L'étude des écoulements souterrains et du transport de contaminant en conditions de terrain est souvent très difficile, notamment en raison de l'hétérogénéité souvent importante des formations aquifères. Pour mieux comprendre les processus en jeu, les paramètres hydrodynamiques et hydrodispersifs sont souvent estimés en laboratoire dans des conditions entièrement contrôlées. L'objectif de ce mémoire est de vérifier s'il est possible de reproduire l'écoulement et le transport de contaminant dans une maquette hydrogéologique munie d'un simulateur de pluie en laboratoire dont les sables auraient été caractérisés en laboratoire. Cinq sables sont d'abord étudiés par des techniques classiques: des courbes granulométriques ainsi que des essais de Darcy et de traçage au NaCI dans un dispositif de Darcy de 43 cm de longueur. Ces techniques ont permis de déterminer les conductivités hydrauliques et les dispersivités des sables. Des essais d'écoulement et des traçages au NaCI sont ensuite réalisés en laboratoire dans une maquette hydrogéologique représentant un aquifère de dimensions 2 m x 1.32 m x 0.25 m. La maquette est d'abord remplie d'un seul des cinq sables pour représenter un aquifère homogène. Des expériences d'écoulement et de transport sont réalisés dans cet aquifère, avec et sans la recharge imposée au moyen d'un simulateur de pluie. La maquette hydrogéologique est par la suite vidée et remplie à nouveau d'une combinaison des cinq sables disposés en blocs de 4 cm x 4 cm x 25 cm suivant un variogramme exponentiel. Les expériences d'écoulement et de transport sont réalisées avec cet aquifère hétérogène, à nouveau avec et sans recharge. Les charges, les débits et les concentrations mesurés dans toutes ces expériences sont ensuite simulés avec un modèle Modflow et un modèle MT3D. Les paramètres calés pour reproduire les résultats de laboratoire sont comparés à ceux déterminés expérimentalement. Les résultats montrent que les conductivités hydrauliques estimées au moyen des courbes granulométriques sont peu représentatives des valeurs obtenues par l'expérience de Darcy. Les conductivités hydrauliques calées dans Modflow avec et sans recharge, pour les aquifères homogène et hétérogène sont quant à elles très similaires aux valeurs obtenues avec le dispositif de Darcy. Ceci indique que les paramètres hydrodynamiques mesurés en laboratoires sont fiables et représentatives des sables testés. Par ailleurs, les dispersivités mesurées dans le dispositif de Darcy sont jusqu'à 60% supérieures à celles calées dans MT3D pour reproduire les traçages réalisés en laboratoire. Ceci s'explique par la différence d'échelle entre le dispositif de Darcy (43 cm) et les blocs de l'aquifère hétérogène (4 cm). Ces résultats confirment qu'il est beaucoup plus difficile d'estimer en laboratoire les propriétés hydrodispersives d'un matériau aquifère que ses propriétés hydrodynamiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Traçage, Simulateur de pluie, Maquette hydrogéologique.

Les sulfates issus de la pollution industrielle d'Eurasie et transportés à travers la basse troposphère arctique durant l'hiver sont soupçonnés d'altérer les propriétés des nuages au point d'affecter significativement le climat de cette région. Un de leurs effets potentiellement importants est l'inhibition du gel des gouttelettes en cristaux de glace (effet IGIS), qui favoriserait les nuages formés de cristaux à grande taille et déclencherait un mécanisme associé à une anomalie de refroidissement à la surface. Grâce à de récentes données satellitaires, issues des missions CloudSat et CALIPSO, les implications escomptées de l'effet IGIS peuvent être testées à l'échelle de l'Arctique. La superposition des observations quasi-simultanées du radar de CloudSat et du lidar de CALIPSO a permis de développer une nouvelle classification des nuages arctiques centrée sur le rayon effectif des cristaux de glace. Un proxy de la concentration en sulfates dans les parcelles d'air non-nuageuses a aussi été élaboré à partir des mesures du lidar, et validé à partir de mesures in situ. Différents tests de corrélation entre d'une part les propriétés des nuages glacés censés êtres les plus affectés par l'effet IGIS (nommés TIC-2B) et d'autre part le proxy de la concentration en sulfates ont été conduits afin d'approfondir notre compréhension de cet effet. Des limites méthodologiques, entre autres l'impossibilité d'estimer les concentrations en sulfates à l'intérieur des nuages, ont empêché l'atteinte de conclusions définitives. Cependant, les distributions géographiques des TIC-2B el du proxy sont cohérentes avec un effet IGIS ayant lieu durant le transport de la pollution eurasienne vers les mers de Chukchi et de Beaufort. Enfin, les propriétés macrophysiques des nuages stratiformes en phase mixte, potentiellement affectés eux aussi par l'effet IGIS, ont été caractérisées. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : climat arctique, sulfates, nuages, effet indirect des aérosols, données satellitaires.

