Dissertations / Theses on the topic 'Écoulement géophysique'

Cette thèse traite de la pollution par les solvants chlorés des nappes alluviales. Les solvants chlorés ont des caractéristiques physico-chimiques qui rendent leur devenir dans l'environnement compliqué. Deux sites industriels en activité avec un problème de pollution de ce type ont été traités avec une approche multidisciplinaire. Cette approche peut être résumée en quatre point : I) une synthèse des informations et des études disponibles au commencement de la thèse ; II) une analyse détaillée de la variation spatiale et temporelle des solvants chlorés dans les zones étudiées ; III) des études et des travaux menés pour caractériser le fonctionnement du système aquifère et le devenir de la pollution, en particulier, les études in situ de l'écoulement par multitraçage et des études in situ et en laboratoire de la biodégradation des solvants et de son éventuelle stimulation par des adjuvants appropriés ; IV) des propositions pour des analyses et des actions complémentaires. Cette approche a permis de définir, pour chacun des sites, un modèle conceptuel du fonctionnement environnemental (physique et biologique) plus détaillé que celui existant et de faire une première quantification des processus qui règlent le devenir des COHV dissous dans l'espace et le temps. Nos résultats indiquent que dans ces deux sites, la stimulation de l'activité de biodégradation des solvants, présente naturellement dans le milieu, pourrait être une méthode efficace pour la remédiation de la pollution par les solvants chlorés dissous. Cette thèse montre la nécessité d’une approche multidisciplinaire pour la planification d'une méthode adéquate de traitement d'une pollution de ce type
This thesis focused on pollution by chlorinated solvents of alluvial systems. Chlorinated solvents have physicochemical characteristics that make their environmental evolution complicated. Two industrial sites, sill in activity, with a chlorinated solvents pollution problem are treated with a multidisciplinary approach. This approach can be summarized in four points : I) a summary of information and studies available at the beginning of the thesis ; II) a detailed analysis of the spatial and temporal variation of concentrations in the studied area ; III) further studies and works to better characterize the functioning of the aquifer system and pollution, in particular, in situ groundwater flow studies (multitracer) and field-laboratory studies of biodegradation of solvents and its possible stimulation by appropriate compounds ; IV) proposals for analysis and further action. This approach help us to define, for each site, a more detailed conceptual model of environmental (physical and biological) functioning and to make a first quantification of the processes that regulate the dissolved COHV becoming in space and time. Our results indicate that, in these two sites, the stimulation of the biodegradation activity of solvents, naturally occurring, could be an effective method for remediation of pollutions. This thesis demonstrates the need for a multidisciplinary approach to planning an appropriate method of treatment of such pollution

Les dômes métamorphiques extensifs associés à des détachements résultent de l'extension des domaines continentaux épaissis et thermiquement relaxés. La modélisation numérique et analogique montre que les dômes se forment en deux étapes : la striction de la croûte supérieure fragile et l'amplification du dôme, accommodée par un fluage de la croûte ductile. Contrairement à ce qui est généralement admis, les détachements ne s'initient pas au début de l'extension, mais résultent d'une évolution progressive de la déformation. Le style de déformation du domaine égéen est analysé à partir du calcul de l'épaisseur crustale en gravimétrie. Les variations d'épaisseur crustale résultent d'un processus d'extension en deux étapes. A l'Oligo-Miocène, l'effondrement gravitaire conduit à un amincissement crustal de 100% et à la formation des dômes. Au Pliocène, l'extrusion de l'Anatolie modifie la cinématique extensive avec des zones de déformation plus localisées.

Nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation numérique d'écoulements gravitaires transitoires à surface libre, pour des fluides visqueux et incompressibles. La loi de comportement est de type viscoplastique avec transition fluide/solide. Plus précisément, nous considérons la loi rhéologique de Drucker--Prager. Nous nous intéressons tout d'abord le cas unidimensionnel d'un écoulement longitudinal cisaillé. Nous étudions un modèle simplifié, avec terme source empirique, pour lequel nous concevons une méthode numérique pour le suivi de la position de l'interface entre la couche solide et la couche fluide. Nous présentons des résultats numériques, avec divers termes sources, et nous comparons ces résultats, lorsque la viscosité est petite, à la solution analytique non visqueuse. Dans le cas visqueux, nous étudions les phases de démarrage et d'arrêt de l'écoulement. Dans un second temps, nous étudions le cas bidimensionnel d'écoulement de Drucker--Prager avec surface libre. La loi de comportement du fluide est traitée par régularisation, et nous utilisons la méthode ALE pour traiter le mouvement du domaine. Nous présentons des résultats numériques pour l'étude de la mise en mouvement d'un talus.

Dans cette thèse, on s'est intéressé à la dynamique des poches de tourbillon pour des équations issues de la mécanique des fluides posées dans le plan. La thèse est composée de trois partie indépendantes. Un des objectifs est d'établir l'existence des tourbillons uniformément concentrés et rigides, c’est-à-dire, qui ne se déforment pas lors de l'évolution. Nous analysons deux configurations liées à la nature topologique du support: poches simplement et doublement connexes. Nos solutions sont obtenues via des techniques de bifurcations et d'analyse complexe. Le deuxième objectif est d'obtenir des précisions sur la structure globale du diagramme de bifurcation et sa réponse vis-à-vis des petites perturbations dans le modèle. Plus précisément, dans le deuxième chapitre on prouve l'existence de V-states doublement connexes dans un voisinage de l'anneau pour le modèle des surfaces quasi-géostrophique. On montre que l'on peut construire des branches de solutions qui sont des anneaux perturbés pour certaines valeurs explicites de vitesses angulaires qui sont liées aux fonctions hypergéométriques de Gauss et aux fonctions de Bessel. Le troisième chapitre porte sur l'étude de la structure du diagramme de bifurcation dans le cas doublement connexes pour l'équation d'Euler. Numériquement, près d'un cas dégénéré, les deux branches issues des deux vitesses angulaires possibles semblaient se rejoindre pour former un lacet. Nous avons prouvé analytiquement ce résultat. Le quatrième chapitre porte sur le modèle shallow water quasi-géostrophique. Dans une première partie, on prouve l'existence de V-states simplement connexes dans un voisinage du tourbillon de Rankine pour un nombre dénombrable de vitesses angulaires liées aux fonctions de Bessel modifiées. La deuxième partie porte sur la réponse du diagramme de bifurcation lorsque l'on fait varier un paramètre du modèle. On montre en particulier qu'une singularité présente lors d'un cas limite est éclatée. Notre étude analytique a été complétée par des simulations numériques portant sur les V-states limites pour les symétries deux et trois
In this dissertation, we are concerned with the vortex dynamics for some equations arising in fluid mechanics. We distinguish three independent parts. One of the objectives is to prove the existence of uniformly concentrated rigid vortices, they do not change their shapes during the motion. We examine two configurations related to the topological nature of the support: simply and doubly connected vortex patches. Our solutions are obtained using bifurcation arguments and complex analysis tools. The second objective is to obtain some precisions on the global structure of the bifurcation diagram and its response to small perturbations. More precisely, in the second chapter we prove the existence of doubly connected V-states in a neighborhood of the annulus for the surface quasi-geostrophic model. We check that we can construct some branches of solutions which are perturbated annulus at some angular velocities related to hypergeometric Gauss functions and Bessel functions. The goal of the third chapter is to study the structure of the bifurcation diagram in the doubly connected case for Euler equations. Numerically, close to a degenerate case, the two branches of solutions come from the two angular velocities seems to merge to form a loop. We prove analytically this result. In the last chapter, we focus on the shallow quasi-geostrophic model. In the first part, we prove the existence of the simply V-states in a neighborhood of the Rankine Vortices for a countable number of angular velocities related to modified Bessel functions. In the second part, we study the reaction of the diagram bifurcation for small perturbations of the parameter. In particular, we prove that some singularities are broken due to a resonance phenomenon. Our analytical study is completed by numerical simulations on the limiting V-states for the two and three fold symetries

Cette thèse est une application de la mécanique statistique pour des fluides quasi-bidimensionnels à l'étude de l'organisation turbulente des flots géophysiques. Dans la première partie, nous analysons les états d'équilibre du modèle Quasi-Géostrophique et du modèle Shallow-Water, dans la limite des faibles rayons de déformation de Rossby. Nous développons alors une analogie thermodynamique, dans laquelle ces structures stationnaires sont interprétées comme la coexistence de deux phases, séparée par une interface dont la forme est régie par un problème de longueur minimale. Si nous tenons compte, en outre, du mouvement du fluide profond, le flot possède toutes les caractéristiques qualitatives des structures de Jupiter. En particulier, nous proposons un modèle quantitatif de la tache rouge, le premier permettant la compréhension de la formation et de la stabilité de cette structure, dans un flot turbulent; tout en étant en accord de façon précise avec les données d'observation. La seconde partie est consacrée à la thermodynamique hors équilibre. Nous y étudions, pour les fluides bidimensionnels, la validité et l'intérêt d'une paramétrisation des échelles turbulentes, grâce à l'utilisation d'un principe de production maximal d'entropie. Une analyse empirique, basée sur des calculs numériques, permet de montrer que le flux turbulent est anisotrope. Cette observation est en désaccord avec les applications précédentes du principe de production maximale d'entropie. Nous en proposons une généralisation. L'utilisation des équations ainsi obtenues, permet une précision accrue pour la prédiction de l'évolution du flot, en comparaison avec les paramétrisations classiquement utilisées. Nous proposons le terme de saturation statistique, liée à la coalescence de tourbillons, pour d'écrire et expliquer ce gain important. Nous donnons des arguments précisant l'intérêt de cette amélioration, pour la prédiction météorologique et pour les modèles climatiques.

