Contribution à la cartographie géomorphologique de la dynamique sédimentaire des petits bassins versants torrentiels

Les laves torrentielles sont l'un des vecteurs majeurs de sédiments en milieu montagneux. Leur comportement hydrogéomorphologique est contrôlé par des facteurs géologique, géomorphologique, topographique, hydrologique, climatique et anthropique. Si, en Europe, la recherche s'est plus focalisée sur les aspects hydrologiques que géomorphologiques de ces phénomènes, l'identification des volumes de sédiments potentiellement mobilisables au sein de petits systèmes torrentiels et des processus responsables de leur transfert est d'une importance très grande en termes d'aménagement du territoire et de gestion des dangers naturels. De plus, une corrélation entre des événements pluviométriques et l'occurrence de laves torrentielles n'est pas toujours établie et de nombreux événements torrentiels semblent se déclencher lorsqu'un seuil géomorphologique intrinsèque (degré de remplissage du chenal) au cours d'eau est atteint.Une méthodologie pragmatique a été développée pour cartographier les stocks sédimentaires constituant une source de matériaux pour les laves torrentielles, comme outil préliminaire à la quantification des volumes transportés par ces phénomènes. La méthode s'appuie sur des données dérivées directement d'analyses en environnement SIG réalisées sur des modèles numériques d'altitude de haute précision, de mesures de terrain et d'interprétation de photographies aériennes. La méthode a été conçue pour évaluer la dynamique des transferts sédimentaires, en prenant en compte le rôle des différents réservoirs sédimentaires, par l'application du concept de cascade sédimentaire sous un angle cartographique.Les processus de transferts sédimentaires ont été étudiés dans deux bassins versants des Alpes suisses (torrent du Bruchi, à Blatten beiNaters et torrent du Meretschibach, à Agarn). La cartographie géomorphologique a été couplée avec des mesures complémentaires permettant d'estimer les flux sédimentaires et les taux d'érosion (traçages de peinture, piquets de dénudation et utilisation du LiDAR terrestre). La méthode proposée se révèle innovatrice en comparaison avec la plupart des systèmes de légendes géomorphologiques existants, qui ne sont souvent pas adaptés pour cartographier de manière satisfaisante les systèmes géomorphologiques complexes et actifs que sont les bassins torrentiels. L'intérêt de cette méthode est qu'elle permet l'établissement d'une cascade sédimentaire, mais uniquement pour des systèmes où l'occurrence d'une lave torrentielle est contrôlé par le degré de remplissage en matériaux du chenal. Par ailleurs, le produit cartographique ne peut être directement utilisé pour la création de cartes de dangers - axées sur les zones de dépôt - mais revêt un intérêt pour la mise en place de mesures de correction et pour l'installation de systèmes de monitoring ou d'alerte.La deuxième partie de ce travail de recherche est consacrée à la cartographie géomorphologique. Une analyse a porté sur un échantillon de 146 cartes ou systèmes de légende datant des années 1950 à 2009 et réalisés dans plus de 40 pays. Cette analyse a permis de mettre en évidence la diversité des applications et des techniques d'élaboration des cartes géomorphologiques. - Debris flows are one of the most important vectors of sediment transfer in mountainous areas. Their hydro-geomorphological behaviour is conditioned by geological, geomorphological, topographical, hydrological, climatic and anthropic factors. European research in torrential systems has focused more on hydrological processes than on geomorphological processes acting as debris flow triggers. Nevertheless, the identification of sediment volumes that have the potential to be mobilised in small torrential systems, as well as the recognition of processes responsible for their mobilisation and transfer within the torrential system, are important in terms of land-use planning and natural hazard management. Moreover, a correlation between rainfall and debris flow occurrence is not always established and a number of debris flows seems to occur when a poorly understood geomorphological threshold is reached.A pragmatic methodology has been developed for mapping sediment storages that may constitute source zone of bed load transport and debris flows as a preliminary tool before quantifying their volumes. It is based on data directly derived from GIS analysis using high resolution DEM's, field measurements and aerial photograph interpretations. It has been conceived to estimate sediment transfer dynamics, taking into account the role of different sediment stores in the torrential system applying the concept of "sediment cascade" in a cartographic point of view.Sediment transfer processes were investigated in two small catchments in the Swiss Alps (Bruchi torrent, Blatten bei Naters and Meretschibach torrent, Agarn). Thorough field geomorphological mapping coupled with complementary measurements were conducted to estimate sediment fluxes and denudation rates, using various methods (reference coloured lines, wooden markers and terrestrial LiDAR). The proposed geomorphological mapping methodology is quite innovative in comparison with most legend systems that are not adequate for mapping active and complex geomorphological systems such as debris flow catchments. The interest of this mapping method is that it allows the concept of sediment cascade to be spatially implemented but only for supply-limited systems. The map cannot be used directly for the creation of hazard maps, focused on the deposition areas, but for the design of correction measures and the implementation of monitoring and warning systems.The second part of this work focuses on geomorphological mapping. An analysis of a sample of 146 (extracts of) maps or legend systems dating from the middle of the 20th century to 2009 - realised in more than 40 different countries - was carried out. Even if this study is not exhaustive, it shows a clear renewed interest for the discipline worldwide. It highlights the diversity of applications, techniques (scale, colours and symbology) used for their conception.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Analysis of the alternative pathways for the beta-oxidation of unsaturated fatty acids using transgenic plants synthesizing polyhydroxyalkanoates in peroxisomes.