This research work deals with three-dimensional modeling of groundwater flow and solute transport problems in groundwater aquifer systems, with several complexities, heterogeneities and variable conditions as encountered in the field. Finite element methods are used throughout to solve a range of different problems, using in particular the Galerkin weighted residual approach based on trilinear hexahedral elements. Special emphasis is made on transient and non-linear groundwater flow problems with moving interfaces, such as the water table and the freshwater-saltwater sharp interface. A generalized Fast Updating Procedure technique is developed for these situations, which presents a number of advantageous features in comparison to classic computational techniques used to deal with such problems. One of the important contributions is the automatic construction of the generic soils characteristic curves, which are dynamically dependent upon the overall system water status. Several test examples are successfully worked out for validating this technique in different aquifer configurations, and under different initial and boundary conditions. These test cases show that the proposed method is cheap, numerically stable and accurate. Numerical stability is guaranteed through a developed solver, which is obtained by using state of the art methods for robust preconditioning and efficient numerical implementation. The accuracy is demonstrated by comparison against analytical, other numerical approaches, and laboratory experimental solutions. The usefulness of the method is clearly shown by the application of the 3-D sharp interface finite element model 'GEO-SWIM' to the coastal aquifer system of Martil in the north of Morocco. Several efficient runs are made, leading to a calibrated management model for the study area, giving a clear picture of the salinization risk in the aquifer due to saltwater encroachment. Three-dimensional modeling of solute transport problems in groundwater aquifer systems is equally investigated. It is concluded that the standard Galerkin finite element method is computationally intensive, since the obtained system of numerical equations is very large, sparse, none symmetric and usually difficult to solve with standard iterative techniques. Hence, preconditioning is necessary to improve the convergence behavior of ill-conditioned systems. In this work, we propose an M-matrix type of transformation on the general transport matrix which guarantees the existence of the preconditioning schemes, and hence improves the overall solvers performance and robustness. The usefulness of the method is demonstrated by solving several test examples with different complexities, including hypothetical and field applications in Belgium. Different solvers are tested as the minimal residual method and the stabilized biconjugate gradient method, in combination with different preconditioning schemes, as diagonal scaling and incomplete factorization. It is concluded that M-matrix preconditioning is very simple to implement, and proves to be very efficient and robust. An effort is put on packaging the computer programs, by giving modern visual support to many modules. Therefore, several GUI programs are provided as complementary tools to support the developed models, enabling their friendly use, and the possibility for future extensions.

The continuous demand on new residential and economic areas of the modern society has to face up with problems posed by polluted sites related to former industrial activities, typically located in suburbs areas. These sites, known as brownfields, are often located nearby navigable rivers to facilitate transport operations of industrial manufacturing, which increase their potential environmental threat due to the possible migration of pollutants in groundwater to surface water bodies through groundwater discharge. In this context, the objective of this research, performed in the scope of the FP6-IP AquaTerra project, was to contribute to a better assessment of the risk of groundwater contaminant dispersion for a brownfield located next to the Meuse River (Belgium), in a context where strong groundwater - surface water interactions prevail. The brownfield of interest corresponds to the site of the former coke factory of Flémalle. Resulting from industrial activities, soil and groundwater located in the alluvial aquifer are heavily contaminated with various types of organic (BTEX, PAHs, mineral oils...) and inorganic (As, Zn, Cd...) pollutants. To do so, detailed characterisation campaign was performed, consisting of, on the one hand, classical field experiments such as pumping tests, injection tests and tracer experiments; on the other hand, advanced and original field experiments such as detailed monitoring of groundwater - surface water interaction and dynamics, and the development and application of an innovative tracer technique, the Finite Volume Point Dilution Method (FVPDM), used to quantify and monitor groundwater fluxes. Monitoring and field works data was subsequently used to develop and calibrate a groundwater flow model using the finite difference code MODFLOW, with an automatic parameter estimation approach based on an original combined regional scale (zonation) and local scale (pilot points) approach. A transport model was also developed using MT3DMS and calibrated using tracer experiments performed in the brownfield. This groundwater flow and transport model was used to better quantify the dynamics of groundwater - surface water interactions and to model various scenarios of contaminant dispersion through the aquifer - river system. For these scenarios, benzene was considered because it is one of the main pollutants encountered in the site, its large solubility and mobility in groundwater and its acute toxicity. These scenarios were established considering various groundwater flow conditions (steady state vs. transient) and various hydrodispersive processes possibly affecting the mobility of benzene in groundwater, namely advection, hydrodynamic dispersion, sorption - desorption and, as evidenced by the research results of the University of Neuchâtel (Switzerland), benzene degradation under sulphate reducing conditions. These simulations indicate that benzene attenuation is mainly controlled by ongoing benzene degradation processes, aquifer heterogeneity and river stage fluctuations. Based on this analysis, the risk of benzene dispersion is low, and monitored natural attenuation (MNA) is a valuable option with (1) monitoring benzene at control planes downstream from the sources; (2) further investigation on risk of sulphate depletion in the alluvial aquifer; and (3) further investigation on mobilisation/immobilisation of heavy metals related to dynamics of organic pollutant plumes.