Une instabilité typiquement agéostrophique est l'instabilité inertielle. Pour le modèle de l'eau peu profonde en rotation (StV) à deux couches, comme pour les équations primitives, en étudiant la stabilité linéaire de jets barotropes zonaux à fort nombre de Rossby, dans le plan f, nous montrons que cette instabilité, due à l'existence de modes piégés autour de l'écoulement, est en fait la limite, pour des perturbations au nombre d'onde nul le long de l'écoulement, de l'instabilité barocline classique, pourtant due à la résonance d'ondes. Cette instabilité domine même l'instabilité barotrope, pour un écoulement suffisamment agéostrophique. La saturation non linéaire de ces instabilités est ensuite étudiée dans les modèles StV et, pour un écoulement plus réaliste, en utilisant le modèle mesoéchelle "Weather Research and Forecasting". La saturation est notamment associée à une homogénéisation de la région instable et à l'émission spontanée d'ondes internes d'inerties-gravités. Mais des différences entre les deux instabilités existent également. Par exemple, la production, pour l'instabilité inertielle, d'instabilités de petite échelle, type Kelvin-Helmholtz. Les écoulements présentant des fronts sont sujets à des instabilités agéostrophiques spécifiques. Dans le modèle StV à deux couches, nous avons étudié la stabilité d'un courant surfacique de densité. Les instabilités barotropes et baroclines (ainsi que leurs développements non linéaires) dues aux résonances entre les ondes frontales, de Rossby, topographiques et de gravités présentes dans l'écoulement ont été analysées et quantifiées. Bien qu'à grande profondeur l'instabilité dominante soit la résonance barotrope entre deux ondes frontales, à faible profondeur, à grande longueur d'onde, c'est la résonance barocline entre une onde frontale et une onde de Rossby qui domine. Quoique non dominante, la résonance barocline entre une onde frontale et une onde topographique a aussi été observée. Finalement, l'ajustement agéostrophique de structures dipolaires a été étudié. Notamment la déstabilisation de structures agéostrophiques initialement équilibrées, ainsi que la formation qui en suit de structures dipolaires agéostrophiques quasi-stationnaires
Due to the existence of trapped mode at the anticyclonic shear, inertial instability is a typical ageostrophic instability. In the linear stability of a barotropic zonal jet, at high Rossby number, in the two-layer rotating shallow water (RSW) model as in the continuous stratification one, we show that the inertial instability turns out to be the limiting case, for infinitely along jet wavelength, of the classic baroclinic instability, due to waves resonance. For flows ageostrophic enough, this instability dominates over the barotropic one. In the two-layer RSW finite volume high resolution numerical scheme, as in the "Weather Research and Forecasting" model (for more realistic jet), the nonlinear evolution of these instabilities is shown to be associated with a homogenization process within the region of instability and spontaneous emission of internal inertia-gravity waves. Inertial instability is also associate with the production of small scale Kelvin-Helmholtz type instabilities. Coupled density fronts present specific ageostrophic instabilities, as we found from the stability analysis of the two-layer RSW model. We studied barotropic and baroclinic instabilities due to resonances of the frontal, Rossby, topographic and gravity waves, as well as the corresponding nonlinear effects. A swap in the leading long-wave instability from the barotropic resonance of two frontal waves, to the baroclinic resonance of Rossby and frontal waves, takes place with decreasing depth. We also found the baroclinic resonance of frontal and topographic waves. We finally studied the ageostrophic adjustment, focusing on dipolar perturbation, by direct numerical simulations of the one-layer RSW model. The associate instabilities of geostrophically balanced motions and the formation of agestrophic quasi-stationary dipoles are also studied

La these est constituee de quatre parties independantes : la premiere partie etudie un modele oceanique, constitue des equations shallow-water a deux couches et demie. La dynamique double gyre d'un bassin rectangulaire est decrite en fonction des parametres physiques. Les differentes branches d'attracteurs sont etudiees. La deuxieme partie propose une nouvelle methode elements finis permettant de resoudre des edps vectorielles sur la sphere. Le probleme des poles est resolu en utilisant un double systeme de coordonnees locales et en perturbant la base d'elements finis de maniere ad-hoc. La resolution numerique de l'operateur de laplace-beltrami vectoriel confirme les estimations theoriques donnees. Des ecoulements de navier-stokes sur la sphere sont simules numeriquement. La troisieme partie aborde la simulation d'odes rapidement oscillantes. A partir d'un developpement asymptotique, on construit un systeme d'odes renormalise. Ces equations approximent, apres un filtrage lineaire, la dynamique lente des equations de depart. Des estimations sont donnees sur l'erreur entre la solution de depart et la solution renormalisee. La derniere partie propose une technique ameliorant la stabilite lineaire de schemas explicites en temps. L'idee est de decomposer l'inconnue en petites et grandes structures, puis d'utiliser un schema en temps explicite et inconditionnellement stable pour les petites structures. Cette idee a deja ete appliquee avec succes dans le cadre des methodes spectrales. L'objectif est de transposer ces techniques au cas des elements finis.

Dans de nombreux réservoirs géothermiques profonds, l'échangeur thermique est un massif de roches chaudes fracturées. Comment la morphologie des fractures influence-t-elle le flux hydraulique et le champ de température lorsque de l'eau froide est injectée dans ce milieu ? Cette question est abordée à l'échelle de la fracture, de manière numérique, à l'aide de deux méthodes : par différences finies, en 2D, et par méthode de Boltzmann sur réseau, en 3D. Les calculs en différences finies montrent qu'une ouverture auto-affine induit une variabilité spatiale du flux hydraulique et du champ de température. Dans certains cas, il se crée une chenalisation du fluide, qui réduit l'efficacité du transfert thermique entre la roche et le fluide. Ces caractéristiques hydro-thermiques sont essentiellement engendrées par les plus grandes longueurs d'ondes de ces ouvertures auto-affines. Une première application à grande échelle, dimensionnée suivant les caractéristiques du site géothermique de Soultz-sous-Forêts (Alsace, France), est proposée. Une deuxième application consiste à évaluer la perméabilité du sous-sol de Draix (Alpes, France). Pour cela, la géométrie de fractures présentes dans le sous-sol est caractérisée précisément à partir de carottes géologiques. La topographie des fractures, mesurée avec un laser, est utilisée pour reconstituer la morphologie de l'ouverture des fractures. Ces données sont utilisées pour quantifier la perméabilité, ici élevée -- de l'ordre de 10^-9-10^-8 m^2. À l'aide de méthodes de Boltzmann sur réseau, la modélisation du comportement hydro-thermique dans des fractures présentant une topographie avec de fortes pentes est abordée. Au voisinage d'une aspérité de forme simple, le comportement hydro-thermique modélisé est très différent (recirculation) de celui dans le reste de la fracture. L'ensemble de ces modélisations suggère qu'il est nécessaire de prendre en compte la morphologie des fractures pour estimer le comportement hydro-thermique en géothermie.

L’urbanisation croissante engendre une pression anthropique accrue sur les sols et les ressources en eau souterraine. La préservation durable de ces milieux requiert une meilleure compréhension des flux d’écoulement dans la zone non-saturée, prenant en compte les hétérogénéités du sous-sol, notamment naturelles, à l’échelle de l’ouvrage urbain. Cette étude vise à caractériser à cette échelle les hétérogénéités sédimentaires et hydrodynamiques du dépôt fluvioglaciaire de l’Est lyonnais, afin d’évaluer l’influence de ces hétérogénéités sur l’écoulement en zone non-saturée. Par une approche hydrogéophysique, couplant une caractérisation sédimentologique des structures et textures sédimentaires, une investigation géophysique par radar géologique et panneau électrique, et une caractérisation des propriétés hydrodynamiques, un modèle hydrostratigraphique tridimensionnel du dépôt fluvioglaciaire a été défini au niveau d’une parcelle élémentaire d’un bassin d’infiltration d’eaux pluviales. Ce modèle traduit l’hétérogénéité sédimentaire et hydrodynamique à l’échelle de l’hydrofaciès. Des mesures de teneurs en eau à trois profondeurs dans le dépôt, couplée à une modélisation numérique des écoulements non-saturés à partir du modèle hydrostratigraphique, a permis d’évaluer le comportement hydrodynamique du dépôt fluvioglaciaire lors d’une phase d’infiltration. Les résultats montrent l’influence de la saturation initiale du dépôt sur les écoulements dans la zone non-saturée. L’hétérogénéité de l’écoulement est notamment associée à la présence de chemins préférentiels. L’approche hydrogéophysique utilisée est prometteuse pour la caractérisation hydrostratigraphique de dépôts sédimentaires hétérogènes
The increasing urbanization gene rates an anthropogenic pressure on subsoil and water resources. Their sustainable management require a better understanding of water flows in the vadose zone, taking into account their heterogeneities, in particular natural, at the local scale This study aims at characterizing at this scale the sedimentary and hydraulic heterogeneities of the glaciofluvial deposit located east of Lyon in order to evaluate the influence of these heterogeneities on the unsaturated flows. By a hydrogeophysical approach, relying on a sedimentological characterization of the sedimentary structures and textures, a geophysical investigation using ground-penetrating radar and electrical resistivity, and a characterization of the hydraulic properties, a three-dimensional hydrostratigraphic model of the glaciofluvi deposit was defined on a reduced zone of a stormwater infiltration basin. This model shows the sedimentary and hydraulic heterogeneities the hydrofacies scale. Measurements of water contents at three depths in the glaciofluvial deposit, coup led to a numerical modeling of the unsaturated flow from the hydrostratigraphic model, allowed to evaluate the hydraulic behavior of the glaciofluvial deposit du ring an infiltration. The results show the influence of the initial saturation of the deposit on the unsaturated flows. Heterogeneous flows are linked to preferential flow paths. The hydrogeophysical approach followed in this study is promising for the hydrostratigraphic characterization of heterogeneous sedimentary deposits

Le stock d’eau, ses variations temporelles et leurs répartitions spatiales, sont des grandes inconnues du cycle hydrologique d’Afrique de l’Ouest. Les trois principaux types de gravimètres actuels (un gravimètre relatif supraconducteur –SG–, un microgravimètre relatif –CG5–, et un gravimètre absolu –FG5–) ont été déployés sur un bassin versant élémentaire de l’observatoire AMMA-CATCH de l’Ouémé supérieur (Bénin), représentatif d’un milieu cultivé de la zone soudanienne. Conjointement, un important dispositif de suivi hydrologique (piézométrie, sonde à neutrons) a été mis en place, ainsi que des mesures de géophysique de proche surface (mesures électriques, électromagnétiques et résonance magnétique des protons –RMP–) pour la caractérisation des aquifères. Ces travaux font état des apports de la gravimétrie pour 1) la détermination de la porosité de drainage en zone de socle hétérogène, 2) le suivi des variations de stock d’eau intégrées à l’échelle d’appréhension des gravimètres (parcelle de 100m de côté) et 3) l’identification de processus hydrologiques liés à la redistribution interne au sein du bassin versant et à la genèse des écoulements
Water storage, together with its temporal and spatial variations, are major unknowns of the West African hydrological cycle. The three main gravimeter types (a relative superconducting gravimeter –SG–, a relative microgravimeter –CG5–, and an absolute gravimeter –FG5–) have been set up on an elementary catchment of the Upper Ouémé (Benin) AMMA-CATCH observatory, considered as a typical cultivated environment of the Sudanian area. Hydrological monitoring (water table, neutron probe) and near surface geophysics (electrical, electromagnetic, magnetic resonance soundings –MRS–) have been developed jointly, for aquifer characterization. This work states on the inputs provided by gravimetry on 1) specific yield determination in heterogeneous basement area, 2) the monitoring of water storage changes at the gravity measurements scale (100m square plot) and 3) hydrological processes identification, linked to internal catchment redistribution and streamflow generation

L'océan et l'atmosphère sont des milieux stratifiés, supports d'ondes internes de gravité. Ces ondes peuvent se propager sur de très grandes distances, transportant de l'énergie loin de leurs sources et jouant ainsi un rôle clé dans le bilan énergétique global des écoulements géophysiques. Notre approche expérimentale modélise de façon idéalisée les topographies océaniques et la stratification du milieu afin de comprendre les mécanismes fondamentaux mis en jeu en présence d'ondes internes. Cette démarche a été couplée au développement de techniques d'analyse des données telles que la démodulation complexe. Différents types d'ondes internes ont été utilisées. Pour cela, un point clé a été la caractérisation et le contrôle d'une nouvelle source d'ondes. Notre étude combinant expériences, simulations numériques et prédictions analytiques permet la génération contrôlée de structures spatiales variées (faisceaux localisés, modes verticaux occupant toute la hauteur du uide, ondes planes). L'étude du problème classique de la réflexion d'une onde plane sur un plan incliné a permis de vérifier l'absence d'onde retour pour des pentes proches de la criticalité, tout en mettant en évidence que ce cas d'école est encore un sujet ouvert. Nous avons également étudié la conversion d'un mode vertical modélisant la marée interne lors de l'interaction avec une topographie de grande échelle. Cette conversion est régie par des mécanismes linéaires et non-linéaires. La présence de pentes sous-critiques inuence la conversion du mode incident en de plus petites échelles spatiales, tandis que la hauteur de la topographie joue un rôle notable dans l'amplitude des modes transmis ainsi que l'intensité de processus non-linéaires générant des ondes harmoniques et un courant moyen. Nous avons réalisé la première mise en évidence expérimentale de la génération locale de trains d'ondes non-linéaires (solitons) lors de la réflexion d'un faisceau d'ondes internes intense et localisé au niveau d'une pycnocline. Ce phénomène dépend de la stratification considérée, qui caractérise la nature de la pycnocline. Enfin, une étude de la dynamique couplée entre un bateau évoluant à force constante et le fluide stratifié environnant a été menée. Le régime particulier des dépend d'un unique nombre sans dimension, le nombre de Froude associé à l'onde la plus rapide de la stratification sur laquelle le bateau évolue. Nous avons généralisé le cas classique à deux couches à tout type de stratification constituée d'une couche homogène en surface.

