Sediment budget monitoring of debris-flow and bedload transport in the Manival Torrent, SE France

Steep mountain catchments typically experience large sediment pulses from hillslopes which are stored in headwater channels and remobilized by debris-flows or bedload transport. Event-based sediment budget monitoring in the active Manival debris-flow torrent in the French Alps during a two-year period gave insights into the catchment-scale sediment routing during moderate rainfall intensities which occur several times each year. The monitoring was based on intensive topographic resurveys of low- and high-order channels using different techniques (cross-section surveys with total station and high-resolution channel surveys with terrestrial and airborne laser scanning). Data on sediment output volumes from the main channel were obtained by a sediment trap. Two debris-flows were observed, as well as several bedload transport flow events. Sediment budget analysis of the two debris-flows revealed that most of the debris-flow volumes were supplied by channel scouring (more than 92%). Bedload transport during autumn contributed to the sediment recharge of high-order channels by the deposition of large gravel wedges. This process is recognized as being fundamental for debris-flow occurrence during the subsequent spring and summer. A time shift of scour-and-fill sequences was observed between low- and high-order channels, revealing the discontinuous sediment transfer in the catchment during common flow events. A conceptual model of sediment routing for different event magnitude is proposed.

Ambient vertical flow in long-screen wells: a case study in the Fontainebleau Sands Aquifer (France)

A tritium (H-3) profile was constructed in a long-screened well (LSW) of the Fontainebleau Sands Aquifer (France), and the data were combined with temperature logs to gain insight into the potential effects of the ambient vertical flow (AVF) of water through the well on the natural aquifer stratification. AVF is commonly taken into account in wells located in fracture aquifers or intercepting two different aquifers with distinct hydraulic heads. However, due to the vertical hydraulic gradient of the flow lines intercepted by wells, AVF of groundwater is a common process within any type of aquifer. The detection of 3H in the deeper parts of the studied well ( approximate depth 50m), where H-3-free groundwater is expected, indicates that shallow young water is being transported downwards through the well itself. The temperature logs show a nearly zero gradient with depth, far below the mean geothermal gradient in sedimentary basins. The results show that the age distribution of groundwater samples might be biased in relation to the age distribution in the surroundings of the well. The use of environmental tracers to investigate aquifer properties, particularly in LSWs, is then limited by the effects of the AVF of water that naturally occurs through the well.

La gestion des services environnementaux: entre règles et régulation négociée. Six études de cas de services forestiers pour la production d'eau potable dans trois pays

