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The exploration of submerged karst networks by underwater robots requires the development of specific equipment such as an acoustic obstacle detection system to ensure the safety of the robots against any collision, to help it to navigate and to collect data for the mapping of the caves. The confined nature of the environment, its complex walls and the turbidity of the water are constraints that have made commercial underwater systems unsuitable. Therefore, it was necessary to develop our own system: the acoustic shield. In parallel, in order to collect information on the water quality during the exploration, we studied the feasibility of a system of characterization of the turbid waters by acoustic attenuation measurement at different frequencies from 1.5 MHz to 16 MHz. This second system will be also a complement to the acoustic shield by informing it on the level of turbidity, so that the detection system can know its effective detection range. Therefore, we have studied and developed two systems. For the system of characterization of suspended sediments, we made the choice of a simplified theoretical model. We proceeded to characterize different types of sediments by proposing a simplified experimental approach for which the results showed an efficiency in the estimation of the size and concentration of suspended sediments. For the obstacle detection system, we designed and developed all the data acquisition system including sensors, signal conditioners and microcontroller integrating an algorithm for sensor management and reconfiguration, based on a real-time operating system in order to make the system autonomous and intelligent. We tested this acoustic detection system with different sensor distributions in front of irregular rocky surfaces, similar to karst walls. The results showed a high capacity of adaptation of the system to the morphological variations. Moreover, it was able to ensure an almost total coverage of the tested area ranging from 0.25 m to 1.5 m with an angular range from -7.5° to +7.5°.; L'exploration des réseaux karstiques immergés par des robots sous-marins nécessite le développement d'un équipement spécifique qui sera en mesure de faire face aux fortes contraintes de l'environnement. Le robot doit être doté d’un système acoustique de détection d’obstacles qui assurera sa sécurité contre toute collision, qui l'aidera à la navigation et qui collectera des données pour la cartographie des grottes. L’aspect confiné du milieu, ses parois complexes et la turbidité de l’eau sont des contraintes qui ont rendu donc nécessaire de développer un système dédié : le bouclier acoustique. En parallèle, dans le but de collecter des informations sur la qualité de l’eau au cours de l'exploration, nous avons étudié la faisabilité d’un système de caractérisation des eaux turbides par mesure acoustique. Ce deuxième système servira également comme complément au bouclier acoustique en l'informant sur le niveau de turbidité, afin que le système de détection puisse connaitre ses limites de portée. Nous avons donc mené un travail d’étude, de recherche et de développement de deux systèmes. Pour le système de caractérisation des eaux turbides, plus précisément les sédiments en suspension, nous avons développé un système de mesure du coefficient d'atténuation à des fréquences allant de 1,5 MHz à 16 MHz. Nous avons ensuite procédé à des essais de caractérisation avec des billes de verre de 45 µm à 200 µm de diamètre, de la poudre d'argile tamisée à 40 µm et des sédiments karstiques, en ajustant les mesures avec un modèle théorique spécialement sélectionné. Les résultats ont montré une efficacité dans l’estimation de la taille et de la concentration des sédiments en suspension. Pour le système de détection d’obstacles, nous avons conçu et développé la chaîne instrumentale du système en allant des capteurs jusqu'à la donnée valide de la distance. Cela a été fait par l'intermédiaire d'une électronique de conditionnement de signal et d'un microcontrôleur intégrant un algorithme de gestion de capteurs et de reconfiguration par le biais d'un système d'exploitation temps réel, afin de rendre le fonctionnement du système autonome et intelligent. Nous avons testé ce système de détection acoustique avec deux différentes répartitions de capteurs fonctionnant à 1 MHz, face à des parois rocheuses irrégulières représentatives des karsts. Les résultats ont montré une haute capacité d’adaptation du système en fonction des variations morphologiques. De plus, il a pu assurer une détection quasi totale dans la zone testée, qui allait de 0,25 m à 1,5 m avec une plage angulaire allant de -7,5° à +7,5°.