En géosciences, les points chauds, îles volcaniques intraplaques telles que Hawaii ou la Réunion, pourraient être l’expression en surface de panaches qui monteraient depuis la base du manteau, à 2900 km de profondeur. Les panaches, instabilités de la convection de Rayleigh-Bénard, se développeraient dans le manteau avec un nombre de Prandtl (Pr) de 1023 mais peuvent aussi être modéisés à partir d’un chauffage de petite taille, numériquement avec Pr infini, ou en laboratoire avec Pr ~103 - 106. Dans cette thèse nous étudions les caractéristiques d’un panache isolé dans un fluide visqueux, à viscosité constante. Nous utilisons des expériences de laboratoire et des modèles numériques. Les techniques de visualisation donnent accès aux champs de température et de vitesse pour une section 2-D de la cuve. Les simulations numériques utilisent une méthode d’éléments finis à symétrie cylindrique qui reproduisent les conditions de laboratoire avec les propriétés mesurées des fluides et du chauffage. On obtient un excellent accord entre ces deux approches indépendantes. Cela permet de proposer des lois d’échelles simples pour la dynamique de la tête et du conduit du panache et de les appliquer au cas de la Terre. Nous montrons notamment que pour des Pr supérieurs à 1000 l’effet de confinement l’emporte largement sur les effets inertiels et que la dynamique du panache est bien décrite par l’approximation Pr infini. Ceci est en particulier vrai pour les manteaux planétaires
In Earth Sciences, hot upwelling plumes are thought to develop from the base of the 2900 kmthick solid mantle of our planet and to generate hotspots, i. E. Intraplate volcanic islands such as Hawaii and La Reunion. Although generated through chaotic Rayleigh-B´enard instabilities at a Prandtl number (Pr) around 1023, they can be modelled with the simpler case of starting plumes out of a finite-size heater, either numerically for infinite Prandtl number, or in the laboratory with fluids with Pr ~ 103 - 106. Hence, the question is to find simple scaling laws for isolated rising plumes and apply them to the Earth’s mantle case. In this thesis we study the characteristics of an isolated plume growing in a viscous fluid with constant viscosity. We use both laboratory experiments and numerical models : the visualization techniques give us access to the growing plume temperature and velocity fields, on a 2-D section of the tank, whereas the numerical simulations are axisymmetric finite element simulations that attempt to reproduce the laboratory conditions as closely as possible. We find excellent quantitative agreement between the two fully independent approaches. This is used to derive scaling laws for the dynamics of the plume head and stem, and apply them to the Earth’s case. We further show that for Pr larger than 1000, confinement effects are more important than inertial effects and that plumes dynamics are well described by the approximation if infinite Prandlt number. This is especially true for planetary mantles

Le champ de glace nord de Patagonie (NPI) a connu des pertes de glace accélérées depuis le Petit Âge de Glace (PAG). Cette thèse évalue les conditions climatiques moyennes régnant en Patagonie, ainsi que les bilans de masse de surface et les flux de glace engendrés par la dynamique de la glace du NPI. En raison du manque de données disponibles, l’approche est principalement basée sur des modélisations physiques à la fois des conditions atmosphériques et de la dynamique de l’écoulement des glaciers.Dans un premier temps, la dynamique du glacier San Rafael (SRG) est modélisée à l’aide du modèle full-Stokes Elmer/Ice. Le modèle d’écoulement est initialisé et contraint à l’aide des données de vitesse de surface et d’altitude du lit rocheux. Le modèle est forcé en considérant diverses paramétrisations et scénarios d’évolution du bilan de masse de surface (BMS) avec l’altitude. Les modélisations visent à retrouver un accord entre bilan de masse total, BMS et dynamique de la glace. Les simulations montrent que les études précédentes ont systématiquement surévalué l’accumulation sur le plateau et à haute altitude. Le déséquilibre du glacier est principalement contrôlé par un flux de glace élevé (-0.83 +- 0.08 Gt/a) en comparaison du BMS légèrement positif (0.08 +- 0.06 Gt a-1). Nos modélisations permettent d’évaluer que les pertes de glace irréversibles pour le glacier (ou committed mass balance) seront en moyenne de 0.34 +- 0.03 Gt/a pour le prochain siècle. Cette valeur est la perte minimale attendue pour ce glacier en réponse au changement climatique futur.Dans un second temps, nous modélisons le BMS de SRG et de NPI à l’aide d’un modèle de circulation atmosphérique régionale, le modèle MAR. Le modèle est forcé par les reanalyses climatiques ERA-Interim et adapté de façon à reproduire l’accumulation mesurée sur le plateau. Une attention particulière est aussi portée aux valeurs d’ablation et d’albédo. Les températures et précipitations sont validées à l’aide de données provenant des vallées alentour. Entre 1980 et 2014, les valeurs de BMS intégrées à l’échelle du SRG et de NPI était de 0.86 Gt/a et -1.84 Gt/a, respectivement, associées à une forte variabilité interannuelle (de 1.4 Gt/a et 6.1 Gt/a respectivement). Cette variabilité dépend directement de celle des températures et des précipitations neigeuses en Patagonie. En raison de l’hypsometrie du SRG, de faibles variations de BMS autour de la ligne d’équilibre ont un impact très fort sur la valeur intégrée de BMS à l’échelle du glacier. Néanmoins, l’obtention de données in-situ d’accumulation est encore nécessaire pour réduire l’incertitude des valeurs de BMS. Ici, les BMS intégrés à l’échelle des trois plus gros glaciers à terminaison terrestre de NPI ont été validés à partir de bilans géodésiques. Ainsi, combinée aux pertes par vêlage, la valeur négative de BMS proposée pour NPI aurait permis la perte de masse du champ de glace depuis les années 80.Enfin, l’étude du bilan d’énergie de surface révèle que les variations d’albédo contrôlent celles du BMS, car il contrôle le rayonnement de courtes longueurs d’ondes et la fonte du glacier. Les variations d’albédo expliquent indirectement le lien existant entre température et fonte celui-ci étant conditionné par la phase des précipitations sur le plateau. Ainsi, les changements des précipitations neigeuses expliquent les variations de BMS, et nous supposons que les conditions climatiques ayant régné au PAG étaient plus humides et ont permis au glacier de se développer jusqu’à des altitudes trop faibles pour que les glaciers soient stables aujourd’hui.Cette thèse a ainsi permis d’évaluer les conditions atmosphériques régionales et de mieux contraindre la dynamique des glaciers et les valeurs de BMS du champ de glace NPI. Néanmoins, de nouvelles estimations sont à effectuer en zone d’accumulations de NPI pour contraindre encore le BMS et conclure définitivement sur les causes du recul de NPI depuis le PAG
The Northern Patagonia Icefield (NPI) have been losing mass at an accelerated rate during the last decades compared to the mean losses recorded since the Little Ice Age. Here we look for accurate estimates of the mean climate variables, surface mass balance (SMB) and ice dynamics of NPI. Due to the lack of available data in the area, the approach is based on physical models for both the atmosphere and the ice dynamics, in order to properly attribute the components of the glacial mass budget (mass balance, surface mass balance and ice discharge).First, the San Rafael Glacier (SRG) ice dynamics are modelled using the full-Stokes model Elmer/Ice. The flow model is initialised and constrained using the most up-to-date observations of surface velocities and bedrock elevation. The model is forced with several parametrisations of thealtitudinal SMB distribution to obtain consistency between the changes in SMB and ice dynamics. We show that previous studies have proposed excessive accumulation values on the icefield plateau, and that SRG imbalance is largely controlled by a large ice discharge (-0.83 +- 0.08 Gt/a compared to a slightly positive glacier-wide SMB (0.08 +- 0.06 Gt/a). This allows for an estimation of a committed mass loss of 0.34 +- 0.03 Gt/a for the next century. This value likely constitutes a minimum wastage in the future global climate change situation.Second, we model the SMB of the SRG and the NPI using the regional circulation model MAR (Modèle Atmosphérique Regional). This model is forced by the ERA-Interim reanalysis outputs and adapted to accurately reproduce accumulation on the icefield. In addition to accumulation, attention is paid to estimating accurate ablation and albedo values on the plateau. The modelled temperature and precipitation are also validated using data from weather stations in the valleys around the icefield. For the period 1980-2014, the modelled mean SMB of the SRG and the NPI are 0.86 Gt/a and -1.84 Gt/a, respectively, with a large inter-annual variability of 1.4 Gt/a and 6.1 Gt/a, which is induced by temperature and snowfall variability. Due to the hypsometry of the SRG, small changes in the punctual SMB around the ELA have impacts over large areas and have significant consequences on the final glacier-wide SMB. However, in-situ data above the ELA are lacking, leading to important uncertainty in accumulation. Nevertheless, our SMB estimates for the 3 largest non-calving glaciers of the icefield are similar to mass balance values given by geodetic techniques. This validation shows that our estimate of SMB, which is the first negative proposed at the scale of NPI, is accurate. Combined with the ice discharge proposed in the first section of this study, this SMB could have contributed to the observed mass loss from the 1980s.Finally, the study of the surface energy balance given by MAR reveals the key role of the albedo and the shortwave radiation budget in the variations of the SMB. Albedo variations indirectly justify the existing correlations between temperature and melting as air temperature controls the phase of precipitation on the plateau. Thus, changes in solid precipitation explain most of the SMB variations. Consequently, past conditions with higher solid precipitation may have explained larger glaciers in Patagonia. The current instability is possibly a result from the location of glacier fronts which are well below the necessary altitude for equilibrium in the current icefield topography.This study allows us to conclude that well constrained atmospheric and ice dynamic modelling leads to SMB values which are in better agreement with the mass balance of the icefield. Nevertheless, new field data is necessary to better constrain SMB estimates of the SRG and the NPI in order to improve our understanding of past and future climate change impacts on these glaciers

Les geotextiles utilises dans la lutte contre l'erosion ont pour but d'aider a l'installation d'une couverture vegetale tout en protegeant les sols. Or aucune caracteristique specifique et aucun critere de dimensionnement n'est actuellement propose pour savoir si les geotextiles utilises sont efficaces pour limiter l'erosion et assurer une bonne vegetalisation. C'est ce que nous avons tente de determiner. D'une part des essais specifiques ont ete developpes pour caracteriser les geotextiles utilises en protection contre l'erosion, en particulier la mesure de l'amortissement de l'impact des gouttes et de la porosite de surface. D'autre part des essais de comportement du systeme sol - geotextile soumis a la pluie et au ruissellement ont ete realises au laboratoire sur un plan incline avec un simulateur de pluie. L'influence des parametres structuraux des geotextiles 2d et 3d, des sollicitations hydrauliques (intensite de la pluie et du ruissellement) et des conditions geometrique (pente) a ete etudiee. La methode des plans d'experience a ete appliquee pour mettre en evidence les parametres pertinents. Des modeles de mecanisme de protection contre l'erosion sont proposes. Des planches experimentales sur site ont permis de valider, en conditions reelles de pluviometrie, les comportements observes. La compatibilite de la structure avec la croissance de la vegetation a aussi ete examinee par des essais en pots et in situ. Ils ont montre le role de la dimension des ouvertures sur le developpement de la partie aerienne au dessus du geotextile.