Cette thèse est construite en quatre parties : trois annexes qui présentent six études de cas (env. 800 pages), précédées par une analyse transversale, plus synthétique (env. 150 pages), dont traite ce résumé. Chaque annexe contient une synthèse détaillée des études de cas. Cette thèse aborde la « gestion des ressources naturelles » en affirmant d'emblée que l'appellation est inappropriée, car ce ne sont pas les ressources qui sont gérées, mais leurs usages. Il s'agit donc d'identifier et d'analyser ce qui influence les comportements humains en lien avec la ressource. Cette affirmation fonde la perspective des sciences sociales sur la gestion des ressources naturelles, dans laquelle s'inscrit cette thèse. L'approche néo-institutionnaliste considère que les usages sont influencés par des institutions, qui sont elles-mêmes influencées par les usagers. Ces institutions sont des constructions humaines qui composent le contexte institutionnel dans lequel les acteurs décident de leurs usages (abattre un arbre, prélever de l'eau, etc.). Les usages des ressources ne sont donc jamais libres et il s'agit de comprendre comment ces règles du jeu influencent les pratiques. Elles sont nombreuses, interdépendantes et forment la trame sur laquelle se décident les usages. Pour saisir cette complexité, l'auteur applique le cadre d'analyse des régimes institutionnels des ressources (RIR) qui se limite à l'analyse de deux types de droits d'usages : ceux issues des règles de la propriété (titres de propriété, servitudes, etc.) et ceux issus des politiques publiques (lois, ordonnances, etc.). Le RIR permet d'identifier un « régime institutionnel », spécifique à la ressource étudiée, dont les évolutions peuvent être comparées dans le temps ou entre plusieurs lieux. Dans cette recherche, ce cadre d'analyse a été appliqué au même objet - la gestion forestière dans les zones de captage d'eau souterraine destinée au réseau public - dans trois pays : en France, en Suisse et en Indonésie. Trois années de recherche de terrain ont permis à l'auteur de s'intéresser non seulement aux règles prédéterminées (la réglementation), mais aussi aux règles effectivement activées sur le terrain (la régulation) par les acteurs rencontrés. Les études de cas montrent que les règles prévues sont inégalement activées et que les acteurs privilégient parfois la négociation directe pour résoudre leurs rivalités d'usages, à la place d'invoquer leurs droits acquis. Ce constat conduit l'auteur à proposer un élargissement de la focale du RIR, qui constitue le coeur de sa thèse. On ne s'intéresse plus seulement à ce qui « est » régulé, mais aussi à ce qui ne l'« est pas » et qui échappe à l'application classique du RIR. Ce renversement de perspective est crucial pour comprendre les usages concrets des ressources dans les régimes peu intégrés, où les pratiques s'expliquent davantage par la marge de manoeuvre laissée aux acteurs que par les règles prédéterminées. Cette relecture, testée avec succès dans cette thèse, permet d'intégrer la marge de manoeuvre à l'analyse au moyen du RIR. Elle se concrétise par l'identification des lacunes et incohérences dans les régimes institutionnels étudiés. Le champ d'application du RIR s'en trouve élargi et sa vulgarisation pour des non-spécialistes est facilitée, notamment pour les environnementalistes. La complémentarité entre les approches s'en trouve renforcée. Les résultats montrent deux choses : premièrement les acteurs disposent toujours d'une marge de manoeuvre pour négocier des régulations ponctuelles, qui sont autant d'alternatives à l'application des règles prévues. Deuxièmement, la conclusion d'accords issus de la négociation bi-/multilatérale dépend directement de la marge de manoeuvre laissée par le contexte institutionnel. Ceci explique pourquoi la négociation entre les propriétaires forestiers et les exploitants de captages s'imposent en Indonésie, est envisageable en France, mais n'aboutit pas en Suisse. Les nombreuses tentatives infructueuses de mise en oeuvre de solutions négociées, notamment sous forme de paiements pour services environnementaux (PSE), trouvent ici une explication. - This thesis (written in French) is built in four parts: three annexes that present six case studies (approx. 800 pages), preceded by a transverse, more conceptual analysis (approx. 150 pages), which this summary is about. Each annexe contains a detailed summary of the case studies. 'Natural resource management' is an inappropriate designation because it is not the resources that are managed but the uses made of them, therefore this thesis addresses the identification and analysis of the influences on human behaviour in relation to the resource. This statement roots the social sciences perspective on the management of natural resources, in which this thesis fits. A neoinstitutionalist approach considers that the uses are influenced by institutions, which are themselves influenced by users. These institutions are human constructions that form the institutional context in which the actors decide on the use of resources (felling a tree, collecting water, etc.). Thus, the uses of resources are never independent from institutional influences and it becomes necessary to understand how these rules of the game affect practices. They are numerous, interrelated and form the basis for the uses of resources. To understand this complexity, the author applies the institutional regime resource framework (IRR) which limits the analysis to two types of use rights: those resulting from the property rights (deeds, easements, etc.) and those from public policies (laws, ordinances, etc.). The IRR identifies an 'institutional regime', specific to the resource, from which developments can be compared over time or between several places. In this research, this analytical framework has been applied to the same topic - forest management in the recharging areas of groundwater piped for public supply - in three countries: France, Switzerland and Indonesia. Three years of field research allow the author to look not only at predetermined rules (rules), but also at regulations that are actually activated on the ground (rules-in-use). The case studies show that the predetermined rules are unevenly applied and that sometimes actors favour direct negotiation to resolve their rivalry of uses, instead of invoking their vested rights. From this observation the author proposes an enlargement of the IRR's scope, forming the core of his thesis. The interest covers not only what 'is' regulated, but what 'is not' and so is beyond the classical application of the IRR. This shift in perspective is crucial to understand the concrete uses of resources in poorly integrated regimes, where practices are explained by the margin of manoeuvre left to the actors rather than predetermined rules. This reinterpretation, tested successfully in this research, allows the margin of manoeuvre to be integrated in the analysis using the IRR and is made concrete by the identification of gaps and inconsistencies in the investigated institutional context. The new interpretation of the IRR in this thesis complements and enhances its classical application. In particular, its use and understanding by non-specialists, especially environmentalists, is facilitated. The results show two things: first the actors always have leeway to negotiate ad hoc regulations, which are alternatives to the application of the predefined rules. Second, the conclusion of bi/multilateral negotiated agreements depends directly on the leeway left by the institutional context. This explains why the negotiation between forest owners and operators of water catchments is needed in Indonesia, is possible in France, but does not succeed in Switzerland. This offers an explanation for many unsuccessful attempts to implement negotiated solutions, notably payments for environmental services (PES).

Asthme aigu sévère [Severe acute asthma]

Acute severe asthma is defined by the occurrence of an acute exacerbation resistant to the initial medical treatment, complicated by life-threatening respiratory distress due to severe lung hyperinflation. The conventional therapeutic approach is based on oxygen therapy and on the combined treatment of inhaled beta2-agonists at repeated doses and systemic corticosteroids. Inhaled or systemic magnesium sulfate is also recommended. The unresponsiveness to the initial bronchodilating therapy and the development of respiratory distress requiring intubation significantly increases mortality, due to the complications induced by mechanical ventilation. In these situations, a ventilatory strategy, including controlled hypoventilation with permissive hypercapnia, aiming at preventing lung hyperinflation, is indicated. Non-invasive ventilation may be successful in certain patients and represents an effective alternative to intubation. In ventilated patients, helium-oxygen mixtures can be considered as adjunctive therapies. After having reviewed the basic pathophysiological principles, this article will focus on the current medical treatment and of the modalities of mechanical ventilation in acute severe asthma.

Developing clinical indication for multisite pacing.

The artificial activation of the heart modifies the mechanics of contraction and relaxation. While only little basic research has been addressed to this question, clinical observations showed that for hypertrophic as well as dilated cardiomyopathies appropriate pacing techniques can be useful. Pacing can influence the activation sequence. The spread out from a single site is slow, and so hypercontractility deminshed. With the use of multiple electrodes, two atrial and/or two ventricular, conduction delays in the atria or ventricles can be eliminated. Synchronisation of the cardiac activation has an anti-arrhythmic and positiv inotropic effect. This may lead to new indications for pacemakers or better to be named cardiac synchronisers.

Acid sensing by the Drosophila olfactory system.