Degradation of fatty acids having cis-double bonds on even-numbered carbons requires the presence of auxiliary enzymes in addition to the enzymes of the core beta-oxidation cycle. Two alternative pathways have been described to degrade these fatty acids. One pathway involves the participation of the enzymes 2, 4-dienoyl-coenzyme A (CoA) reductase and Delta(3)-Delta(2)-enoyl-CoA isomerase, whereas the second involves the epimerization of R-3-hydroxyacyl-CoA via a 3-hydroxyacyl-CoA epimerase or the action of two stereo-specific enoyl-CoA hydratases. Although degradation of these fatty acids in bacteria and mammalian peroxisomes was shown to involve mainly the reductase-isomerase pathway, previous analysis of the relative activity of the enoyl-CoA hydratase II (also called R-3-hydroxyacyl-CoA hydro-lyase) and 2,4-dienoyl-CoA reductase in plants indicated that degradation occurred mainly through the epimerase pathway. We have examined the implication of both pathways in transgenic Arabidopsis expressing the polyhydroxyalkanoate synthase from Pseudomonas aeruginosa in peroxisomes and producing polyhydroxyalkanoate from the 3-hydroxyacyl-CoA intermediates of the beta-oxidation cycle. Analysis of the polyhydroxyalkanoate synthesized in plants grown in media containing cis-10-heptadecenoic or cis-10-pentadecenoic acids revealed a significant contribution of both the reductase-isomerase and epimerase pathways to the degradation of these fatty acids.

L'exploitation de l'eau dans le département de Gaya : des projets à contresens des besoins des populations

L'objectif initial du programme dans lequel ont été réalisées les études était d'analyser les conflits d'utilisation de l'eau. Il est apparu que le principal problème en termes d'aménagements hydrauliques pour l'approvisionnement en eau potable et l'irrigation est l'inadaptation des projets aux caractéristiques hydrologiques de la région et aux besoins des populations. La fourniture d'eau potable est un enjeu majeur, les programmes d'aménagement de puits ont privilégié un objectif d'accès à l'eau par la construction de puits cimentés n'offrant aucune amélioration, comparativement aux puits traditionnels, en matière de qualité de l'eau. L'eau des puits modernes est en effet hautement contaminée du fait de la contamination généralisée des nappes. Les investissements en matière d'approvisionnement en eau domestique ont été insuffisants par rapport aux besoins. Les investissements sont par contre hors de proportion pour ce qui concerne le développement de l'irrigation. Les agriculteurs ayant développé l'irrigation sans l'appui d'un projet ont opté pour une stratégie d'investissement à bas coût. L'investissement est de quelques centaines de millier de FCFA par hectare alors qu'il se chiffre en dizaines de million pour l'aménagement des périmètres hydro agricoles et à plus d'un million dans le cas du programme d'appui à la petite irrigation privée. De plus, les conditions d'attribution d'une aide financière dans le cadre de ce programme excluent la grande majorité des agriculteurs.

L'analyse économique face à l'épuisement des ressources naturelles, de William Stanley Jevons à Harold Hotelling (1865-1931) : le cas de énergies fossiles

L'épuisement des énergies fossiles est un thème d'actualité dont les prémices datent, selon l'opinion courante, des années 1970 et du premier choc pétrolier. En réalité, c'est une préoccupation plus ancienne, intimement liée à l'ère industrielle. Dans la deuxième partie du XIXème siècle, les économistes se sont penchés sur la question de l'épuisement des minerais, 'objet non identifié' jusqu'alors et nécessitant la mise sur pied de nouveaux outils d'analyse (effet-rebond chez Jevons, rente minière chez Marshall-Einaudi notamment). Avec le progrès des techniques et l'apparition de nouvelles énergies (pétrole, hydro-électricité), leurs craintes de déclin industriel se sont progressivement dissipées dans les années 1910 et 1920. Mais ces évolutions tenant à l'histoire des faits ne sont pas les seules à considérer. Des facteurs internes à la discipline économique, comme l'émergence du marginalisme dans les années 1870 et de la théorie de l'épargne et du capital dans les années 1890, ont aussi changé le regard des économistes sur la question de l'épuisement des ressources. Pourquoi ? Comment ? Quels enseignements peut-on en tirer pour les défis environnementaux d'aujourd'hui ? Voilà les questions qui sont traitées dans ce travail de thèse.

Molecular bases of circadian rhythmicity in renal physiology and pathology.

The physiological processes that maintain body homeostasis oscillate during the day. Diurnal changes characterize kidney functions, comprising regulation of hydro-electrolytic and acid-base balance, reabsorption of small solutes and hormone production. Renal physiology is characterized by 24-h periodicity and contributes to circadian variability of blood pressure levels, related as well to nychthemeral changes of sodium sensitivity, physical activity, vascular tone, autonomic function and neurotransmitter release from sympathetic innervations. The circadian rhythmicity of body physiology is driven by central and peripheral biological clockworks and entrained by the geophysical light/dark cycle. Chronodisruption, defined as the mismatch between environmental-social cues and physiological-behavioral patterns, causes internal desynchronization of periodic functions, leading to pathophysiological mechanisms underlying degenerative, immune related, metabolic and neoplastic diseases. In this review we will address the genetic, molecular and anatomical elements that hardwire circadian rhythmicity in renal physiology and subtend disarray of time-dependent changes in renal pathology.