Cette thèse traite de la modélisation et de la simulation numérique d’écoulements géophysiques complexes. Deux types d’écoulements sont étudiés, le transport sédimentaire par charriage et les écoulements à densité variable. La démarche suivie est la même pour les deux phénomènes. Dans chaque cas, un modèle réduit, moyenné suivant la verticale est dérivé à partir des équations de Navier-Stokes 3D en suivant une certaine asymptotique. Les modèles possèdent des propriétés de stabilité. Ces propriétés sont ensuite préservées au niveau discret, en particulier l’inégalité d’entropie. En ce qui concerne le transport sédimentaire, la couche de sédiments est d’abord traitée seule, puis un modèle couplé pour les sédiments et l’eau est présenté et simulé. L’influence d’un terme de viscosité est étudiée. La présence du terme de viscosité rend le flux sédimentaire non-local. Un seuil pour le transport est introduit dans le modèle. L’eau est modélisée par les équations Shallow Water. L’ajout d’effets non-locaux permet de simuler la croissance et la propagation d’une dune. Dans le modèle pour les écoulements à densité variable, la densité varie en fonction d’un ou plusieurs traceurs tels que la température et la salinité. La dérivation consiste à enlever la dé- pendance en pression dans la loi d’état du fluide. Une formulation moyennée suivant la verticale est proposée; cette formulation est par la suite utilisée pour proposer une discrétisation. Les simulations font ressortir les différences entre le modèle étudié et un modèle classique reposant sur l’approximation de Boussinesq
The present thesis deals with the modeling and numerical simulation of complex geophysical flows. Two processes are studied: sediment transport, and variable density flows. For both flows, the approach is the same. In each case, a reduced vertically-averaged model is derived from the 3D Navier-Stokes equations by making a specific asymptotic analysis. The models verify stability properties. Attention is paid to preserving these properties at the discrete level, in particular the entropy stability. The behavior of both models is illustrated numerically. Concerning the sediment transport model, the sediment layer is first studied alone. Then, a coupled sediment-water model is presented and simulated. The influence of a viscosity term in the model for the sediment layer is investigated. Due to this viscosity term, the sediment flux is non-local. A transport threshold is added to the model. The water layer is modeled by the Shallow Water equations. Adding some non-locality to the model allows to simulate dune growth and propagation. In the variable density flow model, the density is a function of one or several tracers such as temperature and salinity. The model derivation consists in removing the dependence of the density on the pressure. A layer-averaged formulation of the model is proposed, which is subsequently used to propose a numerical discretization. The numerical simulations emphasize the differences between this model and a model relying on the classical Boussinesq approximation

Le travail de thèse concerne le développement d'un modèle numérique pour la détermination des propriétés hydromécaniques équivalentes pour les roches fracturées. Le rapport de thèse est organisé en 7 chapitres. Le premier chapitre décrit les objectifs de la thèse et présente brièvement une synthèse des travaux réalisés sur les roches fracturées. L'accent est mis sur l'Élément Composite et la détermination des propriétés hydrauliques et mécaniques équivalentes des roches fracturées. Le second chapitre présente les outils utilisés dans le travail de thèse, à savoir la méthode des éléments finis, l'Elément Composite, le couplage écoulement/contraintes, le Réseau de Neurones Artificiels et la méthode de Monte-Carlo. Le troisième chapitre présente le concept de la méthode numérique proposée pour obtenir les propriétés hydrauliques équivalentes des roches fracturées. Elle décrit aussi les données nécessaires à ('application de cette méthode, à savoir celles sur les fractures dominantes. Les chapitres 4 et 5 présentent la détermination des propriétés hydrauliques et mécaniques équivalentes des roches sans prendre en compte le couplage contraintes/écoulement. Le 6ème chapitre présente la détermination des propriétés hydrauliques équivalentes en considérant le couplage contraintes/écoulement. Ce chapitre comporte également la construction d'une base de données sur l'influence du couplage contraintes/perméabilité sur les propriétés hydrauliques équivalentes. Le dernier chapitre décrit un procédé basé sur une combinaison des approches implicite et explicite pour l'analyse d'un barrage poids. Les données de la méthode implicite sont déterminées en utilisant la méthode numérique proposée dans ce travail
This thesis concerns the use of the "Numerical Test System" for the determination of the equivalent hydraulic and mechanical properties of fractured rock masses. The thesis is composed of 7 chapters. The first chapter describes the objective of the thesis and briefly presents the previous studies conducted on fractured rock masses, with a particular focus on the Composite Element Method as weil as the estimation of the equivalent hydraulic and mechanical properties of fractured rocks. The second chapter presents the tools used in the thesis development, namely the finite element method, the composite element method, the coupling theory, the artificial neural network and the Monte Carlo Method. The third chapter presents the concept of the "Numerical Test System (NTS)" for determination of the equivalent hydraulic properties offractured rock. This method requires field data on dominating fractures. Chapters 4 and 5 present the determination of the equivalent hydraulic and mechanical properties and the relevant REYs neglecting the seepage/stress coupling. The 6th chapter presents the determination of the equivalent hydraulic properties considering seepage/stress coupling. This Chapter also establishes a stress/permeability database for describing the relationship between stresses and the equivalent hydraulic property. The last chapter describes a procedure based on a combination of the implicit and explicit approaches for the analysis of a grravity dam. The eqivalent properties of the implicit method are determined using the NTS

Ce travail numérique porte sur le comportement de la lutocline (interface entre l'eau et la vase fluide) en écoulement cisaillé et vise à une meilleure compréhension des mécanismes de remise en suspension de sédiments cohésifs. La crème de vase, ou vase partiellement solidifiée, est modélisée par un fluide homogène équivalent miscible dans l'eau, de rhéologie newtonienne ou viscoplastique. Une étude de l'hydrodynamique de cet écoulement stratifié en densité ainsi qu'en viscosité est ensuite proposée. Considérant une crème de vase initialement non-turbulente, l'étude se focalise sur le développement des instabilités au niveau de la lutocline et de la transition vers une couche de mélange turbulente. La particularité de cet écoulement réside dans la forte viscosité de vase et son seuil de mise en mouvement lorsqu'elle présente un caractère viscoplastique. Une étude de stabilité linéaire permet d'évaluer l'influence des différents paramètres de l'écoulement, notamment les stratifications en densité et en viscosité. La stratification en viscosité augmente sensiblement le taux de croissance de l'instabilité pour des nombres de Reynolds intermédiaires. L'évolution non-linéaire de l'écoulement est ensuite étudiée en utilisant des simulations numériques directes, la stratification en viscosité entrainant un épaississement de la couche de mélange finale. Enfin, des simulations numériques directes basées sur un modèle de fluide de Bingham régularisé permettent d'étudier l'influence de la contrainte seuil sur le développement de l'instabilité
This numerical study focuses on the behavior of the lutocline in a shear flow and aims to better understand the mechanism of resuspension of cohesive sediment. Mud flow, or mud partially consolidated, is modeled by an equivalent homogenous fluid miscible in water, with newtonian or viscoplastic rheology. A study of the hydrodynamics of this shear flow, stratified both in density and viscosity, is presented. Considering an initially laminar mud flow, the focus of the study is on the development of instabilities on the lutocline and the transition to a turbulent mixing layer. The specificity of this flow lies on the large viscosity of the mud and its threshold to be put in motion, when it presents a viscoplastic feature. A linear stability study assesses the influence of the various parameters of the flow, especially of density and viscosity stratification. The viscosity stratification slightly increases the growth rate of the instability for intermediate Reynolds numbers. Then, the non linear evolution of the flow is studied by using direct numerical simulations, viscous stratification leading to a thicker mixing layer. At last, direct numerical simulations based on a Bingham regularized model, permits to study the influence of the critical strain on the development of the instability

Les travaux présentés concernent l'étude de problèmes d'existence, d'unicité et de régularité de problèmes d'écoulement de fluides géophysiques. On s'intéresse en particulier aux écoulements des masses d'eau à travers des modèles bi-dimensionnels et tri-dimensionnels. Dans une première partie est présentée différentes approches de la simulation de ces écoulements par les méthodes de Galerkin linéaire et non linéaire. Les résultats de convergence de ces méthodes numériques sont présentés dans le cas bidimensionnel. Dans une seconde partie l'impact de l'hypothèse du toit rigide sur le comportement des solutions est étudié. Différents schémas numériques de résolution sont proposés, permettant de traiter efficacement les différentes contraintes globales liées à cette hypothèse. Des résultats de convergence de la méthode sont présentés pour des modèles de shallow water mono-couche et bi-couche. La dernière partie de ces travaux est consacrée à l'étude d'un couplage entre les vibrations de la croûte terrestre et la masse d'eau océanique. Cette approche utilisant un opérateur de plaque pour la modélisation de la croûte terrestre permet d'obtenir des résultats d'existence et d'unicité des solutions. Ce type de modèle est adaptée, entre autre, la modélisation de phénomènes de tsunami.