The odour of acids has a distinct quality that is perceived as sharp, pungent and often irritating. How acidity is sensed and translated into an appropriate behavioural response is poorly understood. Here we describe a functionally segregated population of olfactory sensory neurons in the fruitfly, Drosophila melanogaster, that are highly selective for acidity. These olfactory sensory neurons express IR64a, a member of the recently identified ionotropic receptor (IR) family of putative olfactory receptors. In vivo calcium imaging showed that IR64a+ neurons projecting to the DC4 glomerulus in the antennal lobe are specifically activated by acids. Flies in which the function of IR64a+ neurons or the IR64a gene is disrupted had defects in acid-evoked physiological and behavioural responses, but their responses to non-acidic odorants remained unaffected. Furthermore, artificial stimulation of IR64a+ neurons elicited avoidance responses. Taken together, these results identify cellular and molecular substrates for acid detection in the Drosophila olfactory system and support a labelled-line mode of acidity coding at the periphery.

A new training set-up for trans-apical aortic valve replacement.

Trans-apical aortic valve replacement (AVR) is a new and rapidly growing therapy. However, there are only few training opportunities. The objective of our work is to build an appropriate artificial model of the heart that can replace the use of animals for surgical training in trans-apical AVR procedures. To reduce the necessity for fluoroscopy, we pursued the goal of building a translucent model of the heart that has nature-like dimensions. A simplified 3D model of a human heart with its aortic root was created in silico using the SolidWorks Computer-Aided Design (CAD) program. This heart model was printed using a rapid prototyping system developed by the Fab@Home project and dip-coated two times with dispersion silicone. The translucency of the heart model allows the perception of the deployment area of the valved-stent without using heavy imaging support. The final model was then placed in a human manikin for surgical training on trans-apical AVR procedure. Trans-apical AVR with all the necessary steps (puncture, wiring, catheterization, ballooning etc.) can be realized repeatedly in this setting.

Budgeting rockfall and modeling sedimentary delivery in torrent systems

This thesis is a compilation of projects to study sediment processes recharging debris flow channels. These works, conducted during my stay at the University of Lausanne, focus in the geological and morphological implications of torrent catchments to characterize debris supply, a fundamental element to predict debris flows. Other aspects of sediment dynamics are considered, e.g. the coupling headwaters - torrent, as well as the development of a modeling software that simulates sediment transfer in torrent systems. The sediment activity at Manival, an active torrent system of the northern French Alps, was investigated using terrestrial laser scanning and supplemented with geostructural investigations and a survey of sediment transferred in the main torrent. A full year of sediment flux could be observed, which coincided with two debris flows and several bedload transport events. This study revealed that both debris flows generated in the torrent and were preceded in time by recharge of material from the headwaters. Debris production occurred mostly during winter - early spring time and was caused by large slope failures. Sediment transfers were more puzzling, occurring almost exclusively in early spring subordinated to runoffconditions and in autumn during long rainfall. Intense rainstorms in summer did not affect debris storage that seems to rely on the stability of debris deposits. The morpho-geological implication in debris supply was evaluated using DEM and field surveys. A slope angle-based classification of topography could characterize the mode of debris production and transfer. A slope stability analysis derived from the structures in rock mass could assess susceptibility to failure. The modeled rockfall source areas included more than 97% of the recorded events and the sediment budgets appeared to be correlated to the density of potential slope failure. This work showed that the analysis of process-related terrain morphology and of susceptibility to slope failure document the sediment dynamics to quantitatively assess erosion zones leading to debris flow activity. The development of erosional landforms was evaluated by analyzing their geometry with the orientations of potential rock slope failure and with the direction of the maximum joint frequency. Structure in rock mass, but in particular wedge failure and the dominant discontinuities, appear as a first-order control of erosional mechanisms affecting bedrock- dominated catchment. They represent some weaknesses that are exploited primarily by mass wasting processes and erosion, promoting not only the initiation of rock couloirs and gullies, but also their propagation. Incorporating the geological control in geomorphic processes contributes to better understand the landscape evolution of active catchments. A sediment flux algorithm was implemented in a sediment cascade model that discretizes the torrent catchment in channel reaches and individual process-response systems. Each conceptual element includes in simple manner geomorphological and sediment flux information derived from GIS complemented with field mapping. This tool enables to simulate sediment transfers in channels considering evolving debris supply and conveyance, and helps reducing the uncertainty inherent to sediment budget prediction in torrent systems. Cette thèse est un recueil de projets d'études des processus de recharges sédimentaires des chenaux torrentiels. Ces travaux, réalisés lorsque j'étais employé à l'Université de Lausanne, se concentrent sur les implications géologiques et morphologiques des bassins dans l'apport de sédiments, élément fondamental dans la prédiction de laves torrentielles. D'autres aspects de dynamique sédimentaire ont été abordés, p. ex. le couplage torrent - bassin, ainsi qu'un modèle de simulation du transfert sédimentaire en milieu torrentiel. L'activité sédimentaire du Manival, un système torrentiel actif des Alpes françaises, a été étudiée par relevés au laser scanner terrestre et complétée par une étude géostructurale ainsi qu'un suivi du transfert en sédiments du torrent. Une année de flux sédimentaire a pu être observée, coïncidant avec deux laves torrentielles et plusieurs phénomènes de charriages. Cette étude a révélé que les laves s'étaient générées dans le torrent et étaient précédées par une recharge de débris depuis les versants. La production de débris s'est passée principalement en l'hiver - début du printemps, causée par de grandes ruptures de pentes. Le transfert était plus étrange, se produisant presque exclusivement au début du printemps subordonné aux conditions d'écoulement et en automne lors de longues pluies. Les orages d'été n'affectèrent guère les dépôts, qui semblent dépendre de leur stabilité. Les implications morpho-géologiques dans l'apport sédimentaire ont été évaluées à l'aide de MNT et études de terrain. Une classification de la topographie basée sur la pente a permis de charactériser le mode de production et transfert. Une analyse de stabilité de pente à partir des structures de roches a permis d'estimer la susceptibilité à la rupture. Les zones sources modélisées comprennent plus de 97% des chutes de blocs observées et les bilans sédimentaires sont corrélés à la densité de ruptures potentielles. Ce travail d'analyses des morphologies du terrain et de susceptibilité à la rupture documente la dynamique sédimentaire pour l'estimation quantitative des zones érosives induisant l'activité torrentielle. Le développement des formes d'érosion a été évalué par l'analyse de leur géométrie avec celle des ruptures potentielles et avec la direction de la fréquence maximale des joints. Les structures de roches, mais en particulier les dièdres et les discontinuités dominantes, semblent être très influents dans les mécanismes d'érosion affectant les bassins rocheux. Ils représentent des zones de faiblesse exploitées en priorité par les processus de démantèlement et d'érosion, encourageant l'initiation de ravines et couloirs, mais aussi leur propagation. L'incorporation du control géologique dans les processus de surface contribue à une meilleure compréhension de l'évolution topographique de bassins actifs. Un algorithme de flux sédimentaire a été implémenté dans un modèle en cascade, lequel divise le bassin en biefs et en systèmes individuels répondant aux processus. Chaque unité inclut de façon simple les informations géomorpologiques et celles du flux sédimentaire dérivées à partir de SIG et de cartographie de terrain. Cet outil permet la simulation des transferts de masse dans les chenaux, considérants la variabilité de l'apport et son transport, et aide à réduire l'incertitude liée à la prédiction de bilans sédimentaires torrentiels. Ce travail vise très humblement d'éclairer quelques aspects de la dynamique sédimentaire en milieu torrentiel.