Machine learning for geospatial data : algorithms, software tools and case studies

Résumé Cette thèse est consacrée à l'analyse, la modélisation et la visualisation de données environnementales à référence spatiale à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique (Machine Learning). L'apprentissage automatique peut être considéré au sens large comme une sous-catégorie de l'intelligence artificielle qui concerne particulièrement le développement de techniques et d'algorithmes permettant à une machine d'apprendre à partir de données. Dans cette thèse, les algorithmes d'apprentissage automatique sont adaptés pour être appliqués à des données environnementales et à la prédiction spatiale. Pourquoi l'apprentissage automatique ? Parce que la majorité des algorithmes d'apprentissage automatiques sont universels, adaptatifs, non-linéaires, robustes et efficaces pour la modélisation. Ils peuvent résoudre des problèmes de classification, de régression et de modélisation de densité de probabilités dans des espaces à haute dimension, composés de variables informatives spatialisées (« géo-features ») en plus des coordonnées géographiques. De plus, ils sont idéaux pour être implémentés en tant qu'outils d'aide à la décision pour des questions environnementales allant de la reconnaissance de pattern à la modélisation et la prédiction en passant par la cartographie automatique. Leur efficacité est comparable au modèles géostatistiques dans l'espace des coordonnées géographiques, mais ils sont indispensables pour des données à hautes dimensions incluant des géo-features. Les algorithmes d'apprentissage automatique les plus importants et les plus populaires sont présentés théoriquement et implémentés sous forme de logiciels pour les sciences environnementales. Les principaux algorithmes décrits sont le Perceptron multicouches (MultiLayer Perceptron, MLP) - l'algorithme le plus connu dans l'intelligence artificielle, le réseau de neurones de régression généralisée (General Regression Neural Networks, GRNN), le réseau de neurones probabiliste (Probabilistic Neural Networks, PNN), les cartes auto-organisées (SelfOrganized Maps, SOM), les modèles à mixture Gaussiennes (Gaussian Mixture Models, GMM), les réseaux à fonctions de base radiales (Radial Basis Functions Networks, RBF) et les réseaux à mixture de densité (Mixture Density Networks, MDN). Cette gamme d'algorithmes permet de couvrir des tâches variées telle que la classification, la régression ou l'estimation de densité de probabilité. L'analyse exploratoire des données (Exploratory Data Analysis, EDA) est le premier pas de toute analyse de données. Dans cette thèse les concepts d'analyse exploratoire de données spatiales (Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA) sont traités selon l'approche traditionnelle de la géostatistique avec la variographie expérimentale et selon les principes de l'apprentissage automatique. La variographie expérimentale, qui étudie les relations entre pairs de points, est un outil de base pour l'analyse géostatistique de corrélations spatiales anisotropiques qui permet de détecter la présence de patterns spatiaux descriptible par une statistique. L'approche de l'apprentissage automatique pour l'ESDA est présentée à travers l'application de la méthode des k plus proches voisins qui est très simple et possède d'excellentes qualités d'interprétation et de visualisation. Une part importante de la thèse traite de sujets d'actualité comme la cartographie automatique de données spatiales. Le réseau de neurones de régression généralisée est proposé pour résoudre cette tâche efficacement. Les performances du GRNN sont démontrées par des données de Comparaison d'Interpolation Spatiale (SIC) de 2004 pour lesquelles le GRNN bat significativement toutes les autres méthodes, particulièrement lors de situations d'urgence. La thèse est composée de quatre chapitres : théorie, applications, outils logiciels et des exemples guidés. Une partie importante du travail consiste en une collection de logiciels : Machine Learning Office. Cette collection de logiciels a été développée durant les 15 dernières années et a été utilisée pour l'enseignement de nombreux cours, dont des workshops internationaux en Chine, France, Italie, Irlande et Suisse ainsi que dans des projets de recherche fondamentaux et appliqués. Les cas d'études considérés couvrent un vaste spectre de problèmes géoenvironnementaux réels à basse et haute dimensionnalité, tels que la pollution de l'air, du sol et de l'eau par des produits radioactifs et des métaux lourds, la classification de types de sols et d'unités hydrogéologiques, la cartographie des incertitudes pour l'aide à la décision et l'estimation de risques naturels (glissements de terrain, avalanches). Des outils complémentaires pour l'analyse exploratoire des données et la visualisation ont également été développés en prenant soin de créer une interface conviviale et facile à l'utilisation. Machine Learning for geospatial data: algorithms, software tools and case studies Abstract The thesis is devoted to the analysis, modeling and visualisation of spatial environmental data using machine learning algorithms. In a broad sense machine learning can be considered as a subfield of artificial intelligence. It mainly concerns with the development of techniques and algorithms that allow computers to learn from data. In this thesis machine learning algorithms are adapted to learn from spatial environmental data and to make spatial predictions. Why machine learning? In few words most of machine learning algorithms are universal, adaptive, nonlinear, robust and efficient modeling tools. They can find solutions for the classification, regression, and probability density modeling problems in high-dimensional geo-feature spaces, composed of geographical space and additional relevant spatially referenced features. They are well-suited to be implemented as predictive engines in decision support systems, for the purposes of environmental data mining including pattern recognition, modeling and predictions as well as automatic data mapping. They have competitive efficiency to the geostatistical models in low dimensional geographical spaces but are indispensable in high-dimensional geo-feature spaces. The most important and popular machine learning algorithms and models interesting for geo- and environmental sciences are presented in details: from theoretical description of the concepts to the software implementation. The main algorithms and models considered are the following: multi-layer perceptron (a workhorse of machine learning), general regression neural networks, probabilistic neural networks, self-organising (Kohonen) maps, Gaussian mixture models, radial basis functions networks, mixture density networks. This set of models covers machine learning tasks such as classification, regression, and density estimation. Exploratory data analysis (EDA) is initial and very important part of data analysis. In this thesis the concepts of exploratory spatial data analysis (ESDA) is considered using both traditional geostatistical approach such as_experimental variography and machine learning. Experimental variography is a basic tool for geostatistical analysis of anisotropic spatial correlations which helps to understand the presence of spatial patterns, at least described by two-point statistics. A machine learning approach for ESDA is presented by applying the k-nearest neighbors (k-NN) method which is simple and has very good interpretation and visualization properties. Important part of the thesis deals with a hot topic of nowadays, namely, an automatic mapping of geospatial data. General regression neural networks (GRNN) is proposed as efficient model to solve this task. Performance of the GRNN model is demonstrated on Spatial Interpolation Comparison (SIC) 2004 data where GRNN model significantly outperformed all other approaches, especially in case of emergency conditions. The thesis consists of four chapters and has the following structure: theory, applications, software tools, and how-to-do-it examples. An important part of the work is a collection of software tools - Machine Learning Office. Machine Learning Office tools were developed during last 15 years and was used both for many teaching courses, including international workshops in China, France, Italy, Ireland, Switzerland and for realizing fundamental and applied research projects. Case studies considered cover wide spectrum of the real-life low and high-dimensional geo- and environmental problems, such as air, soil and water pollution by radionuclides and heavy metals, soil types and hydro-geological units classification, decision-oriented mapping with uncertainties, natural hazards (landslides, avalanches) assessments and susceptibility mapping. Complementary tools useful for the exploratory data analysis and visualisation were developed as well. The software is user friendly and easy to use.