Une étude expérimentale a été menée sur le sillage d’un cylindre circulaire stratifié dans le but de décrire l’effet de l’inclinaison et de la stratification sur les instabilités tridimensionnelles d’un sillage. Principalement 4 modes instables ont été trouvés.Ces résultats mettent ainsi en évidence le fait que la stratification et l’angle d’in- clinaison modifient fortement la transition d’un écoulement 2D à 3D du sillage d’un cylindre avec la présence de nouveaux modes instables
An experimental study has been delineated of a stratified wake of a circular cy- linder in order to describe the effect of the tilt and of the stratification on the 3D instabilities of the wake. Principally, four unstable modes have been figured out.These results highlight the fact that the stratification strongly modifies the transition from a 2D to a 3D flow in a cylinder wake, with the presence of new unstable modes. The tilt of the cylinder with respect to the vertical plays a major role, such that a study limited to a vertical or a horizontal cylinder misses a lot of the rich dynamics of the tilted wake

Les dipôles tourbillonnaires représentent des structures récurrentes dans les écoulements en eau peu profonde. Ils résultent souvent d'une bidimensionnalisation de la turbulence qui est liée à l'effet du confinement vertical. Pourtant, dans plusieurs études récentes, une structure tourbillonnaire secondaire à axe horizontal a été observée sur le front de dipôles expérimentaux en eau peu profonde, remettant ainsi en question l'hypothèse de bidimensionnalité de l'écoulement. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous sommes intéressés à ce dernier point en étudiant la génération et la dynamique d'une structure secondaire sur le front du dipôle. Les dipôles tourbillonnaires sont générés expérimentalement par la fermeture d'une paire de pales dans une couche d'eau de faible épaisseur initialement au repos afin d'assurer une structure bidimensionnelle initiale. Les paramètres sans dimension pilotant l'écoulement sont le nombre de Reynolds Re = U0D0/nu (ou U0 et D0 représentent respectivement la vitesse de propagation et le diamètre initial du dipôle et nu est la viscosité cinématique de l'eau) et le rapport de forme des dipôles (ou nombre de confinement) C = h/D0 (ou h est la hauteur d'eau). Une étude paramétrique dans laquelle le nombre de Reynolds Re et le rapport de forme du dipôle C varient a été menée (C \in [0.075, 0.7] et Re \in [90, 470]). Dans le champ des paramètres étudiés, cinq différentes structures de l'écoulement sont observées. Une cartographie des différents régimes d'écoulement a été obtenue et a permis de montrer que la tridimensionnalisation des dipôles tourbillonnaires en eau peu profonde était contrôlée par un unique paramètre, C2Re. Lorsque une structure secondaire est observée sur le front du dipôle, la dynamique aux temps courts de celle-ci dépend du nombre de Reynolds alors que sa dynamique aux temps longs dépend du rapport de forme du dipôle. Afin de caractériser la structure dans son ensemble et en particulier d'accéder à chacune des étapes de sa tridimensionnalisation, une nouvelle technique de PIV 3D-3C scannée a été mise en place. Elle permet une mesure expérimentale du champ de pression et révèle que les branches du tourbillon transverse généré sur le front du dipôle montent en direction de la surface libre de part et d'autre des tourbillons primaires composant le dipôle.

Ce travail est une contribution à la caractérisation de l'espace poreux des roches sédimentaires, par l'étude des équilibres capillaires dans une vingtaine d'échantillons provenant de divers horizons géologiques et géographiques; ce en relation avec une connaissance fine de la texture de ces roches. Les caractéristiques pétrographiques des roches étudiées ont été définies grâce à la combinaison de divers moyens classiques : observation visuelle, lames minces, photographies au microscope électronique à balayage (MEB) et diffraction des rayons X. Quant aux caractéristiques pétrophysiques, 3 ont été mesurées : il s'agit de la porosité, de la perméabilité, et du facteur de formation. L'analyse de la texture a été envisagée à partir de deux techniques basées sur l'étude de la répartition d'un couple de fluides non miscibles (air-eau et mercure-vapeur) dans les réseaux poreux. Il s'agit de la méthode des états restaurés et de porosimétrie au mercure. Elles permettent l'obtention de courbes de pression capillaire en fonction de la saturation (courbe Pf et courbe porosimétrique). De ces courbes on déduit plusieurs paramètres qui sont en relation avec la géométrie de l'espace poreux, tel que la décomposition de la porosité en deux classes : la macroporosité (rayon d'accès > 1µm) et la microporosité (rayon d'accès < 1µm), ainsi que le rayon moyen d'accès de chacune d'elles. Les échantillons ont été ensuite répartis dans deux catégories : les monoporeux et les biporeux. La combinaison des mesures pétrophysiques et des paramètres issus des courbes de pression capillaire a permis l'obtention de nombreuses corrélations entre les différents facteurs. La confrontation entre l'observation des échantillons au MEB et les courbes de pression capillaire assimilées à des hyperboles d'équation Y = A/X a montré que le facteur A est en relation directe avec le mode de la répartition des accès des pores. D'autre part la comparaison entre les courbes Pf et porosimétrique montre que l'on peut déduire l'une de l'autre moyennant quelques manipulations complémentaires simples.

Les effets diffusifs et thermodiffusifs jouent un rôle très important dans la dynamique des fluides géophysiques, à la fois parce qu'ils sont nombreux et parce qu'ils sont à l'origine de phénomènes qui gouvernent l'évolution de notre environnement. La plupart des phénomènes qui se produisent dans les fluides géophysiques sont gouvernés par des convections dites « de Rayleigh-Bénard », rendues plus complexes par le caractère multiphasique de ces fluides. Une propriété dominante des problèmes de convections hydrodynamiques est qu'elles sont gouvernées par « l'Approximation de Boussinesq » valable uniquement pour des écoulements se produisant dans des couches relativement minces. Une dégénesrence de cette approximation est « l'approximation anélastique » qui est valable pour des convections d'échelle de hauteur importante. Un point commun à ces deux approximations est que les coefficients non constants qui y figurent sont des fonctions ne dépendant que de l'état statique du milieu. Lorsque les fluides sont hétérogènes, le mécanisme de convection s'applique à plusieurs diffusions combinées ensemble. Celles-ci, essentiellement dues à la diffusion moléculaire des constituants, sont gouvernées par des lois de Fick, qui mettent en jeu des coefficients appelés coefficients de diffusion. Ceux-ci sont des fonctions des variables d'état caractérisant thermodynamiquement le milieu: p, T, et les concentrations des constituants. Mais ces fonctions ne sont pas connues en général. L'objet de ce travail est double : (1) former, dans des conditions réalistes, des équations de diffusion capables de décrire efficacement les phénomènes de convection dans des fluides possédant les caractéristiques des fluides géophysiques, et, en particulier, d'identifier les coefficients de diffusion correspondants ; (2) montrer comment, à l'aide de données issues de mesures relativement simple, ces coefficients de diffusion peuvent être estimés lorsque l'on s'intéresse aux fluides de l'environnement. On évalue tout d'abord les valeurs statiques de ces coeffcients puis on indique comment un nombre plus élevé de données expérimentales permettrait de déterminer leur valeur en fonction des variables d'état. On traite, à titre d'exemple, trois milieux à propriétés différentes: (a) l'air humide insaturé (l'air atmosphérique «clair» qui est un mélange binaire inerte idéal de gaz parfaits ; (b) l'eau de mer, (mélange binaire d'eau et de sel liquide), qui est un mélange inerte non idéal de liquides à lois d'état complexes, (c) l'air humide saturé (air « nuageux ») qui est un mélange ternaire non inerte.

Le réchauffement climatique actuel a une conséquence directe sur la perte de masse des calottes polaires. Reproduire les mécanismes responsables de cette perte de masse et prévoir la contribution des calottes à l’élévation du niveau des océans d’ici la fin du siècle est dès lors l’un des défis majeurs de la modélisation de l’écoulement des calottes polaires. Les modèles d’écoulement permettent de réaliser de telles prévisions mais ces simulations, à court terme, sont très sensibles à leur état initial habituellement construit à partir d’observations de terrain. Malheureusement, certains paramètres comme le frottement entre la glace et le socle rocheux ainsi que la topographie basale sont souvent méconnus à cause du manque d’observations directes ou des larges incertitudes liées à ces observations. Améliorer la connaissance de ces deux paramètres à la fois pour le Groenland et l’Antarctique est donc un pré-requis pour réaliser des projections fiables. Les méthodes d’assimilation de données et les méthodes inverses permettent alors de surmonter ce problème.Cette thèse présente deux algorithmes d’assimilation de données permettant de mieux contraindre simultanément le frottement basal et la topographie basale à partir d’observations de surface. L’un des algorithmes est entièrement basé sur la méthode adjointe tandis que le second se base sur une méthode cyclique couplant l’inversion du frottement basal avec la méthode adjointe et l’inversion de la géométrie basale à l’aide de la relaxation newtonienne. Les deux algorithmes ont été implémentés dans le modèle d’écoulement de glace éléments finis Elmer/Ice et testés dans une expérience jumelle qui montre une nette amélioration de la connaissance des deux paramètres recherchés. L’application des deux algorithmes à la région de la Terre de Wilkes réduit l’incertitude liée aux conditions basales en permettant, par exemple, d’obtenir plus de détails sur la géométrie basale en comparaison avec les modèles numériques de terrain habituels. De plus la reconstruction simultanée du frottement et de la géométrie basale permet de réduire significativement les anomalies de divergence de flux habituellement obtenues lors de l’inversion du frottement seul. Nous étudions finalement l’impact des conditions basales ainsi inversées sur des simulations pronostiques afin de comparer la capacité des deux algorithmes à mieux contraindre la contribution future des calottes polaires à l’augmentation du niveau des océans
The current global warming has direct consequences on ice-sheet mass loss. Reproducing the responsible mechanisms and forecasting the potential ice-sheets contribution to 21st century sea level rise is one of the major challenges in ice-sheet and ice flow modelling. Ice flow models are now routinely used to forecast the potential ice-sheets contribution to sea level rise. Such short term simulations are very sensitive to model initial state, usually build from field observations. However, some parameters, such as the basal friction between icesheet and bedrock as well as the basal topography, are still badly known because of a lake of direct observations or large uncertainty on measurements. Improving the knowledge of these two parameters for Greenland and Antarctica is therefore a prerequisite for making reliable projections. Data assimilation and inverse methods have been developed in order to overcome this problem. This thesis presents two different assimilation algorithms to better constrain simulaneouslybasal friction and bedrock elevation parameters using surface observations. The first algorithm is entierly based on adjoint method while the second algorithm uses a cycling method coupling inversion of basal friction with adjoint method and inversion of bedrock topography with nudging method. Both algorithms have been implemented in the finite element ice sheet and ice flow model Elmer/Ice and tested in a twin experiment showing a clear improvement of both parameters knowledge. The application of both algorithms to regions such as the Wilkes Land in Antartica reduces the uncertainty on basal conditions, for instance providing more details to the bedrock geometry when compared to usual DEM. Moreover,the reconstruction of both bedrock elevation and basal friction significantly decreases ice flux divergence anomalies when compared to classical methods where only friction is inversed. We finaly sudy the impact of such inversion on pronostic simulation in order to compare the efficiency of the two algorithms to better constrain future ice-sheet contribution to sea level rise