Evaluation des pratiques d'irrigation, de fertilisation et d'application de pesticides dans l'agriculture périurbaine de Dakar, Sénégal

RESUMEL'agriculture urbaine et périurbalne - nommée ci-après AU - est un thème fort de recherche transversale, au vu des nombreux enjeux économiques, sociaux et environnementaux. L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle locale, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée sans porter atteinte à la santé et à l'environnement.Une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans ie sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.L'évaluation des impacts de l'irrigation avec des eaux usées brutes et des eaux de nappe saumâtres sur la qualité des sols (chapitre 2) a montré que l'alcalinité et les teneurs en calcium élevées des eaux saumâtres induisent la précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol. Na remplace consécutivement Ca sur le complexe argilo-humique du sol et les bicarbonates diminuent dans la solution du sol. Le carbone organique dissout (COD) augmente significativement dans la solution du sol et dans la nappe sous-jacente. Malgré l'alcalinité et les teneurs très élevées en calcium des eaux usées, il y a peu de précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol et une faible augmentation du sodium échangeable ESP. La nitrification de l'ammonium des eaux usées (moy 190mg/L à Pikine) produit des protons, qui ne sont plus tamponnés par les bicarbonates exportés hors du profil. Il y a alors une nette baisse de pH des sols irrigués par des eaux usées non traitées. Les sols irrigués par des eaux usées et saumâtres stockent moins de C et Ν que les sols de référence.L'évaluation de l'influence de l'occupation des sols en zone périurbaine sur à la nappe phréatique peu profonde (chapitre 3) a permis de déterminer les traceurs représentatifs de l'occupation du sol, à savoir Br/CI, NO3/CI et δ180-Ν03 pour l'irrigation par des eaux usées, pH et δ15Ν-Ν03 pour l'irrigation par des eaux de nappe, et Rb+Cr et Κ pour les lixiviats de fosses septiques. Ce chapitre a mis en évidence des points importants de la dynamique de l'azote en zone périurbaine sous deux occupations du sol : (1) la dénitrification est un processus important dans l'agrosystème périurbain de Dakar en bas de dune, dans les gleysols où l'on trouve des conditions temporairement réduites et un substrat organique favorables aux microorganismes de la dénitrification. Les teneurs en nitrates sont presque nulles avec irrigation d'eau de nappe. (2) en bas de pente, mais avec irrigation quotidienne par les eaux usées, l'apport continu d'ammonium inhibe probablement la dénitrification, mais favorise la volatilisation. (3) la nitrification de l'ammonium dans la nappe lors de la lixiviation des fosses septiques se distingue de la nitrification de l'ammonium dans la zone non saturée dans la zone d'agriculture périurbaine par la composition isotopique de l'oxygène de l'eau. Une comparaison des flux d'azote entre l'agrosystème et les quartiers périurbains de Dakar (chapitre 4) ont révélé que ces derniers étaient du même ordre de grandeur par unité de surface, à savoir 2-4 tonnes Ν /ha/an.L'évaluation des flux de pesticides dans l'agrosystème et des risques induits pour les eaux souterraines (chapitre 5) a révélé un fiux total de pesticides de 60kg/ha/an, totalisant 15 matières actives. Seules deux de ces matières actives sont autorisées par le comité des pesticides sahélien. Les pesticides les plus utilisés par les producteurs sont l'organochloré dicofol, les organophosphorés methamidophos, dimethoate et fenithrotion ainsi que le cabamate methomyl. Les flux les plus importants sont de 9 à 7 kg/ha/an (methomyl, methamidophos, ethoprophos et dicofol). Les pesticides qui présentent un risque élevé de contamination des eaux souterraines et qui devraient être prioritaires pour un suivi analytique sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, une meilleure gestion de la fertilisation est nécessaire dans la zone d'AU de Dakar, afin de (1) réduire les pertes gazeuses qui contribuent à l'effet de serre, (2) de ralentir la minéralisation du carbone et de l'azote organiques pour créer un stock de C et Ν dans ces sols, (3) de limiter le lessivage dans la nappe et enfin, 4) d'augmenter l'efficacité d'utilisation de Ν par les plantes. Une optimisation de l'irrigation devrait limiter l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et les mares permanentes.ABSTRACTUrban and periurban agriculture (UA) is an important issue in southern countries, because of its key role in their social and economical development and its environmental concern. The goal of this study was to contribute to a better understanding of pollutant transfer and nutrient cycling at the local scale, in order to implement the necessary improvements to guarantee the sustainability of this practice.An approach based on geochemical processes occurring in the vadose zone from the surface down to the groundwater level was chosen, at the scale of cultivated plots and at the regional scale of Dakar periurban areas, to determine the influence of land use.The assessment of irrigation with untreated domestic wastewater and brackish water on soil quality (chapter 2) showed: (1) that the high alkalinity and calcium contents of brackish water induce CaC03 precipitation in the top layer of the soil and therefore a replacement of Ca by Na on the clay- humic complexes, strongly marked during the dry season. Dissolved organic carbon (DOC) increased significantly in the soil solution and in the underlying groundwater. (2) in spite of the similarly high alkalinity and Ca contents of waste water, there is only little CaC03 precipitation and a low increase of the percentage of exchangeable sodium (ESP) in the soil top layer. The nitrification of the ammonium of wastewater (mean 190 mg/L in Pikine) produces protons, which are not any more buffered by bicarbonates exported out of the soil profile, which leads to a net decline of soil pH. Both soils irrigated with untreated wastewater and brackish water store less of C and Ν than soils irrigated with non saline groundwater.The assessment of the impact of land use on the shallow groundwater (chapter 3) allowed determining representative tracers of the land use. Low Br/CI ratio, high NO3/CI ratio and low δ1βΟ- nitrate indicated the influence of wastewater; high pH and high 515N-nitrates indicated the influence of brackish water together with high amendments of organic fertilizers; high Rb+Cr and Κ indicated the influence of