Glucocorticoids exert direct toxicity on microvasculature: analysis of cell death mechanisms.

Glucocorticoids (GCs) are routinely administered systemically or injected into the eye when treating numerous ocular diseases; however, their toxicity on the retinal microvasculature has not been previously investigated. In this article, the effects of hydrocortisone (Hydro), dexamethasone, dexamethasone-phosphate and triamcinolone acetonide (TA) were evaluated in vitro on human skin microcirculation cells and, bovine endothelial retinal cells, ex-vivo, on flat mounted rat retinas. The degree of GCs induced endothelial cell death varied according to the endothelial cell type and GCs chemical properties. GCs toxicity was higher in skin microvascular endothelial cells and for hydrophobic GC formulations. The mechanism of cell death differed between GCs, Hydro and TA activated the leukocyte elastase inhibitor/L-DNase II pathways but did not activate caspases. The mechanisms of cell death observed in cell cultures were similar to those observed in rat retinal explants. Taken together these results indicate that particular attention should be paid to the potential vascular side effects when administrating GCs clinically and in particular when developing sustained-release intraocular devices.

Studien zu einer Poetik des Engels

In dieser Thèse "Studien zu einer Poetik des Engels" wird anhand verschiedener Texte aus verschiedenen Epochen, jedoch mit Akzent auf der zweiten Hàlfte des 20. Jahrhunderts, dem Erscheinen von Engeln in literarischen Texten nachgegangen, mit besonderem Augenmerk auf der poetologischen Dimension, die mit der Darstellung von Engelfiguren zusammenhàngt, und mit besonderer Beriicksichtigung der Konsequenzen fur die Texte, in denen sie erscheinen.¦Literarische Texte bieten nàmlich einen geeigneten Immanenzort fur diese Art Epi-phanie an, eine Erscheinungsmoglichkeit fur Engel. Die Art und Weise, wie Dichterinnen und Dichter sie in ihren Texten erscheinen lassen, steht im Zentrum des Interesses dieser Studien. Wie verkorpern sich Engel in diesen Texten? Wie sprechen sie und wie kann mit ihnen und von ihnen gesprochen werden? Welche poetischen Funktionen ubernehmen diese Figuren, von denen die Dichter sprechen und die sie sprechen lassen? Welche poetischen Dynamiken entstehen in diesen Texten durch die Engelserscheinungen?¦Der Engel, der traditionell als Bote (gr. angelos), als Vermittler oder Obermittler gilt, hat im Medium Literatur (oder Text) selbst auch eine mediale Funktion inne, sodass Engel und Literatur einander widerspiegeln und Engeltexte zu Orten werden, an denen eine sprachliche und poetologische Auseinandersetzung stattfinden kann, die sowohl der Lite¬ratur (und auch etwa dem Erzàhler) als auch dem Engel inhàrent ist und es mit dem Ver- mittlungs(un)vermogen zu tun hat.¦In diesen Studien geht es darum, die produktive und dynamische Leistung des Engels (oder der Engel) im Schreib- und im Leseprozess zu erfahren und nachzuzeichnen. Durch ihre Pràsenz im Text bringen Engel einen Perspektivenwechsel ins Spiel, der die Auseinandersetzung mit dem Text pràgt und den Text selbst beeinflusst, sodass die Engel diese Texte zur Schreib- und Leseerfahrung werden lassen.¦Engelsdichtungen erweisen sich als durch und durch relational, sie involvieren den Dichter sowie auch den Leser, der ihnen - lesend - begegnet, und beeinflussen den ganzen Text und seine Dynamik, da diese Figuren unmoglich von ihm abstrahiert werden konnen. Engel erweisen sich auch als àusserst subversiv, wenn sie dem nicht entsprechen, was man von ihnen erwartet, wenn sie sich den geltenden (sozialen, politischen, aber auch - im Medium Literatur - sprachlichen oder dichterischen) Regeln widersetzen.¦In einem einleitenden Kapitel wird die Fragestellung skizziert und anhand vieler Textbeispiele verfeinert, sowie auch die Methode veranschaulicht. Darin werden Texte von Wallace Stevens (The Necessary Angel), Jean Paul (Der Tod eines Engels), Wim Wenders und Peter Handke (Himmel über Berlin) betrachtet, sowie auch etwa von Goethe, Morike, Andersen, Tolstoi (Der Engel Gottes oder Wovon die Menschen leben), Pseudo- Strieker (Der König im Bade), Baudelaire.¦Die weiteren Kapitel sind als Fallstudien zu verstehen und setzen sich mit einzelnen Texten auseinander, die von verschiedenen Autoren und zu verschiedenen Zeiten geschrieben wurden und sich von der Gattung und der Lange her stark unterscheiden:¦- "Zwischen Lichterscheinung und Holzfigur": Zu einem Tagebucheintrag von Franz Kafka (25. Juni 1914).¦- "Schweigende Boten": Zu Heinrich Bolls Roman Der Engel schwieg [1949-1951 niedergeschrieben, erst 1992 posthum erschienen).¦- "Ein subversiver Engel - wider Willen": Zu Fridrich Dürrenmatts Komödie Ein Engel kommt nach Babylon (1. Fassung 1954, 2. Fassung 1957, Neufassung 1980).¦- Zu drei Engel-Texten von Ilse Aichinger:¦- "Ein errungenes Weihnachten - im Spiel": Zum Romankapitel Das grosse Spiel (6. Kapitel aus dem Roman Die grössere Hoffnung, 1948),¦- "»Habt ihr den Engel gesehen?« - Wenn sich mit den Engeln auf einmal jeder Sinn entzieht": Zur Erzählung Engel in der Nacht (1949; aus dem Band Der Gefesselte),¦- "Ober Verwirrung hinweg - Zur subversiven Poetik eines Engels": Zur Erzâhlung Der Engel (1963; aus dem Band Eliza Eliza).¦Im Schlusskapitel, in dem vergleichende Beobachtungen zu diesen Texten und ihren Analysen, Hervorhebungen der Gemeinsamkeiten und entscheidende poetische Merkmale dieser Texte erwähnt werden, wird nicht das Ziel angestrebt, eine Synthese aus dieser Vielfältigkeit zu machen, die in den verschiedenen Kapiteln zum Vorschein kommt. Vielmehr wird gezeigt, wie fruchtbar die Auseinandersetzung mit Engeln in diesen Texten ist und wie diese Texte sich von ihrem 'Gegenstand' berühren lassen, je auf unterschiedliche Weise.

