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L’évolution de l’agriculture depuis les années 60 a permis une augmentation des rendements et d’atteindre l’autosuffisance alimentaire. Cette évolution a conduit à une intensification et une simplification des pratiques et des assolements qui ont eu des conséquences environnementales, en particulier sur la qualité des eaux, souvent contaminées par des pesticides. Cette qualité des eaux est devenue un enjeu national et européen avec la mise en place de normes réglementaires : la Directive Cadre sur l’Eau (Europe) et le programme Ecophyto (France). Pour mettre en place les démarches de conseil afin de diminuer l’impact des pesticides sur la qualité de l’eau, les acteurs ont besoin d’indicateurs pour évaluer le risque pesticide à différentes échelles, or les indicateurs existants permettent essentiellement de déterminer un risque à l’échelle de la parcelle, mais pas à l’échelle du bassin versant. La question est donc de pouvoir déterminer un risque à l’échelle du bassin versant en agrégeant des risques déterminés à l’échelle de la parcelle. Le travail s’est effectué en trois axes : le premier axe consiste à comparer l’indicateur pesticide I-phy de l’équipe Agriculture Durable du Laboratoire Agronomie et Environnement à 27 indicateurs différents, afin de comparer la capacité prédictive, le domaine de validité et le rôle des variables prises en comptes dans le calcul de ces indicateurs. Cette comparaison se fera via un ensemble de tests statistiques comme le calcul des corrélations et des tests de vraisemblance entre les calculs des indicateurs de risques et des données expérimentales issues de sites présentant des conditions pédoclimatiques différentes. Dans le second axe, nous avons proposé une amélioration de l’indicateur parcellaire I-phy par la prise en compte des zones non-productives en bordure de parcelles en prenant en compte les éléments issus de la bibliographie, l’utilisation d’un modèle et des mesures de terrain sur les bandes enherbées. Dans l’axe trois, nous avons élaboré une méthode d’agrégation des risques parcellaires pour calculer un risque à l’échelle du Bassin Versant. Pour établir cette méthode, nous avons équipé un Bassin Versant d’étude en 4 points, de préleveurs et de mesure de débit, pour mesurer les contributions relatives des parcelles du Bassin Versant. La conclusion de ce travail doit valider une méthode d’agrégation des risques de pollution des eaux par les pesticides à l’échelle du bassin-versant, qui pourra être déclinée en outils opérationnels pour les acteurs de la gestion de l’eau afin, entre autre, de conseiller les agriculteurs et de tester des scénarios de changements de pratiques pour améliorer la qualité des eaux.

L’évolution de l’agriculture depuis les années 60 a permis une augmentation des rendements et d’atteindre l’autosuffisance alimentaire. Cette évolution a conduit à une intensification et une simplification des pratiques et des assolements qui ont eu des conséquences environnementales, en particulier sur la qualité des eaux, souvent contaminées par des pesticides. Cette qualité des eaux est devenue un enjeu national et européen avec la mise en place de normes réglementaires : la Directive Cadre sur l’Eau (Europe) et le programme Ecophyto (France). Pour mettre en place les démarches de conseil afin de diminuer l’impact des pesticides sur la qualité de l’eau, les acteurs ont besoin d’indicateurs pour évaluer le risque pesticide à différentes échelles, or les indicateurs existants permettent essentiellement de déterminer un risque à l’échelle de la parcelle, mais pas à l’échelle du bassin versant. La question est donc de pouvoir déterminer un risque à l’échelle du bassin versant en agrégeant des risques déterminés à l’échelle de la parcelle. Le travail s’est effectué en trois axes : le premier axe consiste à comparer l’indicateur pesticide I-phy de l’équipe Agriculture Durable du Laboratoire Agronomie et Environnement à 27 indicateurs différents, afin de comparer la capacité prédictive, le domaine de validité et le rôle des variables prises en comptes dans le calcul de ces indicateurs. Cette comparaison se fera via un ensemble de tests statistiques comme le calcul des corrélations et des tests de vraisemblance entre les calculs des indicateurs de risques et des données expérimentales issues de sites présentant des conditions pédoclimatiques différentes. Dans le second axe, nous avons proposé une amélioration de l’indicateur parcellaire I-phy par la prise en compte des zones non-productives en bordure de parcelles en prenant en compte les éléments issus de la bibliographie, l’utilisation d’un modèle et des mesures de terrain sur les bandes enherbées. Dans l’axe trois, nous avons élaboré une méthode d’agrégation des risques parcellaires pour calculer un risque à l’échelle du Bassin Versant. Pour établir cette méthode, nous avons équipé un Bassin Versant d’étude en 4 points, de préleveurs et de mesure de débit, pour mesurer les contributions relatives des parcelles du Bassin Versant. La conclusion de ce travail doit valider une méthode d’agrégation des risques de pollution des eaux par les pesticides à l’échelle du bassin-versant, qui pourra être déclinée en outils opérationnels pour les acteurs de la gestion de l’eau afin, entre autre, de conseiller les agriculteurs et de tester des scénarios de changements de pratiques pour améliorer la qualité des eaux.