poor sanitation facilities in periurban districts (septic tank leakage). This chapter also pointed out the following facts about the nitrogen dynamics : (1) denitrification is a key-process in the Dakar UA agrosystem in the gleysols irrigated with groundwater. The underlying groundwater is almost nitrate free. (2) in the Gleysols irrigated with waste water, ammonium inhibits denitrification but facilitate ammoniac volatilization. A comparison of nitrogen balance between the UA agrosystem and the periurban districts of Dakar (chapter 4) revealed similar flows per surface unit, namely 2-4 tons Ν / ha / year.The evaluation of pesticides use in the UA agrosystem and the risk assessment for the groundwater (chapter 5) revealed a total flow of pesticides of 60kg / ha / year, totalizing 15 active substances. Only two of these are authorized by the Sahelian Pesticides Committee. The most used pesticides are dicofol (organochlorinated), methamidophos, dimethoate and fenithrotion (organophosphate) as well as methomyl. (carbamate). The most important flows vary between 9 to 7 kg / ha / year. Pesticides with a high risk of groundwater contamination - according to SIRIS and EPRIP 2 indicators - are: carbofuran, dimethoate, ethoprophos and methomyl. These substances should be established as a priority for an analytical follow-up in the different environmental compartments.In conclusion, a better management of the fertilization is necessary in the Dakar UA, (1) to reduce the gaseous losses which contribute to greenhouse emissions (2) to slow down the mineralization of the organic carbon and the nitrogen, in order to enhance the C and Ν stock in these soils, (3) to limit the nitrate leaching in the groundwater and finally, 4) to increase the N-use efficiency of plants. An optimization of the irrigation scheme should limit the secondary sodisation if coupled with an increase the stable organic matter of the soil. An integrated or biologic crop pest strategy is urgently needed to minimize risks with respect to ground and surface water (ponds used for fishing).RESUME LARGE PUBLICL'agriculture mondiale connaît actuellement une crise majeure, affectée par les changements climatiques, la sécurité alimentaire et les dégradations de l'environnement. Elle n'a plus le rôle unique de produire, mais devient un élément essentiel de la protection des ressources naturelles et du paysage. Les politiques agricoles basées sur les marchés mondiaux devront se réorienter vers une agriculture locale basée sur le développement durable.La production alimentaire située dans l'enceinte des villes, nommée agriculture urbaine ou périurbaine (AU ci-après) joue un rôle important dans le contexte actuel d'accroissement de la population et de la pauvreté urbaines. L'AU concerne en effet la majorité des mégapoies du monde, fait vivre plus de 200 millions de personnes dans les pays du Sud, fournit jusqu'à 80% de la demande urbaine en certains produits frais, fait barrière à l'extension urbaine et permet un recyclage de certains déchets urbains. L'AU a pour particularité d'être à cheval entre des politiques rurales et urbaines, d'où un délaissement ce cette activité au secteur informel. Ce qui a développé de nombreuses stratégies à risques, comme à Dakar, où les petits producteurs périurbains irriguent quotidiennement avec des eaux usées domestiques par manque d'accès à une eau de bonne qualité et pour raccourcir les cycles de production. L'extrême précarité foncière des acteurs de l'AU de Dakar les empêchent d'investir à long terme et induit des pratiques inadéquates d'irrigation, d'usage de pesticides et de fertilisation de ces sols sableux.L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle des parcelles cultivées par des eaux usées et des eaux saumâtres, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée et surtout maintenue sans porter atteinte à la santé et à l'environnement. Pour cela, une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans le sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.Les résultats principaux de cette étude ont montré que (1) il y a un processus de salinisation anthropique des sols (sodisation) lors d'irrigation avec des eaux de nappe saumâtres, un processus accentué en saison sèche et lors d'années à pluviométrie déficitaire. Bien que les eaux usées soient aussi salines que les eaux de nappe, la salinisation des sols irrigués' par des eaux usées est limitée par l'ammonium présent dans les eaux usées (moy 190mg NH4/L à Pikine) qui produit de l'acidité lors de la transformation en nitrates dans le sol (nitrification). (2) les sols irrigués par des eaux usées (EU) stockent moins de C et Ν que les sois de référence, ce qui montrent bien que l'azote des eaux usées n'est pas disponible pour les plantes, mais est lessivé dans la nappe (100 à 450 mg/L N03 sous irrigation par EU, alors que la limite de OMS est de 50mg/L). (3) l'utilisation des isotopes stables des nitrates et des éléments traces, notamment le bore et le brome, ont permis de distinguer l'influence de l'irrigation par des eaux usées, de l'irrigation par des eaux de nappe et des lixiviats de fosses septiques sur les propriétés de la nappe. (4) Le processus de la dénitrification (atténuation naturelle des concentrations en nitrates de la nappe par biotransformation en azote gazeux) est important dans les zones basses de l'agrosystème périurbain de Dakar, sous irrigation par eaux naturelles (ΝΟ3 < 50mg/L). Tandis que sous habitat sans assainissement adéquat, les nitrates atteignent 300 à 700 mg/L. (5) Le flux total de pesticides dans l'AU est énorme (60kg/ha/an) totalisant 15 pesticides, dont deux seulement sont autorisés. Les pesticides les plus utilisés sont des insecticides organophosphorés et organochlorés classés extrêmement dangereux à dangereux par l'OMS, appliqués à des doses de 2 à 9 kg/ha/an. Les pesticides qui ont montré un risque élevé de contamination des eaux souterraines avec les indicateurs SIRIS et EPRIP2 sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, nous recommandons la reconstitution d'un horizon superficiel des sols riche en matière organique stable et structuré par production locale de compost. Cette mesure réduira les pertes gazeuses contribuant à l'effet de serre, augmentera le stock de Ν dans ces sols, alors utilisable par les plantes et permettra de diminuer l'irrigation car la capacité de rétention de l'eau dans le sol sera accru, ce qui limitera le lessivage des nitrates dans la nappe et l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et lesmares permanentes.