The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.

Dynamic drag modeling of submerged aquatic vegetation canopy flows

Vegetation has a profound effect on flow and sediment transport processes in natural rivers, by increasing both skin friction and form drag. The increase in drag introduces a drag discontinuity between the in-canopy flow and the flow above, which leads to the development of an inflection point in the velocity profile, resembling a free shear layer. Therefore, drag acts as the primary driver for the entire canopy system. Most current numerical hydraulic models which incorporate vegetation rely either on simple, static plant forms, or canopy-scaled drag terms. However, it is suggested that these are insufficient as vegetation canopies represent complex, dynamic, porous blockages within the flow, which are subject to spatially and temporally dynamic drag forces. Here we present a dynamic drag methodology within a CFD framework. Preliminary results for a benchmark cylinder case highlight the accuracy of the method, and suggest its applicability to more complex cases.

Extending the canopy flow model for natural, highly flexible macrophyte canopies

Flow structures above vegetation canopies have received much attention within terrestrial and aquatic literature. This research has led to a good process understanding of mean and turbulent canopy flow structure. However, much of this research has focused on rigid or semi-rigid vegetation with relatively simple morphology. Aquatic macrophytes differ from this form, exhibiting more complex morphologies, predominantly horizontal posture in the flow and a different force balance. While some recent studies have investigated such canopies, there is still the need to examine the relevance and applicability of general canopy layer theory to these types of vegetation. Here, we report on a range of numerical experiments, using both semi-rigid and highly flexible canopies. The results for the semi-rigid canopies support existing canopy layer theory. However, for the highly flexible vegetation, the flow pattern is much more complex and suggests that a new canopy model may be required.

Climate and human forcing of Alpine river flow

River flow in Alpine environments is likely to be highly sensitive to climate change because of the effects of warming upon snow and ice, and hence the intra-annual distribution of river runoff. It is also likely to be influenced strongly by human impacts both upon hydrology (e.g. flow abstraction) and river regulation. This paper compares the river flow and sediment flux of two Alpine drainage basins over the last 5 to 7 decades, one that is largely unimpacted by human activities, one strongly impacted by flow abstraction for hydroelectricity. The analysis shows that both river flow and sediment transport capacity are strongly dependent upon the effects of temperature and precipitation availability upon snow accumulation. As the latter tends to increase annual maximum flows, and given the non-linear form of most sediment transport laws, current warming trends may lead to increased sedimentation in Alpine rivers. However, extension to a system impacted upon by flow abstraction reveals the dominant effect that human activity can have upon river sedimentation but also how human response to sediment management has co-evolved with climate forcing to make disentangling the two very difficult.