His work aims at modeling hydrodynamic dispersion mechanisms in aquifers. So far both flow field heterogeneity and mobile-immobile mass transfer have been studied separately for explaining the ubiquitously observed non-Fickian behaviors, but we postulate that both mechanisms contribute simultaneously. Our investigations combine laboratory experiments and pore scale numerical modeling. The experimental rig was designed to enable push-pull and flow through tracer tests on glass bead columns and Berea sandstone cores. Modeling consists in solving Stokes flow and solute transport on 3D X-ray microtomography images segmented into three phases: solid, void and microporosity. Transport is modeled using time domain random walk. Statistical analysis of the flow field emphasizes the importance of the mesh resolution and the inclusion of the microporosity. Results from the simulations show that both the flow field heterogeneity and the diffusive transport in the microporous fraction of the rock contribute to the overall non-Fickian transport behavior observed, for instance, on the breakthrough curves (BTC). These results are supported by our experiments. We conclude that, in general, this dual control must be taken into account, even if these different influences can hardly be distinguished from a qualitative appraisal of the BTC shape, specifically for the low values of the Peclet number that occurs in natural conditions. Finally, a 1D up-scaled model is developed in the framework of the continuous time random walk, where the influences of the flow field heterogeneity and mobile-immobile mass transfer are both taken into account using distinct transition time distributions.; Ces travaux ont pour objectif de modéliser les mécanismes de dispersion dans les aquifères. L’hétérogénéité du champ de vitesse et le transfert de masse entre zones immobiles et mobiles sont deux origines possibles du comportement non-Fickéen, jusqu’alors étudiées de façon séparée. Notre hypothèse de départ est que ces deux mécanismes coexistent. Nos travaux comprennent : 1) des expériences de traçage sur colonnes de billes de verre et carottes de grès de Berea, en mode flow-through et push-pull, et 2) des simulations numériques réalisées à partir d’images en microtomographie RX segmentées en trois phases : solide, vide et microporosité. L’analyse du champ de vitesse (Stokes) montre l’importance de la discrétisation spatiale et de la prise en compte de la microporosité. Les résultats des simulations de transport (en utilisant la méthode time domain random walk) permettent de quantifier l’effet combiné de l’hétérogénéité du champ de vitesse et des transferts diffusifs dans la fraction micro-poreuse de la roche sur la dispersion non-Fickéenne, caractérisée à partir des courbes de restitution (BTC). Ces résultats sont cohérents avec les observations expérimentales. Nous concluons que ces deux effets doivent être pris en compte même si leur identification à partir de la forme des BTCs issues des traçages des milieux naturels (souvent caractérisés par de faible valeurs du nombre de Peclet ) reste difficile. Enfin, un modèle moyen macroscopique 1D est proposé dans le cadre d’une approche de type continuous time random walk dans laquelle des distributions spécifiques du temps de transfert des particules sont construites pour chacun des deux mécanismes de transport.