Nous proposons dans cette thèse un modèle mathématique simple adapté à la sédimentation des dépôts gravitaires en eaux profondes. L'écoulement est traité comme un objet géométrique déformable. Les principaux mécanismes physiques pris en compte par le modèle sont : 1. La turbulence ; 2. L'étalement dû aux forces de pression ; 3. L'incorporation de fluide le long de l'interface suspension-fluide ambiant ; 4. La sédimentation de particules ; 5. L'érosion de particules. Les solutions analytiques asymptotiques du système différentiel non-linéaire montrent la consistance des solutions numériques sur les temps longs. Les tests numériques permettent de quantifier l'impact qualitatif et quantitatif des paramètres physiques du modèle, des conditions initiales et des paramètres de contrôle (pente, granulométrie). Une méthode d'inversion est mise en oeuvre pour l'identification des conditions initiales et/ou des paramètres du modèle. L'inversion partielle (détermination des conditions initiales) appliquée à des modèles réduits expérimentaux montre le bon comportement qualitatif du modèle et cela même hors du domaine de validité strict de ce dernier. L'inversion totale (identification des paramètres physiques et détermination des conditions initiales) montre le bon comportement du modèle d'un point de vue quantitatif au niveau des vitesses de l'écoulement et des épaisseurs déposées. La méthode d'inversion est appliquée à l'effondrement de l'aéroport de Nice en 1979 pour tester des scénarios d'écoulement. Contrainte par les ruptures de cables et/ou les épaisseurs déposées, elle permet, par exemple, d'estimer le volume initial ou les paramètres physiques de l'effondrement (coéfficient de friction, nombre de schmidt turbulent modifié, etc. ). Malgré quelques limitations, principalement dûes aux simplifications géométriques de l'écoulement, ce modèle complet constitue un premier pas vers la compréhension quantitative de l'impact des paramètres externes - tels que la nature et la quantité des apports en sédiments, la géométrie du bassin - sur la dynamique des courants turbiditiques et l'organisation des séquences de dépôts qui en resultent. Grâce à ses faibles temps de calcul sur micro-ordinateur, il est envisageable de simuler des séries d'événements et de former ainsi des séquences de dépôt multi-événementielles. Il peut être utilisé pour reconstruire les processus de sédimentation et les dépôts résultants

Il est connu qu’avoir un système d’observation de la pluie de haute résolution spatio – temporelle est crucial pour obtenir de bons résultats dans la modélisation pluie – écoulement. Le radar est un outil qui donne des estimations quantitatives de precipitation avec une très bonne résolution. Lorsqu’il est fusionné avec un réseau des pluviomètres les avantages des deux systèmes sont obtenus. Cependant, les estimations fournies par le radar ont des incertitudes différentes à celles qui sont obtenus avec les pluviomètres. Dans le processus de calcul pluie – écoulement l'incertitude des précipitations interagit avec l'incertitude du modèle hydrologique. L’objectif de ce travail est d’étudier les méthodes utilisées pour quantifier l'incertitude dans l'estimation des précipitations par fusion radar – pluviomètres et de l'incertitude dans la modélisation hydrologique, afin de développer une méthodologie d'analyse de leurs contributions individuelles au traitement pluie - écoulement.Le travail est divisé en deux parties, la première cherche à évaluer: Comment peut-on quantifier l'incertitude de l'estimation des précipitations par radar? Pour répondre à la question, l'approche géostatistique par Krigeage avec Dérive Externe (KED) et Génération Stochastique de la précipitation a été utilisée, qui permet de modéliser la structure spatio – temporaire de l’erreur. La méthode a été appliquée dans la région des Cévennes - Vivarais (France), où il y a un système très dense d'observation. La deuxième partie explique: Comment pourrais être quantifiée l'incertitude de la simulation hydrologique qui provient de l'estimation de précipitation par radar et du processus de modélisation hydrologique? Dans ce point, l'outil de calcul hydrologique à Mesoéchelle (HCHM) a été développé, c’est un logiciel hydrologique distribuée et temps continu, basé sur le Numéro de Courbe et l’Hydrographe Unitaire. Il a été appliqué dans 20 résolutions spatio - temporelles allant de 10 à 300 km2 et 1 à 6 heures dans les bassins de l’Ardèche (~ 1971 km2) et le Gardon (1810 km2). Apres une analyse de sensibilité, le modèle a été simplifié avec 4 paramètres et l’incertitude de la chaîne de processus a été analysée: 1) Estimation de precipitation; 2) Modélisation hydrologique; et 3) Traitement pluie - écoulement, par l’utilisation du coefficient de variation de l'écoulement simulé.Il a été montré que KED est une méthode qui fournit l’écart type de l’estimation des précipitations, lequel peut être transformé dans une estimation stochastique de l’erreur locale. Dans la chaîne des processus: 1) L'incertitude dans l'estimation de précipitation augmente avec la réduction de l’échelle spatio – temporelle, et son effet est atténué par la modélisation hydrologique, vraisemblablement par les propriétés de stockage et de transport du bassin ; 2) L'incertitude de la modélisation hydrologique dépend de la simplification des processus hydrologiques et pas de la surface du bassin ; 3) L'incertitude dans le traitement pluie - écoulement est le résultat de la combinaison amplifiée des incertitudes de la précipitation et la modélisation hydrologique
It is known that having a precipitation observation system at high space - time resolution is crucial to obtain good results in rainfall - runoff modeling. Radar is a tool that offers quantitative precipitation estimates with very good resolution. When it is merged with a rain gauge network the advantages of both systems are achieved. However, radars estimates have different uncertainties than those obtained with the rain gauge. In the modeling process, uncertainty of precipitation interacts with uncertainty of the hydrological model. The objective of this work is: To study methods used to quantify the uncertainty in radar – raingauge merge precipitation estimation and uncertainty in hydrological modeling, in order to develop a methodology for the analysis of their individual contributions in the uncertainty of rainfall - runoff estimation.The work is divided in two parts, the first one evaluates: How the uncertainty of radar precipitation estimation can be quantified? To address the question, the geostatistical approach by Kriging with External Drift (KED) and Stochastic Generation of Precipitation was used, which allows to model the spatio - temporal structure of errors. The method was applied in the Cévennes - Vivarais region (France), where there is a very rich observation system. The second part explains: How can it be quantified the uncertainty of the hydrological simulation coming from the radar precipitation estimates and hydrological modeling process? In this point, the hydrological mesoscale computation tool was developed; it is distributed hydrological software in time continuous, within the basis of the Curve Number and the Unit Hydrograph. It was applied in 20 spatio-temporal resolutions ranging from 10 to 300 km2 and 1 to 6 hours in the Ardèche (~ 1971 km2) and the Gardon (1810 km2) basins. After a sensitivity analysis, the model was simplified with 4 parameters and the uncertainty of the chain of process was analyzed: 1) Precipitation estimation; 2) Hydrological modeling; and 3) Rainfall - runoff estimation, by using the coefficient of variation of the simulated flow.It has been shown that KED is a method that provides the standard deviation of the precipitation estimation, which can be transformed into a stochastic estimation of the local error. In the chain of processes: 1) Uncertainty in precipitation estimation increases with decreasing spatio-temporal scale, and its effect is attenuated by hydrological modeling, probably due by storage and transport properties of the basin; 2) The uncertainty of hydrological modeling depends on the simplification of hydrological processes and not on the surface of the basin; 3) Uncertainty in rainfall - runoff treatment is the result of the amplified combination of precipitation and hydrologic modeling uncertainties

En France, 25% des déchets ménagers collectés sont stockés en Installation de Stockage de Déchets Non Dangereux (ISDND). Pour réduire leur impact sur l'environnement, le concept d'ISDND gérée en mode « bioréacteur » a été étudié et évalué depuis plus de dix ans en Europe. Ce concept est basé sur la réinjection des lixiviats, qui consiste à collecter les lixiviats en fond de casier et à les réinjecter sous la couverture de surface. L'optimisation de la répartition du lixiviat nécessite d'estimer les volumes et débits de réinjection et de dimensionner les dispositifs. Afin d'optimiser le dimensionnement des dispositifs de réinjection et d'améliorer la compréhension des écoulements de lixiviat dans les déchets, une voie possible est la modélisation hydrodynamique. Un modèle hydrodynamique regroupe une représentation conceptuelle du milieu poreux et un modèle mathématique permettant de décrire les écoulements. Pour simuler une infiltration, il est nécessaire de renseigner les paramètres hydrodynamiques intervenant dans les équations mathématiques du modèle. Des informations complémentaires sur le milieu sont donc requises pour contraindre les modèles hydrodynamiques et évaluer ces paramètres. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la méthode géophysique de la tomographie de résistivité électrique (ERT) afin de contraindre les modèles hydrodynamiques à l'échelle d'un casier de déchets. En effet, de nombreuses études ont montré l'intérêt de cette méthode de mesure pour le suivi de la réinjection de lixiviat dans les massifs de déchets. Cependant, cette méthode ne permet pas de mesurer directement la teneur en eau et d'évaluer les paramètres hydrodynamiques. Dans la littérature, plusieurs auteurs ont proposé des méthodes de contrainte des modèles hydrodynamiques à partir des données ERT, basées sur la loi pétrophysique d'Archie. Afin de s'affranchir de l'utilisation de cette loi, peu adaptée aux milieux hétérogènes comme les déchets, il nous a semblé intéressant d'utiliser la forme de l'infiltration extraite de l'ERT pour contraindre les modèles hydrodynamiques.Ainsi, la problématique de cette thèse est d'améliorer la compréhension des écoulements de lixiviat en proposant une méthode de contrainte des modèles hydrodynamiques à partir de la forme de l'infiltration extraite des données ERT.Pour répondre à cet objectif, le travail de thèse a été divisé en trois étapes successives correspondant à chaque partie du manuscrit. La première partie a été consacrée à une synthèse bibliographique concernant la méthode ERT et la modélisation hydrodynamique. La seconde partie avait pour objectif de proposer une méthodologie permettant de délimiter l'infiltration de lixiviat sur les données ERT. La troisième partie a permis de développer une méthode de contrainte des modèles hydrodynamiques à partir de la délimitation de l'infiltration obtenue d'après les données ERT
In France, approximately 25% of the total amount of collected household waste is stored in municipal solid waste landfills (MSWL). To reduce their impact on the environment, the bioreactor concept was studied and tested for more than a decade in Europe. This concept is based on leachate reinjection, which consists in collecting leachate at the bottom of the waste deposit cell and reinjecting it underneath the landfill cover. The optimization of leachate distribution requires tools to design leachate injection systems (LIS) and to assess volumes and flow rates for the reinjection. To design LIS and to improve the understanding of leachate flow in the waste medium, a subsurface flow modelling procedure may be considered. Hydrodynamic models are based on a conceptual approach to represent the porous medium and a mathematical model to describe flow. To simulate an infiltration into a porous medium, the assessment of the hydrodynamic parameters included in the mathematical equations of the model is required. Thus, additional information is needed to constrain hydrodynamic models and to assess hydrodynamic parameters.This thesis focused on the use of the electrical resistivity tomography (ERT) method to constrain hydrodynamic models at the landfill scale. Indeed, many studies have shown that this geophysical method is suitable to study leachate reinjection into the waste landfills. However, this geophysical method does not allow ERT users to directly measure water content and to assess hydrodynamic parameters. In the literature, several authors proposed constraint methods of hydrodynamic models from ERT measurements, based on the use of Archie's law. To avoid the use of this relationship, which seems to be inappropriate for heterogeneous media such as waste, we found relevant to use the infiltration shape obtained on the ERT results to constrain hydrodynamic models.Thus, the aim of this thesis is to improve the understanding of leachate flow by proposing a constraint method of hydrodynamic models using the infiltration shape extracted from ERT measurements.This thesis was divided into three successive steps corresponding to each part of the manuscript. The first part corresponds to a bibliographic study concerning the ERT method and hydrodynamic modelling. The second part aimed at proposing an interpretation methodology to delimitate an infiltration area from the ERT measurements. The third part allowed us to develop a constraint method of hydrodynamic models using the infiltration delimitation obtained from the ERT measurements with the methodology developed in the second part