Generation and interconnection capacity expansion in cross-border electricity markets : the need for policy coordination

Electricity is a strategic service in modern societies. Thus, it is extremely important for governments to be able to guarantee an affordable and reliable supply, which depends to a great extent on an adequate expansion of the generation and transmission capacities. Cross- border integration of electricity markets creates new challenges for the regulators, since the evolution of the market is now influenced by the characteristics and policies of neighbouring countries. There is still no agreement on why and how regions should integrate their electricity markets. The aim of this thesis is to improve the understanding of integrated electricity markets and how their behaviour depends on the prevailing characteristics of the national markets and the policies implemented in each country. We developed a simulation model to analyse under what circumstances integration is desirable. This model is used to study three cases of interconnection between two countries. Several policies regarding interconnection expansion and operation, combined with different generation capacity adequacy mechanisms, are evaluated. The thesis is composed of three papers. The first paper presents a detailed description of the model and an analysis of the case of Colombia and Ecuador. It shows that market coupling can bring important benefits, but the relative size of the countries can lead to import dependency issues in the smaller country. The second paper compares the case of Colombia and Ecuador with the case of Great Britain and France. These countries are significantly different in terms of electricity sources, hydro- storage capacity, complementarity and demand growth. We show that complementarity is essential in order to obtain benefits from integration, while higher demand growth and hydro- storage capacity can lead to counterintuitive outcomes, thus complicating policy design. In the third paper, an extended version of the model presented in the first paper is used to analyse the case of Finland and its interconnection with Russia. Different trading arrangements are considered. We conclude that unless interconnection capacity is expanded, the current trading arrangement, where a single trader owns the transmission rights and limits the flow during peak hours, is beneficial for Finland. In case of interconnection expansion, market coupling would be preferable. We also show that the costs of maintaining a strategic reserve in Finland are justified in order to limit import dependency, while still reaping the benefits of interconnection. In general, we conclude that electricity market integration can bring benefits if the right policies are implemented. However, a large interconnection capacity is only desirable if the countries exhibit significant complementarity and trust each other. The outcomes of policies aimed at guaranteeing security of supply at a national level can be quite counterintuitive due to the interactions between neighbouring countries and their effects on interconnection and generation investments. Thus, it is important for regulators to understand these interactions and coordinate their decisions in order to take advantage of the interconnection without putting security of supply at risk. But it must be taken into account that even when integration brings benefits to the region, some market participants lose and might try to hinder the integration process. -- Dans les sociétés modernes, l'électricité est un service stratégique. Il est donc extrêmement important pour les gouvernements de pouvoir garantir la sécurité d'approvisionnement à des prix abordables. Ceci dépend en grande mesure d'une expansion adéquate des capacités de génération et de transmission. L'intégration des marchés électriques pose des nouveaux défis pour les régulateurs, puisque l'évolution du marché est maintenant influencée par les caractéristiques et les politiques des pays voisins. Il n'est pas encore claire pourquoi ni comment les marches électriques devraient s'intégrer. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des marchés intégrés d'électricité et de leur comportement en fonction des caractéristiques et politiques de chaque pays. Un modèle de simulation est proposé pour étudier les conditions dans lesquelles l'intégration est désirable. Ce modèle est utilisé pour étudier trois cas d'interconnexion entre deux pays. Plusieurs politiques concernant l'expansion et l'opération de l'interconnexion, combinées avec différents mécanismes de rémunération de la capacité, sont évalués. Cette thèse est compose de trois articles. Le premier présente une description détaillée du modèle et une analyse du cas de la Colombie et de l'Equateur. Il montre que le couplage de marchés peut amener des bénéfices importants ; cependant, la différence de taille entre pays peut créer des soucis de dépendance aux importations pour le pays le plus petit. Le second papier compare le cas de la Colombie et l'Equateur avec le cas de la Grande Bretagne et de la France. Ces pays sont très différents en termes de ressources, taille des réservoirs d'accumulation pour l'hydro, complémentarité et croissance de la demande. Nos résultats montrent que la complémentarité joue un rôle essentiel dans l'obtention des bénéfices potentiels de l'intégration, alors qu'un taux élevé de croissance de la demande, ainsi qu'une grande capacité de stockage, mènent à des résultats contre-intuitifs, ce qui complique les décisions des régulateurs. Dans le troisième article, une extension du modèle présenté dans le premier article est utilisée pour analyser le cas de la Finlande et de la Russie. Différentes règles pour les échanges internationaux d'électricité sont considérées. Nos résultats indiquent qu'à un faible niveau d'interconnexion, la situation actuelle, où un marchand unique possède les droits de transmission et limite le flux pendant les heures de pointe, est bénéfique pour la Finlande. Cependant, en cas d'expansion de la capacité d'interconnexion, «market coupling» est préférable. préférable. Dans tous les cas, la Finlande a intérêt à garder une réserve stratégique, car même si cette politique entraine des coûts, elle lui permet de profiter des avantages de l'intégration tout en limitant ca dépendance envers les importations. En général, nous concluons que si les politiques adéquates sont implémentées, l'intégration des marchés électriques peut amener des bénéfices. Cependant, une grande capacité d'interconnexion n'est désirable que si les pays ont une complémentarité importante et il existe une confiance mutuelle. Les résultats des politiques qui cherchent à préserver la sécurité d'approvisionnement au niveau national peuvent être très contre-intuitifs, étant données les interactions entre les pays voisins et leurs effets sur les investissements en génération et en interconnexion. Il est donc très important pour les régulateurs de comprendre ces interactions et de coordonner décisions à fin de pouvoir profiter de l'interconnexion sans mettre en danger la sécurité d'approvisionnement. Mais il faut être conscients que même quand l'intégration amène de bénéfices pour la région, certains participants au marché sont perdants et pourraient essayer de bloquer le processus d'intégration.