This research aims at assessing the effects generated, on management of urban water in the long term, by progressive development of rainwater harvesting (RWH), and more particularly on the drinking water supply. It is carried out in a prospective way on the scale of Paris and its suburbs. On the whole, this research contributes to a controversy about the validity of a centralized model of management of water in an urban environment. After a description of the RWH in urban areas, this report presents state of the art tools and scientific methods, and focuses on the development of a scaling approach. The objective is to produce, a significant assessment of potential potable water savings (PPWS), on an urban scale by substituting part of it by rainwater recovered for uses which do not require such quality. With this aim, we propose an approach based on sequential evaluation using an intermediate scale (the municipality), on merging of buildings with similar characteristics related to RWH and four methodological principles (modeling, aggregation, increase, Ranking strategy)Applied to the Paris agglomeration, the implemented methodology shows that the recovered rainwater volume is likely to represent a potential equivalent of 65% of the demands for non-drinking water and of 11% of the drinking water distributed. This research also highlights that the residential sector constitutes the major contribution of this potential, because it holds 2/3 of the total potential to the Paris agglomeration. The first analysis of the system of actors implied in the RWH in urban environment has also been developed. This analysis makes it possible to identify a specific subset of actors who have the capacity to carry out an “lever” action in generalizing this practice on an urban scale, either directly because of their capacity of leading a collective action (for a set of buildings for example), or indirectly through their capacity to act on the owners of the buildings (by incentive mechanisms in particular).Finally, this work positions RWH in on urban environment within the general debate related to the evolution of present cities, Ce travail de recherche vise à appréhender les effets engendrés à terme sur la gestion urbaine de l'eau par le développement progressif de la pratique de récupération et d'utilisation de l'eau de pluie (RUEP), et plus particulièrement sur l'alimentation en eau potable. Il est réalisé de manière prospective à l'échelle de l'agglomération parisienne. Plus largement, cette recherche constitue une contribution au débat ouvert depuis quelques années relatif à la remise en question progressive du modèle centralisé de gestion de l'eau en milieu urbain. Après une description de la pratique urbaine de REUP, ce travail établit un état de l'art des outils et des méthodes scientifiques s'y rapportant, et suggère de se focaliser sur le développement d'une approche de changement d'échelles. L'objectif est de produire, à une échelle urbaine, une estimation significative des économies d'eau potable réalisables en substituant à celle-ci de l'eau de pluie récupérée pour des usages ne requérant pas une qualité d'eau alimentaire. Pour ce faire, nous proposons une approche basée sur l'évaluation séquentielle à l'aide d'une échelle intermédiaire (la commune), d'une logique de regroupement de bâtiments aux caractéristiques comparables au regard de la RUEP et de quatre principes (distinction, agrégation, majoration, hiérarchisation).Sur l'agglomération de Paris, la méthodologie mise en œuvre montre que l'eau de pluie récupérée est susceptible de représenter un potentiel équivalent à 65% des besoins en eau non potable et à 11% du volume d'eau potable distribué. Le travail met également en évidence que le secteur résidentiel constitue le gisement principal de ce potentiel, car il détient 2/3 du potentiel global de l'agglomération. Une première analyse du système d'acteurs impliqués dans la RUEP en milieu urbain complète ce travail. Cette analyse permet de dégager un sous ensemble particulier d'acteurs qui ont la capacité d'effectuer une action « levier » sur la diffusion de cette pratique sur une échelle urbaine, soit directement en raison de leur capacité d'action collective (un ensemble de bâtiments par exemple), soit indirectement au travers de leur capacité d'influencer sur les propriétaires des bâtiments (mécanismes d'incitation notamment).Au final, ce travail permet de situer la RUEP en milieu urbain au sein du débat général portant sur les mutations que connaît la ville d'aujourd'hui

This research aims at assessing the effects generated, on management of urban water in the long term, by progressive development of rainwater harvesting (RWH), and more particularly on the drinking water supply. It is carried out in a prospective way on the scale of Paris and its suburbs. On the whole, this research contributes to a controversy about the validity of a centralized model of management of water in an urban environment. After a description of the RWH in urban areas, this report presents state of the art tools and scientific methods, and focuses on the development of a scaling approach. The objective is to produce, a significant assessment of potential potable water savings (PPWS), on an urban scale by substituting part of it by rainwater recovered for uses which do not require such quality. With this aim, we propose an approach based on sequential