With this PhD, we have tried to develop new measurement methods, based on acoustic backscattering, to estimate the mass concentration of suspended sediments in rivers. These sediments often show a bimodal grain-size distribution, i.e. composed of a mixture of fine and sand particles. The main advantage of hydroacoustic methods is their ability to provide measurements with a much better spatial and temporal resolution than conventional sampling techniques. The ultimate goal is to improve the sediment load estimation in rivers. Multifrequency acoustic measurements, combined with physical sampling, were carried out in the field and in an experimental laboratory tank. Acoustic inversion methods were tested and developed on a homogeneous suspension of fine sediments in the laboratory. A new method was implemented, combining the analysis of acoustic backscatter and attenuation, and led to retrieve the sediment mass concentration with a precision in the order of ± 20%. In rivers, a semi-empirical method combining calibration data and acoustic inversion at two frequencies has been developed, allowing, under certain conditions, to estimate the concentration of fine and sand sediments throughout the entire river cross-section. This result confirms the ability of hydroacoustic technology to provide spatial information on the suspension. Significant differences were frequently observed between the theoretical acoustic response, computed from concentration and particle size data, and the acoustic measurements in rivers. It seems that these differences could be due to the presence of other scatterers in rivers, probably flocs and/or air micro-bubbles. This work calls for the development of a more efficient theoretical framework suitable for river suspensions.; A travers cette thèse, nous avons cherché à développer de nouvelles méthodes de mesure, basées sur la rétrodiffusion acoustique, pour estimer la concentration massique des sédiments en suspension dans les rivières. Souvent, ces sédiments présentent une distribution granulométrique bimodale, i.e. constituée d’un mélange de sédiments fins et de sable. Le principal avantage des méthodes hydroacoustiques est leur capacité à fournir des mesures avec une résolution spatiale et temporelle bien meilleure que les techniques classiques type prélèvement. L’objectif est in fine d’améliorer l’estimation du flux sédimentaire dans les cours d’eau. Des mesures acoustiques multifréquences, associées à des prélèvements physiques, ont été réalisées sur le terrain et dans une cuve expérimentale au laboratoire. Des méthodes d’inversion du signal acoustique ont été testées et développées au laboratoire sur une suspension homogène de sédiments fins. Une nouvelle méthode en particulier, combinant analyse de la rétrodiffusion et de l’atténuation acoustique, a permis de retrouver la concentration massique des sédiments avec une précision de l’ordre de ± 20 %. En rivière, une méthode mixte alliant données de calibration et inversion du signal acoustique à deux fréquences a été développée, permettant, dans certaines conditions, d’estimer la concentration des sédiments fins et du sable sur l’ensemble de la section en travers d’un cours d’eau. Ce résultat confirme la capacité de la technologie hydroacoustique à fournir une information spatiale sur la suspension. Des écarts parfois importants ont été observés entre la réponse acoustique théorique, calculée à partir des données de concentration et de granulométrie, et les mesures acoustiques sur le terrain. Il semble que ces écarts soient dus à la présence d’autres corps diffusants dans les rivières, probablement des flocs et/ou des micro-bulles d’air. Ces travaux appellent au développement d’un cadre théorique plus performant et adapté aux suspensions rencontrées en rivière.

The growing awareness of the contamination of rivers has led to the establishment of more rigorous regulations related to urban waste, and to the setting of water quality objectives to be achieved for aquatic environment. However, grab sampling remains an important limitation for the estimation of contaminant flux, and the need for constant monitoring is present in both natural environment and urban sanitation. This study focuses on the quantification of the proportion of urban waste in the Grenoble area to the total flux of 1) suspended solids (TSS), 2) nutrients (nitrogen and phosphorus), 3) organic carbon and 4) metals trace element (MTE) of the receiving environment; the Isère (an alpine river). This work was supported by a network of continuous discharge measurements (Q) and TSS (turbidimetry), both upstream and downstream of Grenoble associated with regular sampling campaigns, with a higher measurement frequency during flood events. A spectrometric probe upstream was also placed upstream. Detailed measurement campaigns on major sub-basins of the sewerage network were performed during the study period as part of the sanitation master plan of Grenoble. The combination of these two approaches allowes to relate the spatio-temporal variations of TSS, nutrients, organic carbon and MTE in the urban water network of Grenoble and in the receiving environment (the Isère) for the years 2011 and 2012. Flows of the traced parameters have been established to determine the contribution of urban waste flows in the receiving environment, over these two years. Finally, a study on how to improve the flow calculations by the use of relations between MTE / particulate organic carbon (POC ) and a continuous measurable parameter (MES, Q ) was conducted in parallel with these results. Key words: suspended solids, Nutrients, metals trace element; Mercury; urban waste; turbidimetry and spectrometric probe, La prise de conscience grandissante de la contamination des cours d'eau a entraîné l'établissement de réglementations de plus en plus strictes concernant les rejets urbains et la fixation d'objectifs de qualité à atteindre pour les milieux aquatiques. Cependant, l'échantillonnage ponctuel reste une limite importante dans l'estimation des flux de contaminants, et le besoin de suivis en continu est présent dans le milieu naturel et dans les réseaux d'assainissement urbains. Cette étude porte sur la quantification de la part des rejets urbains de l'agglomération grenobloise dans les flux totaux de matières en suspension (MES), nutriments (azote, phosphore), carbone organique et éléments traces métalliques (ETM) du milieu récepteur Isère (une rivière alpine). Ce travail s'est appuyé sur un réseau de mesures en continu de débits (Q) et de MES (par turbidimétrie) à l'amont et à l'aval de l'agglomération et sur une sonde spectrométrique à l'amont, associé à des campagnes de prélèvements réguliers et renforcés pendant les épisodes de crues. Des campagnes de mesures détaillées sur les principaux sous bassins du réseau d'assainissement ont été réalisées durant la période d'étude dans le cadre du schéma directeur d'assainissement de l'agglomération grenobloise. Le croisement de ces deux approches a permis de confronter les variations spatio-temporelles des MES, nutriments, carbone organique et ETM du réseau et du milieu récepteur en 2011 et 2012. Les flux sur ces deux années ont été établis afin de déterminer la contribution des rejets urbains dans les flux du milieu récepteur. La contamination en mercure a fait l'objet d'un suivi particulier du fait de la présence d'une source significative de mercure dans la région. Enfin, une réflexion sur l'amélioration des calculs de flux par l'utilisation de relations entre les ETM/carbone organique particulaire (COP) et un paramètre mesurable en continu (MES, Q) a été menée en parallèle de l'exploitation de ces résultats. Mots-clés : Matières en suspension ; Dynamique des flux ; Nutriments ; Eléments traces métalliques ; Mercure ; Rejets urbains (par temps de pluie et temps sec), sondes de turbidité et spectrométrique.