Three-dimensional hydrodynamic numerical modelling of fold nappe formation, basement-cover deformation and slab detachment with applications to the helvetic nappe system (W Switzerland)

Many three-dimensional (3-D) structures in rock, which formed during the deformation of the Earth's crust and lithosphere, are controlled by a difference in mechanical strength between rock units and are often the result of a geometrical instability. Such structures are, for example, folds, pinch-and-swell structures (due to necking) or cuspate-lobate structures (mullions). These struc-tures occur from the centimeter to the kilometer scale and the related deformation processes con-trol the formation of, for example, fold-and-thrust belts and extensional sedimentary basins or the deformation of the basement-cover interface. The 2-D deformation processes causing these structures are relatively well studied, however, several processes during large-strain 3-D defor-mation are still incompletely understood. One of these 3-D processes is the lateral propagation of these structures, such as fold and cusp propagation in a direction orthogonal to the shortening direction or neck propagation in direction orthogonal to the extension direction. Especially, we are interested in fold nappes which are recumbent folds with amplitudes usually exceeding 10 km and they have been presumably formed by ductile shearing. They often exhibit a constant sense of shearing and a non-linear increase of shear strain towards their overturned limb. The fold axes of the Morcles fold nappe in western Switzerland plunges to the ENE whereas the fold axes in the more eastern Doldenhorn nappe plunges to the WSW. These opposite plunge direc-tions characterize the Rawil depression (Wildstrubel depression). The Morcles nappe is mainly the result of layer parallel contraction and shearing. During the compression the massive lime-stones were more competent than the surrounding marls and shales, which led to the buckling characteristics of the Morcles nappe, especially in the north-dipping normal limb. The Dolden-horn nappe exhibits only a minor overturned fold limb. There are still no 3-D numerical studies which investigate the fundamental dynamics of the formation of the large-scale 3-D structure including the Morcles and Doldenhorn nappes and the related Rawil depression. We study the 3-D evolution of geometrical instabilities and fold nappe formation with numerical simulations based on the finite element method (FEM). Simulating geometrical instabilities caused by sharp variations of mechanical strength between rock units requires a numerical algorithm that can accurately resolve material interfaces for large differences in material properties (e.g. between limestone and shale) and for large deformations. Therefore, our FE algorithm combines a nu-merical contour-line technique and a deformable Lagrangian mesh with re-meshing. With this combined method it is possible to accurately follow the initial material contours with the FE mesh and to accurately resolve the geometrical instabilities. The algorithm can simulate 3-D de-formation for a visco-elastic rheology. The viscous rheology is described by a power-law flow law. The code is used to study the 3-D fold nappe formation, the lateral propagation of folding and also the lateral propagation of cusps due to initial half graben geometry. Thereby, the small initial geometrical perturbations for folding and necking are exactly followed by the FE mesh, whereas the initial large perturbation describing a half graben is defined by a contour line inter-secting the finite elements. Further, the 3-D algorithm is applied to 3-D viscous nacking during slab detachment. The results from various simulations are compared with 2-D resulats and a 1-D analytical solution. -- On retrouve beaucoup de structures en 3 dimensions (3-D) dans les roches qui ont pour origines une déformation de la lithosphère terrestre. Ces structures sont par exemple des plis, des boudins (pinch-and-swell) ou des mullions (cuspate-lobate) et sont présentés de l'échelle centimétrique à kilométrique. Mécaniquement, ces structures peuvent être expliquées par une différence de résistance entre les différentes unités de roches et sont généralement le fruit d'une instabilité géométrique. Ces différences mécaniques entre les unités contrôlent non seulement les types de structures rencontrées, mais également le type de déformation (thick skin, thin skin) et le style tectonique (bassin d'avant pays, chaîne d'avant pays). Les processus de la déformation en deux dimensions (2-D) formant ces structures sont relativement bien compris. Cependant, lorsque l'on ajoute la troisiéme dimension, plusieurs processus ne sont pas complètement compris lors de la déformation à large échelle. L'un de ces processus est la propagation latérale des structures, par exemple la propagation de plis ou de mullions dans la direction perpendiculaire à l'axe de com-pression, ou la propagation des zones d'amincissement des boudins perpendiculairement à la direction d'extension. Nous sommes particulièrement intéressés les nappes de plis qui sont des nappes de charriage en forme de plis couché d'une amplitude plurikilométrique et étant formées par cisaillement ductile. La plupart du temps, elles exposent un sens de cisaillement constant et une augmentation non linéaire de la déformation vers la base du flanc inverse. Un exemple connu de nappes de plis est le domaine Helvétique dans les Alpes de l'ouest. Une de ces nap-pes est la Nappe de Morcles dont l'axe de pli plonge E-NE tandis que de l'autre côté de la dépression du Rawil (ou dépression du Wildstrubel), la nappe du Doldenhorn (équivalent de la nappe de Morcles) possède un axe de pli plongeant O-SO. La forme particulière de ces nappes est due à l'alternance de couches calcaires mécaniquement résistantes et de couches mécanique-ment faibles constituées de schistes et de marnes. Ces différences mécaniques dans les couches permettent d'expliquer les plissements internes à la