Spatial pattern and process at the plant neighbourhood scale: insights from communities dominated by the clonal grass Elymus repens (L.) Gould.

Question: How do clonal traits of a locally dominant grass (Elymus repens (L.) Gould.) respond to soil heterogeneity and shape spatial patterns of its tillers? How do tiller spatial patterns constrain seedling recruitment within the community?Locations: Artificial banks of the River Rhone, France.Material and Methods: We examined 45 vegetation patches dominated by Elymus repens. During a first phase we tested relationships between soil variables and three clonal traits (spacer length, number of clumping tillers and branching rate), and between the same clonal traits and spatial patterns (i.e. density and degree of spatial aggregation) of tillers at a very fine scale. During a second phase, we performed a sowing experiment to investigate effects of density and spatial patterns of E. repens on recruitment of eight species selected from the regional species pool.Results: Clonal traits had clear effects - especially spacer length - on densification and aggregation of E. repens tillers and, at the same time, a clear response of these same clonal traits as soil granulometry changed. The density and degree of aggregation of E. repens tillers was positively correlated to total seedling cover and diversity at the finest spatial scales.Conclusions: Spatial patterning of a dominant perennial grass responds to soil heterogeneity through modifications of its clonal morphology as a trade-off between phalanx and guerrilla forms. In turn, spatial patterns have strong effects on abundance and diversity of seedlings. Spatial patterns of tillers most probably led to formation of endogenous gaps in which the recruitment of new plant individuals was enhanced. Interestingly, we also observed more idiosyncratic effects of tiller spatial patterns on seedling cover and diversity when focusing on different growth forms of the sown species.

Controls on 13C and 14C variability in soil CO2

14C dating of groundwater depends on the isotopic composition of both the solid carbonate and the soil CO2 and requires the use of 14C age correction models. To better assess the variability of the 14C activity of soil CO2 (A14Csoil-CO2) and the δ13C of soil CO2 (δ13Csoil-CO2), which are two parameters used in 14C age correction models, we studied the different processes involving carbon isotopes in the soil. The approach used experimental data from two sites in France (Fontainebleau sands and Astian sands) and a steady-state transport model. In most cases, the 14C activity (A14C) of atmospheric CO2 is directly used in the 14C age correction models as the A14Csoil-CO2. However, we demonstrate that since 1950, the evolution of the A14Csoil-CO2 reflects the competition between the fluxes of root-derived CO2 and organic matter-derived CO2. Therefore, the A14Csoil-CO2 must be used to date groundwater that is younger than 60 years old. Moreover, the δ13C of soil CO2 (δ13Csoil-CO2) showed large seasonal variations that must be taken into account in selecting the δ13Csoil-CO2 for 14C age correction models.