evaluation using an intermediate scale (the municipality), on merging of buildings with similar characteristics related to RWH and four methodological principles (modeling, aggregation, increase, Ranking strategy)Applied to the Paris agglomeration, the implemented methodology shows that the recovered rainwater volume is likely to represent a potential equivalent of 65% of the demands for non-drinking water and of 11% of the drinking water distributed. This research also highlights that the residential sector constitutes the major contribution of this potential, because it holds 2/3 of the total potential to the Paris agglomeration. The first analysis of the system of actors implied in the RWH in urban environment has also been developed. This analysis makes it possible to identify a specific subset of actors who have the capacity to carry out an “lever” action in generalizing this practice on an urban scale, either directly because of their capacity of leading a collective action (for a set of buildings for example), or indirectly through their capacity to act on the owners of the buildings (by incentive mechanisms in particular).Finally, this work positions RWH in on urban environment within the general debate related to the evolution of present cities; Ce travail de recherche vise à appréhender les effets engendrés à terme sur la gestion urbaine de l'eau par le développement progressif de la pratique de récupération et d'utilisation de l'eau de pluie (RUEP), et plus particulièrement sur l'alimentation en eau potable. Il est réalisé de manière prospective à l'échelle de l'agglomération parisienne. Plus largement, cette recherche constitue une contribution au débat ouvert depuis quelques années relatif à la remise en question progressive du modèle centralisé de gestion de l'eau en milieu urbain. Après une description de la pratique urbaine de REUP, ce travail établit un état de l'art des outils et des méthodes scientifiques s'y rapportant, et suggère de se focaliser sur le développement d'une approche de changement d'échelles. L'objectif est de produire, à une échelle urbaine, une estimation significative des économies d'eau potable réalisables en substituant à celle-ci de l'eau de pluie récupérée pour des usages ne requérant pas une qualité d'eau alimentaire. Pour ce faire, nous proposons une approche basée sur l'évaluation séquentielle à l'aide d'une échelle intermédiaire (la commune), d'une logique de regroupement de bâtiments aux caractéristiques comparables au regard de la RUEP et de quatre principes (distinction, agrégation, majoration, hiérarchisation).Sur l'agglomération de Paris, la méthodologie mise en œuvre montre que l'eau de pluie récupérée est susceptible de représenter un potentiel équivalent à 65% des besoins en eau non potable et à 11% du volume d'eau potable distribué. Le travail met également en évidence que le secteur résidentiel constitue le gisement principal de ce potentiel, car il détient 2/3 du potentiel global de l'agglomération. Une première analyse du système d'acteurs impliqués dans la RUEP en milieu urbain complète ce travail. Cette analyse permet de dégager un sous ensemble particulier d'acteurs qui ont la capacité d'effectuer une action « levier » sur la diffusion de cette pratique sur une échelle urbaine, soit directement en raison de leur capacité d'action collective (un ensemble de bâtiments par exemple), soit indirectement au travers de leur capacité d'influencer sur les propriétaires des bâtiments (mécanismes d'incitation notamment).Au final, ce travail permet de situer la RUEP en milieu urbain au sein du débat général portant sur les mutations que connaît la ville d'aujourd'hui

Changing scales: a method for analysing scale systems. — The analysis of spatially aggregated data poses methodological problems due mainly to the effects of aggregation. If one has at one's disposal a system of scales, i.e. a nested set of levels of analysis, it is not only possible to process data but also to examine the extent to which information content changes at alternative scales. The statistical analysis of a system of scales proposed here provides a method of spatial data exploration based on descriptive multivariate analysis and a means of understanding the way space is organised by investigating differences between the spatial units at a selected level of analysis and, at the same time, their internal spatial variation., L'analyse de données spatialement agrégées pose souvent des problèmes méthodologiques dus essentiellement à l'effet de l'agrégation. Si l'on dispose d'un système d'échelles, c'est-à-dire d'un ensemble de niveaux d'analyse emboîtés, on peut envisager non seulement le traitement de données agrégées suivant les différents niveaux d'analyse mais aussi l'étude des transformations de l'information lors du changement d'échelle. L'analyse statistique d'un système d'échelles, que nous proposons dans cet article, est basée sur l'analyse descriptive multiva- riée et constitue une méthode spatiale exploratoire. Elle contribue à mettre en évidence l'organisation d'un espace en examinant à la fois les différenciations entre les unités spatiales qui constituent le niveau d'analyse considéré et les différenciations à l'intérieur de ces unités spatiales., Piron MariePiron Marie. Changer d'échelle : une méthode pour l'analyse des systèmes d'échelles. In: L'Espace géographique, tome 22, n°2, 1993. pp. 147-165.