Les modèles géologiques numériques 2D et 3D permettent de comprendre l'organisation spatiale des roches du sous-sol. Ils sont également conçus pour réaliser des simulations numériques afin d’étudier ou de prédire le comportement physique du sous-sol. Pour résoudre les équations qui gouvernent les phénomènes physiques, les structures internes des modèles géologiques peuvent être discrétisées spatialement à l’aide de maillages. Cependant, la qualité des maillages peut être considérablement altérée à cause de l’inadéquation entre, d’une part, la géométrie et la connectivité des objets géologiques à représenter et, d’autre part, les contraintes requises sur le nombre, la forme et la taille des éléments des maillages. Dans ce cas, il est souhaitable de modifier un modèle géologique afin de pouvoir générer des maillages de bonne qualité permettant la réalisation de simulations physiques fidèles en un temps raisonnable. Dans cette thèse, j’ai développé des stratégies de réparation et de simplification de modèles géologiques 2D dans le but de faciliter la génération de maillages et la simulation de processus physiques sur ces modèles. Je propose des outils permettant de détecter les éléments des modèles qui ne respectent pas le niveau de détail et les prérequis de validité spécifiés. Je présente une méthode pour réparer et simplifier des coupes géologiques de manière locale, limitant ainsi l’extension des modifications. Cette méthode fait appel à des opérations d’édition de la géométrie et de la connectivité des entités constitutives des modèles géologiques. Deux stratégies sont ainsi explorées : modifications géométriques (élargissements locaux de l'épaisseur des couches) et modifications topologiques (suppressions de petites composantes et fusions locales de couches fines). Ces opérations d’édition produisent un modèle sur lequel il est possible de générer un maillage et de réaliser des simulations numériques plus rapidement. Cependant, la simplification des modèles géologiques conduit inévitablement à la modification des résultats des simulations numériques. Afin de comparer les avantages et les inconvénients des simplifications de modèles sur la réalisation de simulations physiques, je présente trois exemples d'application de cette méthode : (1) la simulation de la propagation d'ondes sismiques sur une coupe au sein du bassin houiller lorrain, (2) l’évaluation des effets de site liés à l'amplification des ondes sismiques dans le bassin de la basse vallée du Var, et (3) la simulation d'écoulements fluides dans un milieu poreux fracturé. Je montre ainsi (1) qu'il est possible d’utiliser les paramètres physiques des simulations, la résolution sismique par exemple, pour contraindre la magnitude des simplifications et limiter leur impact sur les simulations numériques, (2) que ma méthode de simplification de modèles permet de réduire drastiquement le temps de calcul de simulations numériques (jusqu’à un facteur 55 sur une coupe 2D dans le cas de l’étude des effets de site) tout en conservant des réponses physiques équivalentes, et (3) que les résultats de simulations numériques peuvent être modifiés en fonction de la stratégie de simplification employée (en particulier, la modification de la connectivité d’un réseau de fractures peut modifier les écoulements fluides et ainsi surestimer ou sous-estimer la quantité des ressources produites)
Numerical geological models help to understand the spatial organization of the subsurface. They are also designed to perform numerical simulations to study or predict the rocks physical behavior. The internal structures of geological models are commonly discretized using meshes to solve the physical governing equations. The quality of the meshes can be, however, considerably degraded due to the mismatch between, on the one hand, the geometry and the connectivity of the geological objects to be discretized and, on the other hand, the constraints imposed on number, shape and size of the mesh elements. As a consequence, it may be desirable to modify a geological model in order to generate good quality meshes that allow realization of reliable physical simulations in a reasonable amount of time. In this thesis, I developed strategies for repairing and simplifying 2D geological models, with the goal of easing mesh generation and simulation of physical processes on these models. I propose tools to detect model elements that do not meet the specified validity and level of detail requirements. I present a method to repair and simplify geological cross-sections locally, thus limiting the extension of modifications. This method uses operations to edit both the geometry and the connectivity of the geological model features. Two strategies are thus explored: geometric modifications (local enlargements of the layer thickness) and topological modifications (deletions of small components and local fusions of thin layers). These editing operations produce a model on which it is possible to generate a mesh and to realize numerical simulations more efficiently. But the simplifications of geological models inevitably lead to the modification of the numerical simulation results. To compare the advantages and disadvantages of model simplifications on the physical simulations, I present three applications of the method: (1) the simulation of seismic wave propagation on a cross-section within the Lorraine coal basin, (2) the site effects evaluation related to the seismic wave amplifications in the basin of the lower Var river valley, and (3) the simulation of fluid flows in a fractured porous medium. I show that (1) it is possible to use the physical simulation parameters, like the seismic resolution, to constrain the magnitude of the simplifications and to limit their impact on the numerical simulations, (2) my method of model simplification is able to drastically reduce the computation time of numerical simulations (up to a factor of 55 in the site effects case study) while preserving an equivalent physical response, and (3) the results of numerical simulations can be changed depending on the simplification strategy employed (in particular, changing the connectivity of a fracture network can lead to a modification of fluid flow paths and overestimation or underestimation of the quantity of produced resources)

Cette thèse explore les écoulements turbulents induits par les effets de marées dans les noyaux planétaires. Plus particulièrement, nous nous intéressons à la saturation des instabilités elliptiques dues à l'effet conjoint de la rotation planétaire et de la déformation de marée. De telles instabilités se produisent notamment lorsque la rotation de la déformation diffère de la rotation planétaire, conduisant à la croissance exponentielle d'ondes inertielles. De telles résonances sont également excitées lorsque les interactions de marées produisent des variations de la vitesse de rotation planétaires appelées "libration". Dans un premier temps, la saturation de l'instabilité elliptique est étudiée expérimentalement en forçant la libration d'un ellipsoïde rempli d'eau. Nous mettons en évidence deux régimes de saturation : aux faibles amplitudes de libration, l'écoulement saturé se constitue d'ondes inertielles en interactions triadiques résonnantes, un état appelé "turbulence d'ondes". À plus forte amplitude, la saturation est dominée par un écoulement moyen géostrophique fort. Par une étude numérique et théorique, cette transition est attribuée à une instabilité affectant les ondes inertielles d'amplitude finie. La saturation de l'instabilité elliptique est également étudiée numériquement à l'aide d'un modèle local cartésien. Celui-ci permet de retrouver les deux régimes de saturation observés expérimentalement, d'en étudier finement les propriétés et d'en explorer le comportement dans la limite géophysique. Enfin, une dernière étude est consacrée à l'instabilité elliptique dans les milieux stratifiés
The present thesis explores the turbulent flows induced by tidal interaction in planetary cores. In particular, we focus on the saturation of the elliptical instabilities induced by the effect of planetary rotation and tidal deformation. Such instabilities arise for instance when the rotation rate of the tidal bulge and the planet differ and lead to the exponential growth of inertial waves. Similar resonances are also excited when tidal interactions induce harmonic modulation of the planetary rotation rate called "libration." The saturation of the elliptical instability is first investigated experimentally via the forcing the libration of an ellipsoid filled with water. We find two saturation regimes: at low forcing amplitude, the saturation flow is a superposition of inertial waves in non-linear, triadic resonant interaction, a state called "wave turbulence." At larger forcing amplitude, the saturation flow is dominated by a strong geostrophic mean flow. With a numerical and theoretical study, we find that the transition between these two regimes is due to an instability of finite amplitude inertial waves. Furthermore, we explore the saturation of the elliptical instability with an idealised, local cartesian model. We retrieve the two saturation regimes found in the experiment and give a detail account of their spatial and temporal content. The local model also allows exploring the behaviour of these two saturation regimes in the geophysical limit. Lastly, a last study is targeted at the elliptical instability in stratified planetary cores. We find that internal waves are excited by tidal interaction and also saturate into inertial wave turbulence

Pour la gestion en temps réel des étiages comme pour celle des crues, l'une des principales missions des gestionnaires de bassin consiste à prévenir les situations de crise, généralement définies par des franchissements de débits seuils en différents points stratégiques, afin d'en limiter les dégâts, tant économiques et écologiques que matériels et humains. La thèse propose une méthodologie de synthèse et d'identification d'un modèle de simulation des débits, intégrant les phénomènes de transferts hydrauliques (propagation en cours d'eau) et hydrologiques (transformation de la pluie en débit), ainsi que les transferts relatifs aux prélèvements dans le cas des étiages. Le modèle proposé, construit dans le souci constant des contraintes de l'opérationnel telles que la robustesse face aux aléas du terrain, l'assimilation des données en temps réel ou la commande automatique des vannes de barrage, présente un module hydraulique à base physique simplifiée couplé, selon une approche semi-distribuée, à un module hydrologique global conceptuel. Cette démarche permet la prise en compte de débits latéraux non jaugés dans le transfert en cours d'eau. L'approche est validée à travers des exemples théoriques et divers cas d'application réels : transfert en rivière soumis à l'influence de la marée, synthèse d'un contrôleur boucle ouverte sur un canal d'irrigation, simulation de débits à l'exutoire de divers bassins versants français, prévision des crues, synthèse d'observateurs d'états pour la reconstitution de prélèvements.

La compréhension de l'effet des petites échelles turbulentes sur l'organisation des grandes échelles des écoulements océaniques est un problème important, tant pour la description des courants de surface que pour la structure verticale des océans. Ces écoulements sont caractérisés par un nombre de degrés de liberté très élevé qui rend illusoire toute approche déterministe. Les outils de mécanique statistique permettent en revanche de réduire ces problèmes à l'étude de quelques paramètres. Dans la première partie, nous appliquons la mécanique statistique d'équilibre des écoulements bidimensionnels à l'étude de modèles simples d'océan. Il s'agit de comprendre les phénomènes d'organisation des courants à grande échelle. La seconde partie est une approche phénoménologique du mélange turbulent dans les fluides stratifiés. Il s'agit de décrire l'évolution temporelle de la probabilité de mesurer une certaine densité de fluide à une profondeur donnée.