The Arzal dam upon the Vilaine estuary provokes an aggravation of a recurrent summer hypoxia of the bottom waters in the bay of Vilaine., La présence du barrage d'Arzal sur l'estuaire de la Vilaine a pour conséquence l'aggravation d'une situation récurrente d'hypoxie estivale des eaux de fond dans la baie de la Vilaine.

The objective of this study, carried out in the Gironde estuary inlet, was to determine the nature of the seaward dispersion of estuarine water and suspended sediments during a spring tide and high river flow. On June 3, 19(7, three flights were made over the inlet, at mid ebb, low tide and mid flood. The planned flight at high tide was cancelled due to adverse meteorological conditions. During each flight, thermal infrared coverage was obtained, together with black and white photographs. These data were correlated with concomitant ground mesures of current velocity, salinity, temperature and suspended sediment concentration Four types of water masses were identified during the tidal cycle: estuarine "very warm and turbid" water; estuarine "cooler and turbid" water; coastal "cold and turbid" water; marine "very warm and non-turbiq': water. The tidal movement and dispersion of each of these water masses were analysed over the tidal cycle. The net tidal movement of the warm and turbid estuarine water is initially seaward to the West, then to the North, following the net coastal water dnft. To the North of the Gironde inlet, the Gironde waters mix with those from the Marennes-Oleron Bay. Further North, the turbid plumes dispersed by fragmentation are transported seaward, where they are gradually entrained to the south in the offshore shelf drift. A considerable quantity of the seaward-expelled Gironde suspended sediments is deposited in a mud field on the inner and mid shelf adjacent to the estuary. The rates of mixing and dispersion of the estuarine waters on the shelf are relatively low. Dispersion, which appears to attain a maximum during mid ebb, is reduced at the beginning of flood tide, and the turbid plumes are preserved for a time without mixing., L'étude effectuée dans la zone de l'embouchure de la Gironde vise à déterminer les modalités de la dispersion en mer des eaux estuariennes et des sédiments en suspension au cours d'une marée de grande vive-eau en période de crue fluviale. Dans la journée du 3 juin 1977, on a pu effectuer trois survols de la zone marine influencée par les eaux estuariennés: à mi-jusant, basse-mer, mi-flot. Le quatrième vol prévu à pleine-mer a dû être annulé par suite de conditions météorologiques défavorables. On dispose pour chaque vol d'une couverture infrarouge thermique et d'une couverture photo classique en noir et blanc. Les données de la télédétection sont étalonnées par des mesures in situ. Le 3 juin, à l'embouchure de la Gironde et au large du Pertuis de Maumusson, on peut définir de façon relative quatre types d'eau : un type estuarien «très chaud et turbide »; un type estuarien « chaud et turbide »; un type côtier « froid et turbide »; un type marin «très chaud et non turbide». Au cours de la marée, le noyau le plus chaud et le plus turbide se déplace vers l'Ouest puis vers le Nord, suivant ainsi l'évolution de l'orientation des courants de marée. Au large de Maumusson, une partie des eaux de la Gironde se mêle à celles de la Baie de Marennes-Oléron. Plus au Nord, au large de l'île d'Oléron, les nappes turbides mélangées, fragmentées et relativement dispersées sont transportées vers l'Ouest où elles sont progressivement reprises par les courants de dérive Nord-Sud. Après un temps plus ou moins long, fonction de l'agitation du milieu, elles se décantent dans une vasière située au large de la Gironde.