Error models in hydrogeology applications

Notre consommation en eau souterraine, en particulier comme eau potable ou pour l'irrigation, a considérablement augmenté au cours des années. De nombreux problèmes font alors leur apparition, allant de la prospection de nouvelles ressources à la remédiation des aquifères pollués. Indépendamment du problème hydrogéologique considéré, le principal défi reste la caractérisation des propriétés du sous-sol. Une approche stochastique est alors nécessaire afin de représenter cette incertitude en considérant de multiples scénarios géologiques et en générant un grand nombre de réalisations géostatistiques. Nous rencontrons alors la principale limitation de ces approches qui est le coût de calcul dû à la simulation des processus d'écoulements complexes pour chacune de ces réalisations. Dans la première partie de la thèse, ce problème est investigué dans le contexte de propagation de l'incertitude, oú un ensemble de réalisations est identifié comme représentant les propriétés du sous-sol. Afin de propager cette incertitude à la quantité d'intérêt tout en limitant le coût de calcul, les méthodes actuelles font appel à des modèles d'écoulement approximés. Cela permet l'identification d'un sous-ensemble de réalisations représentant la variabilité de l'ensemble initial. Le modèle complexe d'écoulement est alors évalué uniquement pour ce sousensemble, et, sur la base de ces réponses complexes, l'inférence est faite. Notre objectif est d'améliorer la performance de cette approche en utilisant toute l'information à disposition. Pour cela, le sous-ensemble de réponses approximées et exactes est utilisé afin de construire un modèle d'erreur, qui sert ensuite à corriger le reste des réponses approximées et prédire la réponse du modèle complexe. Cette méthode permet de maximiser l'utilisation de l'information à disposition sans augmentation perceptible du temps de calcul. La propagation de l'incertitude est alors plus précise et plus robuste. La stratégie explorée dans le premier chapitre consiste à apprendre d'un sous-ensemble de réalisations la relation entre les modèles d'écoulement approximé et complexe. Dans la seconde partie de la thèse, cette méthodologie est formalisée mathématiquement en introduisant un modèle de régression entre les réponses fonctionnelles. Comme ce problème est mal posé, il est nécessaire d'en réduire la dimensionnalité. Dans cette optique, l'innovation du travail présenté provient de l'utilisation de l'analyse en composantes principales fonctionnelles (ACPF), qui non seulement effectue la réduction de dimensionnalités tout en maximisant l'information retenue, mais permet aussi de diagnostiquer la qualité du modèle d'erreur dans cet espace fonctionnel. La méthodologie proposée est appliquée à un problème de pollution par une phase liquide nonaqueuse et les résultats obtenus montrent que le modèle d'erreur permet une forte réduction du temps de calcul tout en estimant correctement l'incertitude. De plus, pour chaque réponse approximée, une prédiction de la réponse complexe est fournie par le modèle d'erreur. Le concept de modèle d'erreur fonctionnel est donc pertinent pour la propagation de l'incertitude, mais aussi pour les problèmes d'inférence bayésienne. Les méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) sont les algorithmes les plus communément utilisés afin de générer des réalisations géostatistiques en accord avec les observations. Cependant, ces méthodes souffrent d'un taux d'acceptation très bas pour les problèmes de grande dimensionnalité, résultant en un grand nombre de simulations d'écoulement gaspillées. Une approche en deux temps, le "MCMC en deux étapes", a été introduite afin d'éviter les simulations du modèle complexe inutiles par une évaluation préliminaire de la réalisation. Dans la troisième partie de la thèse, le modèle d'écoulement approximé couplé à un modèle d'erreur sert d'évaluation préliminaire pour le "MCMC en deux étapes". Nous démontrons une augmentation du taux d'acceptation par un facteur de 1.5 à 3 en comparaison avec une implémentation classique de MCMC. Une question reste sans réponse : comment choisir la taille de l'ensemble d'entrainement et comment identifier les réalisations permettant d'optimiser la construction du modèle d'erreur. Cela requiert une stratégie itérative afin que, à chaque nouvelle simulation d'écoulement, le modèle d'erreur soit amélioré en incorporant les nouvelles informations. Ceci est développé dans la quatrième partie de la thèse, oú cette méthodologie est appliquée à un problème d'intrusion saline dans un aquifère côtier. -- Our consumption of groundwater, in particular as drinking water and for irrigation, has considerably increased over the years and groundwater is becoming an increasingly scarce and endangered resource. Nofadays, we are facing many problems ranging from water prospection to sustainable management and remediation of polluted aquifers. Independently of the hydrogeological problem, the main challenge remains dealing with the incomplete knofledge of the underground properties. Stochastic approaches have been developed to represent this uncertainty by considering multiple geological scenarios and generating a large number of realizations. The main limitation of this approach is the computational cost associated with performing complex of simulations in each realization. In the first part of the thesis, we explore this issue in the context of uncertainty propagation, where an ensemble of geostatistical realizations is identified as representative of the subsurface uncertainty. To propagate this lack of knofledge to the quantity of interest (e.g., the concentration of pollutant in extracted water), it is necessary to evaluate the of response of each realization. Due to computational constraints, state-of-the-art methods make use of approximate of simulation, to identify a subset of realizations that represents the variability of the ensemble. The complex and computationally heavy of model is then run for this subset based on which inference is made. Our objective is to increase the performance of this approach by using all of the available information and not solely the subset of exact responses. Two error models are proposed to correct the approximate responses follofing a machine learning approach. For the subset identified by a classical approach (here the distance kernel method) both the approximate and the exact responses are knofn. This information is used to construct an error model and correct the ensemble of approximate responses to predict the "expected" responses of the exact model. The proposed methodology makes use of all the available information without perceptible additional computational costs and leads to an increase in accuracy and robustness of the uncertainty propagation. The strategy explored in the first chapter consists in learning from a subset of realizations the relationship between proxy and exact curves. In the second part of this thesis, the strategy is formalized in a rigorous mathematical framework by defining a regression model between functions. As this problem is ill-posed, it is necessary to reduce its dimensionality. The novelty of the work comes from the use of functional principal component analysis (FPCA), which not only performs the dimensionality reduction while maximizing the retained information, but also allofs a diagnostic of the quality of the error model in the functional space. The proposed methodology is applied to a pollution problem by a non-aqueous phase-liquid. The error model allofs a strong reduction of the computational cost while providing a good estimate of the uncertainty. The individual correction of the proxy response by the error model leads to an excellent prediction of the exact response, opening the door to many applications. The concept of functional error model is useful not only in the context of uncertainty propagation, but also, and maybe even more so, to perform Bayesian inference. Monte Carlo Markov Chain (MCMC) algorithms are the most common choice to ensure that the generated realizations are sampled in accordance with the observations. Hofever, this approach suffers from lof acceptance rate in high dimensional problems, resulting in a large number of wasted of simulations. This led to the introduction of two-stage MCMC, where the computational cost is decreased by avoiding unnecessary simulation of the exact of thanks to a preliminary evaluation of the proposal. In the third part of the thesis, a proxy is coupled to an error model to provide an approximate response for the two-stage MCMC set-up. We demonstrate an increase in acceptance rate by a factor three with respect to one-stage MCMC results. An open question remains: hof do we choose the size of the learning set and identify the realizations to optimize the construction of the error model. This requires devising an iterative strategy to construct the error model, such that, as new of simulations are performed, the error model is iteratively improved by incorporating the new information. This is discussed in the fourth part of the thesis, in which we apply this methodology to a problem of saline intrusion in a coastal aquifer.

