequences on the outcome of the simulated ecosystem dynamicsin terms of grassland productivity, diversity, and stability. This choice could also influence the modelsensitivity to forcing parameters. To address these issues, we developed a method, based on sensitivityanalysis tools, to compare behaviour of alternative versions of the model that only differ by the identityand number of state variables describing the green biomass, here plant species. This method shows aninnovative aspect, by performing this model sensitivity analysis by using multivariate regression trees. Weassessed and compared the sensitivity of each instance of the model to key forcing parameters for climate,soil fertility, and defoliation disturbances. We established that the sensitivity to forcing parameters ofcommunity structure and species evenness differed markedly among alternative models, according tothe diversity level. We show a progressive shift from high importance of soil fertility (fertilisation level,mineralization rate) to high importance of defoliation (mowing frequency, grazing intensity) as the sizeof the species pool increased.These results highlight the need to take into account the role of species diversity to explain the behaviourof grassland models. Besides, to properly take into account those interactions in the grassland cover, theconsidered species pool size considered in the model needs to be high enough. Finally, we compare modelsimulations of the aboveground vegetation to measures from two experimental sites, the mowing grasslandof Oensingen, and the grazing grassland of Laqueuille. Results of these comparison are promising andhighlight the relevance of the choice and the representation of the different ecological processes includedin this mechanistic model.Thus, this PhD work offers a model, perfectly fitting with current needs on grassland modelling, whichcontribute to a better understanding of the herbaceous vegetation dynamics and interactions betweenproductivity, diversity and stability.

Les moustiques sont sources de nuisances et vecteurs d'agents pathogènes majeurs pour l'homme et les animaux. Malgré l'existence de moyens de lutte, la maîtrise de leurs populations reste un enjeu contraint par une connaissance fine de leur dynamique dans l'espace et le temps. Cette thèse vise à identifier les facteurs biotiques et abiotiques qui affectent la dynamique spatio-temporelle de population de moustiques. Une approche intégrative de modélisation dynamique, couplée à l'utilisation d'un système d'information géographique (SIG), d'analyses statistiques et de données d'observation, m'a permis de représenter la dynamique de population de moustiques pour mieux la comprendre et identifier des moyens de lutte efficaces. Un modèle déterministe générique, piloté par le climat, représente le cycle de vie des moustiques sur plusieurs années. Ce modèle appliqué à des espèces d'Anopheles en zone rurale humide (Camargue, France) est cohérent avec les données entomologiques. Il est sensible aux variations de mortalité, développement, sex-ratio et nombre d'oeufs pondus. Il permet d'évaluer des stratégies de lutte ciblant un stade du cycle de vie et une période de l'année. Ayant démontré que la distribution des sites de ponte expliquait pour partie la structuration spatiale des populations, ce facteur et la recherche d'hôtes ont été retenus pour piloter le déplacement des adultes. Une composante spatiale a été intégrée au modèle via la représentation d'un paysage réel et les déplacements sur ce paysage. Les premiers résultats montrent que l'hétérogénéité du paysage et son évolution dans le temps influencent la répartition et l'abondance en moustiques.