La gestion et la dépollution de sites contaminés peuvent être complexe et demandent un investissement important pour localiser les sources de contaminations, zones émettant les flux de polluants les plus importants. Les travaux réalisés proposent une stratégie pour localiser les sources de pollution à partir de mesures in situ de flux massiques et de modélisation inverse. Ainsi, dans le cadre de l’étude, un outil innovant a d’abord été développé afin de mesurer la vitesse des eaux souterraines dans un puits. L’outil appelé DVT (Direct Velocity Tool) a permis de répondre aux contraintes imposées par les outils existants et de mesurer des vitesses d’écoulement très lentes. Des essais en laboratoire et des tests en site réels ont été réalisés et comparés à d’autres outils de mesure. Le DVT permet aussi indirectement de définir la portion de source conduisant au flux de polluant maximum, en le combinant avec une mesure locale de concentration. L’étude présente ensuite l’utilisation de la modélisation inverse pour localiser une source de contaminant et d’estimer les paramètres définissant les caractéristiques du domaine. Pour cela, l'étude s'est faite sur deux cas synthétiques. Pour adapter les méthodes à une véritable gestion de sites pollués, une stratégie itérative est développée en imposant un ajout limité de nouvelles observations à chaque phase de modélisation, basée sur l’approche de type Data Worth. Les résultats de la position de la source sur les deux cas synthétiques ont permis d’évaluer la méthode mise en place et de juger son applicabilité à une problématique réelle. Cette stratégie de localisation de source est par la suite testée sur un site réel à partir (i) de mesures in situ de flux massiques avec les vitesses au DVT et les concentrations et (ii) la modélisation. Les essais ont permis de cibler les forages à mettre en place sur site aidant à localiser la source. Néanmoins, en analysant plus précisément les résultats, le champ de conductivité hydraulique estimé par l'optimisation ne correspond pas à la réalité. De plus, les flux massiques de contaminants ainsi que le ratio des polluants du site, mettent en valeur deux panaches distincts. Une phase finale de modélisation a donc été lancée afin d'estimer (i) la présence potentielle de deux sources et (ii) la chimie de la zone étudiée. Les résultats de la stratégie sont comparés aux mesures geoprobe qui a pu confirmer la présence d’une des deux sources identifiées
Contaminated sites management and remediation can be complex and require a significant investment to locate the contaminant source, which delivers the higher pollutant mass fluxes. The study proposes a strategy for contaminant source localisation using in situ measurement and inverse modelling. First, an innovative tool was developed to measure groundwater velocity in a well. The developed tool called DVT (Direct Velocity Tool) made it possible to measure a low Darcy flux. Laboratory and field tests were performed with the DVT and compared to other velocity measurement tools. By combining the DVT with a local concentration measurement, it is possible to calculate the mass fluxes passing through wells. Then the thesis present the inverse modeling used for source localisation and parameters estimation. The study was done on two synthetics cases using the non-linear optimisation method. To adapt the method to a real management of polluted sites, an iterative strategy is developed by imposing a limited addition of new observations to each modeling phase. This strategy is base on the Data Worth approach. Source localisation results on the two synthetic cases made it possible to judge the method applicability to a real site problem. The source localisation strategy is then applied to a real site with (i) mass flux measurement with velocities (DVT) and concentrations and (ii) inverse modeling. The modeling phases made it possible to locate the new wells and helped the source localisation. Nevertheless, by analysing the results more precisely, the hydraulic conductivity field estimated by the optimisation did not correspond to reality. In addition, contaminant mass fluxes highlightes two distinct zones of flux. By analysing the pollutant ratio of the site, it appears that two plumes are potentially present. Thus, another inverse modeling phase has been tested (i) to locate the two potential sources and (ii) to estimate the chemistry of the site. Results of the strategy were compared to the geoprobe campaign which confirmed the second source location

Cette thèse a pour objet l'étude des couplages électrocinétiques en milieux non-saturés : d'une part les phénomènes d'électrofiltration liés à l'écoulement de l'eau, et d'autre part les couplages sismo-électriques, c'est à dire le champ électrique associé à la propagation d'une onde sismique sur le terrain. Ces couplages existent en raison du mouvement de particules chargées présentes dans l'eau. Le premier axe développé est une approche expérimentale. Des différences de potentiels d'électrofiltration ont été mesurées lors d'expériences de drainage réalisées dans une colonne de sable. Ces mesures combinées aux mesures des conditions hydrodynamiques ont mené aux premiers enregistrements continus de coefficients d'électrofiltration C en fonction de la saturation Sw. Les valeurs de coefficients normalisées ne varient pas de fa¸con monotone avec la saturation Sw. En effet, C augmente lorsque Sw diminue jusqu'à atteindre un maximum pour Sw égale à 65-85%, puis diminue avec la saturation. En outre, les valeurs expérimentales semblent pouvoir dépasser d'un facteur 100 la valeur mesurée à saturation. Ce comportement a été observé de façon similaire lors de trois expériences de drainage. La modélisation de ces signaux constitue le deuxième axe de travail. Une nouvelle expression, intégrant une contribution dynamique liée aux variations temporelles de pression, est proposée. Les résultats illustrent la nécessité d'intégrer cette contribution dynamique pour modéliser les signaux d'une des expériences, particulièrement lorsque C augmente pour Sw =[0. 65-0. 85 ; 1]. La dernière expérience tend à montrer que les conditions d'écoulement, et plus précisément le flux hydrique, pourraient jouer un rôle important dans le comportement de C. Le dernier axe développé est une approche de terrain. Les amplitudes de signaux sismo-électriques ont été étudiées en non-saturé, par la mesure d'un champ électrique Ex et d'un déplacement sismique ux, et comparées au calcul de fonctions de transfert Ex/üx. Une image de saturation du sol a été déduite de l'interprétation conjointe de données radar et de résistivité électrique. Les amplitudes sismo-électriques liées aux arrivées des ondes P et des ondes de surface, traitées indépendamment, ont pu être comparées à la teneur en eau, puis à des mesures de résistances électriques. Les résultats suggèrent que ces amplitudes sont plus faibles en milieu non-saturé. De plus, le traitement des ondes de volume et des ondes de surface a montré que ces dernières doivent être considérées indépendamment.

Étudier les ondes internes est crucial pour comprendre le mélange dans l'océan. Dans cette thèse, un attracteur d'ondes 2D est tout d'abord simulé de manière directe, appuyé par une bonne comparaison avec une expérience pré-existante. Nous dérivons un modèle simple de la largeur de l'attracteur et mettons en évidence des effets non-linéaires. Nous réalisons dans une deuxième partie une étude expérimentale de la réflexion d'ondes planes sur une paroi inclinée. Les résonances prédites entre différents harmoniques n'apparaissent pas mais en revanche, un fort écoulement moyen horizontal apparaît, courbant les caractéristiques des ondes par effet Doppler. 70 à 80% du flux d'énergie incident sont dissipés ou convertis en écoulement moyen, ce dernier semblant alimenté par la dissipation des ondes. La génération d'ondes solitaires consécutive à la réflexion d'ondes sur une pycnocline est ensuite étudiée numériquement dans la troisième partie. Dans un premier temps, une étude académique, 2D est réalisée à l'aide de simulations directes. Nous montrons que des ondes solitaires de différents modes et piégées dans la pycnocline peuvent être générées. Deux critères pour comprendre la sélection d'un mode donné, l'un portant sur les différentes vitesses de phase, l'autre sur des arguments géométriques, sont définis. Ces critères sont dans un second temps comparés aux conditions du Golfe de Gascogne en été. Nous montrons qu'un rayon d'ondes internes seul ne peut générer des ondes solitaires correspondant aux observations, ce qui est corrigé en tenant compte de l'écoulement présent dans la pycnocline et indépendant du rayon d'ondes internes.

La géophysique, au sens de la physique d'objets et processus géologiques, est une formidable source de problèmes complexes, au sens de la physique de la matière complexe. Par exemple, des problèmes essentiels ont trait à la mécanique des failles, les avalanches, chargées de fluides ou non, de matière en grain ou plus pâteuse, les phases dynamiques de la sédimentation et les instabilités pendant celle-ci, la fracturation, sèche ou déclenchée par le transport des fluides parcourant les pores de la roche ou du sol, la liquéfaction durant les tremblements de terre, les écoulements d'une ou plusieurs phases fluides non miscibles dans des roches poreuses de géométrie irrégulière, la morphogénèse durant l'évolution des roches sédimentaires où évoluent composition chimique et équilibre mécanique entre les composants des roches, l'évolution dynamique de colloïdes aux interactions variables, les échanges de chaleur dans des écoulements chenalisés, l'évolution de la température et son effet sur la mécanique du système en évolution... . Ces systèmes présentent des interactions qui relèvent de la physique et la mécanique classique, mais avec la présence d'un désordre dans la structure, ou des non-linéarités dans les interactions fondamentales, qui peuvent générer à grande échelle un comportement complexe : notamment, ils peuvent fonctionner sur des échelles de temps et d'espace très étendus, avec coexistence de phases rapides et de phases extrêmement lente, ou avec des déformations diffuses alternant avec des fonctionnements où la déformation est très localisée. L'aspect polyphasique ou polydisperse de ces systèmes peut générer une telle complexité, sans que celle-ci reflète nécessairement la multiplicité des échelles déjà présentes dans la composition du système : dans des systèmes au fonctionnement critique, ou au voisinage de transitions de phases dites du second ordre, de nombreux systèmes dynamiques sont connus pour faire émerger, à partir de désordre présent à petite échelle et d'interaction simples, des organisations à grande échelle du processus en jeu. On aborde dans ce mémoire des modèles analytiques, numériques et des expériences ayant trait à la mécanique de tels systèmes naturels : écoulements mono- ou multiphasiques en milieux poreux ou fracturés, déformables ou non, fractures, avalanches, fonctionnement mécanique des failles, déformation lente des roches avec couplage entre chimie et mécanique.

Nous savons aujourd 'hui que le champ magnétique terrestre est créé au sein du noyau par des processus dynamo. Pour pouvoir comprendre la création et l'évolution de ce champ nous devons connaître la dynamique de la partie liquide du noyau terrestre. Le soleil et la lune exercent sur la Terre un couple de gravité moyen entraînant un mouvement de précession de l'axe de rotation de notre planète, Comment le noyau liquide réagit-il à ce forçage luni-solaire? Pour pouvoir aborder cette question nous avons considéré un modèle physique simple constitué d 'une cavité remplie d'eau dont nous imposons la vitesse de rotation et la vitesse de précession, La première partie de ce travail porte sur une approche numérique du problème dans le cas particulier d 'un conteneur sphérique, nous avons pu ainsi étudier le rôle de la viscosité, Nous montrons en particulier que l'écoulement laminaire se superposant à la rotation solide du fluide est contrôlé par une couche limite visqueuse localisée au voisinage de la paroi. Une étude détaillée nous a permis d'identifier des lois de comportement asymptotiques pour la vitesse. Dans une seconde partie nous présentons l'expérience de précession CICERON au cours de laquelle nous nous sommes attachés d'une part à décrire le mouvement de rotation solide du fluide, d'autre part à caractériser les différents régimes d'écoulement secondaire. Nous proposons à l'issue de cette étude expérimentale que la principale source d'instabilité soit de t.iype cisailiante. Bien que nos connaissances ne soient pas encore suffisantes pour pouvoir décrire précisément la dynamique du noyau terrestre induite par la précession , nous pouvons penser d'après nos résultats que l'écoulement n'est certainement pas laminaire. D'autres études, notamment expérimentales, sont envisagées pour poursuivre ce travail.