The technique of change of scales has been extensively developed in the literature to describe the global behaviour of granular materials taking into account their local properties. This method usually considers two scales : the macroscopic scale at the level of representative elementary volume and the microscopic scale at the level of contact between particles. The major difficulty of this "micro-macro" change of scales lies in the definition of the macroscopic strain : indeed, the macroscopic stress is clearly defined from contact forces while it is not appropriate to derive the macroscopic strain from the kinematics at contacts. In this framework, this work proposes to introduce a third scale called mesoscopic scale. This scale, at which both stress and strain can be defined, is intermediate between macroscopic and microscopic scales and allows to overcome the major difficulty mentioned above. The mesoscopic scale is defined at the level of local arrangements of particles, called sub-domains, and its relevance is studied on numerical 2D and 3D materials composed of circular then spherical particles, simulated with the discrete element method. Bidimensional media are geometrically represented by a particle graph composed of closed sub-domains, also called void cells, whose border is constituted by the branches joining the centers of particles in contact : the mesoscopic scale is thus defined at the level of these closed void cells. At this local scale, we fist describe the structure of the medium in terms of density and fabric ; we define then the static and kinematic variables in terms of stress and of strain. Strong heterogeneities of granular media in terms of structure, stress and strain are highlighted at this scale, with a structuration of heterogeneities of stress and strain and a significant correlation between these two quantities. Concerning tridimensional media, a partition into closed void cells is impossible, because of the complexity of the 3D structure of these media. We propose a partition method based on the distribution of voids inside the medium. This method consists first in subdividing the medium into tetrahedrons by a Delaunay partition and then in associating neighbouring tetrahedrons, according to a criterion to be defined. This allows us to form sub-domains which are not closed but which play a role analogous to the role of closed sub-domains in the 2D study. The proposed association criterion is based on the ratio between the size of constriction (void on each face of tetrahedrons) and the size of pores around each constriction. This partition method constitutes a preliminary step for an extension of the results obtained in the bidimensional case to the tridimensional case.; La technique de changement d'échelles a été largement développée dans la littérature pour décrire le comportement global des milieux granulaires en prenant en compte leurs propriétés locales. Cette technique considère classiquement deux échelles : l'échelle macroscopique du volume élémentaire représentatif et l'échelle microscopique du contact entre particules. Le défi majeur de ce changement d'échelles "micro-macro" réside dans la définition de la déformation macroscopique : en effet, si la contrainte macroscopique peut être clairement définie à partir des forces de contact, il a été montré qu'il n'était pas approprié de déduire la déformation macroscopique à partir de la cinématique aux contacts. Dans ce cadre, ce travail propose d'introduire une troisième échelle dite mésoscopique. Cette échelle, à laquelle peuvent être définies à la fois contrainte et déformation, est intermédiaire entre les échelles microscopique et macroscopique et permet de palier au défi majeur mentionné ci-dessus. Elle est définie au niveau d'arrangements locaux de particules, appelés sous-domaines, et sa pertinence est étudiée sur la base d'échantillons numériques composés de particules circulaires puis sphériques, simulés par la méthode des éléments discrets. Les milieux bidimensionnels sont géométriquement représentés par un graphe de particules composé de sous-domaines fermés, encore appelés cellules de vide, dont la frontière est constituée de branches connectant les centres de particules en contact : l'échelle mésoscopique est donc définie au niveau de ces cellules de vide fermées. A cette échelle locale, on décrit tout d'abord la structure du milieu en termes de densité et de texture puis l'on définit les variables statique et cinématique locales du milieu en termes de contrainte et déformation. De fortes hétérogénéités des milieux granulaires en termes de structure, déformation et contrainte sont mises en évidence à l'échelle mésoscopique, avec de plus une structuration des hétérogénéités de contraintes et de déformations et une forte corrélation entre ces deux quantités. Concernant les milieux tridimensionnels, une partition en cellules de vide fermées est impossible du fait de la complexité de la structure 3D de ces milieux. On propose donc une méthode de partition du milieu basée sur la distribution des vides en son sein. La méthode consiste en premier lieu en une subdivision du milieu en tétraèdres, par une partition de Delaunay, puis en une association de tétraèdres voisins selon un critère prédéfini en vue de la création de sous-domaines, non fermés, mais au rôle analogue aux sous-domaines fermés de l'étude 2D. Le critère d'association proposé est basé sur le rapport entre la taille des constrictions (vide sur chaque face des tétraèdres) et la taille des pores au voisinage de chaque constriction. Cette méthode d'association constitue donc l'étape préliminaire à l'extension au cas tridimensionnel des résultats obtenus dans le cas bidimensionnel.