Intracellular ATP Decrease Mediates NLRP3 Inflammasome Activation upon Nigericin and Crystal Stimulation.

Activation of the nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family, pyrin domain-containing 3 (NLRP3) inflammasome initiates an inflammatory response, which is associated with host defense against pathogens and the progression of chronic inflammatory diseases such as gout and atherosclerosis. The NLRP3 inflammasome mediates caspase-1 activation and subsequent IL-1β processing in response to various stimuli, including extracellular ATP, although the roles of intracellular ATP (iATP) in NLRP3 activation remain unclear. In this study, we found that in activated macrophages artificial reduction of iATP by 2-deoxyglucose, a glycolysis inhibitor, caused mitochondrial membrane depolarization, leading to IL-1β secretion via NLRP3 and caspase-1 activation. Additionally, the NLRP3 activators nigericin and monosodium urate crystals lowered iATP through K(+)- and Ca(2+)-mediated mitochondrial dysfunction, suggesting a feedback loop between iATP loss and lowering of mitochondrial membrane potential. These results demonstrate the fundamental roles of iATP in the maintenance of mitochondrial function and regulation of IL-1β secretion, and they suggest that maintenance of the intracellular ATP pools could be a strategy for countering NLRP3-mediated inflammation.

Open to closed system transition traced through the TDIC isotopic signature at the aquifer recharge stage, implications for groundwater 14C dating

14C dating models are limited when considering recent groundwater for which the carbon isotopic signature of the total dissolved inorganic carbon (TDIC) is mainly acquired in the unsaturated zone. Reducing the uncertainties of dating thus implies a better identification of the processes controlling the carbon isotopic composition of the TDIC during groundwater recharge. Geochemical interactions between gas, water and carbonates in the unsaturated zone were investigated for two aquifers (the carbonate-free Fontainebleau sands and carbonate-bearing Astian sands, France) in order to identify the respective roles of CO2 and carbonates on the carbon isotopic signatures of the TDIC; this analysis is usually approached using open or closed system terms. Under fully open system conditions, the seasonality of the 13C values in the soil CO2 can lead to important uncertainties regarding the so-called "initial 14C activity" used in 14C correction models. In a carbonate-bearing unsaturated zone such as in the Astian aquifer, we show that an approach based on fully open or closed system conditions is not appropriate. Although the chemical saturation between water and calcite occurs rapidly within the first metre of the unsaturated zone, the carbon isotopic contents (δ13C) of the CO2 and the TDIC evolve downward, impacted by the dissolution-precipitation of the carbonates. In this study, we propose a numerical approach to describe this evolution. The δ13C and the A 14C (radiocarbon activity) of the TDIC at the base of the carbonate-hearing unsaturated zone depends on (i) the δ13C and the A 14C of the TDIC in the soil determined by the soil CO2, (ii) the water's residence time in the unsaturated zone and (iii) the carbonate precipitation-dissolution fluxes. In this type of situation, the carbonate δ13C-A 14C evolutions indicate the presence of secondary calcite and permit the calculation of its accretion flux, equal to ~ 4.5 ± 0.5 x 10-9 mol grock-1 yr-1. More generally, for other sites under temperate climate and with similar properties to the Astian sands site, this approach allows for a reliable determination of the carbon isotopic composition at the base of the unsaturated zone as the indispensable "input function" data of the carbon cycle into the aquifer.

Reconstruction Of Past Climate Conditions Over Central Europe From Groundwater Data

Here we present a 30 000 years low-resolution climate record reconstructed from groundwater data. The investigated site is located in the Bohemian Cretaceous Basin, in the corridor between the Scandinavian ice sheet and the Alpine ice field. Noble gas temperatures (NGT), obtained from groundwater data, preserved multicentennial temperature variability and indicated a cooling of at least 5-7 °C during the last glacial maximum (LGM). This is further confirmed by the depleted δ18O and δ2H values at the LGM. High excess air (ΔNe) at the end of the Pleistocene is possibly related to abrupt changes in recharge dynamics due to progression and retreat of ice covers and permafrost. These results agree with the fact that during the LGM permafrost and small glaciers developed in the inner valleys of the Giant Mountains (located in the watershed of the aquifers). A temporal decrease of deuterium excess from the pre-industrial Holocene to present days is linked to an increase of the air temperatures, and probably also to an increase of water pressure at the source region of precipitation over the past few hundred years