nappe, particulièrement dans le flanc inver-se de la nappe de Morcles. Il faut également noter que le développement du flanc inverse des nappes n'est pas le même des deux côtés de la dépression de Rawil. Ainsi la nappe de Morcles possède un important flanc inverse alors que la nappe du Doldenhorn en est presque dépour-vue. A l'heure actuelle, aucune étude numérique en 3-D n'a été menée afin de comprendre la dynamique fondamentale de la formation des nappes de Morcles et du Doldenhorn ainsi que la formation de la dépression de Rawil. Ce travail propose la première analyse de l'évolution 3-D des instabilités géométriques et de la formation des nappes de plis en utilisant des simulations numériques. Notre modèle est basé sur la méthode des éléments finis (FEM) qui permet de ré-soudre avec précision les interfaces entre deux matériaux ayant des propriétés mécaniques très différentes (par exemple entre les couches calcaires et les couches marneuses). De plus nous utilisons un maillage lagrangien déformable avec une fonction de re-meshing (production d'un nouveau maillage). Grâce à cette méthode combinée il nous est possible de suivre avec précisi-on les interfaces matérielles et de résoudre avec précision les instabilités géométriques lors de la déformation de matériaux visco-élastiques décrit par une rhéologie non linéaire (n>1). Nous uti-lisons cet algorithme afin de comprendre la formation des nappes de plis, la propagation latérale du plissement ainsi que la propagation latérale des structures de type mullions causé par une va-riation latérale de la géométrie (p.ex graben). De plus l'algorithme est utilisé pour comprendre la dynamique 3-D de l'amincissement visqueux et de la rupture de la plaque descendante en zone de subduction. Les résultats obtenus sont comparés à des modèles 2-D et à la solution analytique 1-D. -- Viele drei dimensionale (3-D) Strukturen, die in Gesteinen vorkommen und durch die Verfor-mung der Erdkruste und Litosphäre entstanden sind werden von den unterschiedlichen mechani-schen Eigenschaften der Gesteinseinheiten kontrolliert und sind häufig das Resulat von geome-trischen Istabilitäten. Zu diesen strukturen zählen zum Beispiel Falten, Pich-and-swell Struktu-ren oder sogenannte Cusbate-Lobate Strukturen (auch Mullions). Diese Strukturen kommen in verschiedenen Grössenordungen vor und können Masse von einigen Zentimeter bis zu einigen Kilometer aufweisen. Die mit der Entstehung dieser Strukturen verbundenen Prozesse kontrol-lieren die Entstehung von Gerbirgen und Sediment-Becken sowie die Verformung des Kontaktes zwischen Grundgebirge und Stedimenten. Die zwei dimensionalen (2-D) Verformungs-Prozesse die zu den genannten Strukturen führen sind bereits sehr gut untersucht. Einige Prozesse wäh-rend starker 3-D Verformung sind hingegen noch unvollständig verstanden. Einer dieser 3-D Prozesse ist die seitliche Fortpflanzung der beschriebenen Strukturen, so wie die seitliche Fort-pflanzung von Falten und Cusbate-Lobate Strukturen senkrecht zur Verkürzungsrichtung und die seitliche Fortpflanzung von Pinch-and-Swell Strukturen othogonal zur Streckungsrichtung. Insbesondere interessieren wir uns für Faltendecken, liegende Falten mit Amplituden von mehr als 10 km. Faltendecken entstehen vermutlich durch duktile Verscherung. Sie zeigen oft einen konstanten Scherungssinn und eine nicht-lineare zunahme der Scherverformung am überkipp-ten Schenkel. Die Faltenachsen der Morcles Decke in der Westschweiz fallen Richtung ONO während die Faltenachsen der östicher gelegenen Doldenhorn Decke gegen WSW einfallen. Diese entgegengesetzten Einfallrichtungen charakterisieren die Rawil Depression (Wildstrubel Depression). Die Morcles Decke ist überwiegend das Resultat von Verkürzung und Scherung parallel zu den Sedimentlagen. Während der Verkürzung verhielt sich der massive Kalkstein kompetenter als der Umliegende Mergel und Schiefer, was zur Verfaltetung Morcles Decke führ-te, vorallem in gegen Norden eifallenden überkippten Schenkel. Die Doldenhorn Decke weist dagegen einen viel kleineren überkippten Schenkel und eine stärkere Lokalisierung der Verfor-mung auf. Bis heute gibt es keine 3-D numerischen Studien, die die fundamentale Dynamik der Entstehung von grossen stark verformten 3-D Strukturen wie den Morcles und Doldenhorn Decken sowie der damit verbudenen Rawil Depression untersuchen. Wir betrachten die 3-D Ent-wicklung von geometrischen Instabilitäten sowie die Entstehung fon Faltendecken mit Hilfe von numerischen Simulationen basiert auf der Finite Elemente Methode (FEM). Die Simulation von geometrischen Instabilitäten, die aufgrund von Änderungen der Materialeigenschaften zwischen verschiedenen Gesteinseinheiten entstehen, erfortert einen numerischen Algorithmus, der in der Lage ist die Materialgrenzen mit starkem Kontrast der Materialeigenschaften (zum Beispiel zwi-schen Kalksteineinheiten und Mergel) für starke Verfomung genau aufzulösen. Um dem gerecht zu werden kombiniert unser FE Algorithmus eine numerische Contour-Linien-Technik und ein deformierbares Lagranges Netz mit Re-meshing. Mit dieser kombinierten Methode ist es mög-lich den anfänglichen Materialgrenzen mit dem FE Netz genau zu folgen und die geometrischen Instabilitäten genügend aufzulösen. Der Algorithmus ist in der Lage visko-elastische 3-D Ver-formung zu rechnen, wobei die viskose Rheologie mit Hilfe eines power-law Fliessgesetzes beschrieben wird. Mit dem numerischen Algorithmus untersuchen wir die Entstehung von 3-D Faltendecken, die seitliche Fortpflanzung der Faltung sowie der Cusbate-Lobate Strukturen die sich durch die Verkürzung eines mit Sediment gefüllten Halbgraben bilden. Dabei werden die anfänglichen geometrischen Instabilitäten der Faltung exakt mit dem FE Netz aufgelöst wäh-rend die Materialgranzen des Halbgrabens die Finiten Elemente durchschneidet. Desweiteren wird der 3-D Algorithmus auf die Einschnürung während der 3-D viskosen Plattenablösung und Subduktion angewandt. Die 3-D Resultate werden mit 2-D Ergebnissen und einer 1-D analyti-schen Lösung verglichen.