Le suivi de la couverture hivernale des sols constitue un des principaux enjeux de la réduction de la pollution de la ressource en eau en Bretagne, la présence de la végétation entravant les transferts de flux polluants vers les cours d’eau. Le suivi du ratio « sols nus / sols couverts » peut être réalisé à l’aide d’instruments satellitaires de façon quotidienne à une échelle régionale, mais à une résolution spatiale grossière par des capteurs de type SPOT VEGETATION (1 km). Il peut également être effectué à une résolution spatiale fine par des capteurs tel que SPOT HRVIR (20 m) mais avec une acquisition d’images une ou deux fois par hiver seulement sur un territoire plus limité. Toute évolution de ce ratio, détectée à l’échelle régionale, peut être issue de variations de la couverture hivernale des sols, mais également de l’influence de facteurs climatiques. Les changements observés doivent alors être validés par une analyse à l’échelle locale. Le lien entre les images des deux capteurs est établi à partir du développement d’une méthode neuronale basée sur une carte de Kohonen. L’originalité de cette méthode réside dans l’utilisation de la dimension temporelle pour résoudre ce problème de changement d’échelles. Following land cover changes during winter is one of the main ways to reduce non-point source water pollution in Brittany, in restricting pollutant fluxes towards rivers. The “bare soils/vegetation” ratio monitoring can be carried out daily at a coarse spatial resolution with SPOT VEGETATION (1 km), and also at a higher spatial resolution with SPOT HRVIR (20 m), although with less repetitive and more spatially limited data. Land-cover changes detected at a regional scale with this ratio can be explained by winter vegetation covering changes as well as by the influence of climatic events. Therefore, observed changes have to be validated from a local scale analysis. The aim of this study is to develop a method that enables the assessment of high or low variations detected at a regional scale from SPOT VEGETATION images with data registered at a higher scale, SPOT HRVIR images in this case. In this study, the link between the images of the two sensors is set up from the development of an Artificial Neural Network method based on a Kohonen Self-Organizing Features Map. The originality of this method lies in the utilization of the temporal dimension to solve such a change of scales.

The work presented here is devoted to the applications of the homogenization methods to model and to analyse the jointed rock mass built-in structures. After the presentation of the two most used approaches for the analysis of such structures and their domains of pertinency in that first bibliographical section (chap.1), we have formulated, due to some hypothesis on the geometry and the mechanical characteristics of the constituants (rock matrix and joints), the elasto-plastic macroscopic behaviour of the homogenized medium wether the medium is initially periodically or not heterogenous (chap.2). The main features of this behaviour is the absence of hardening and termes of interaction between joints. To validate the finite element code created (Chap.4), we used the analytical solution of the convergence of a circular tunnel (chap.3). Finally we proceed to apply this numerical code to two typical rock mechanics problems (chap.5)., Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à l'application des méthodes de changement d'échelles pour la modélisation et le calcul des ouvrages construits en milieux rocheux fracturés. Après avoir présenté les deux approches usuellement adoptées, l'approche discontinue et l'approche continue, et leurs limites en termes de pertinence, dans une première partie essentiellement bibliographique (chap.1), nous avons formulé à partir des hypothèses sur les caractéristiques géométriques et mécaniques des deux constituants (matrice et joints), le comportement macroscopique en élasto plasticité du milieu homogénéisé aussi bien dans le cas périodique que dans le cas des milieux aléatoirement hétérogènes (chap.2). Les deux traits importants de ce comportement sont l'absence d'écruissage et l'absence de terme rendant compte de l'interaction entre les joints se coupant. Afin de valider le code d'éléments finis en déplacement que nous avons mis au point (chap.4), nous avons construit une solution analytique (convergence du tunnel circulaire) pour servir de référence (chap.3). Pour terminer, nous avons procédé à l'application du code numérique construit sur deux problèmes typiques de la Mécanique des Roches (chap.5).