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.

Entraînement métacognitif en groupe chez des adolescents souffrant de psychose : étude de cas multiples

La formation et le maintien d'idées délirantes, qui sont des symptômes clé de la psychose, s'expliquent en partie par la présence de biais cognitifs. La faisabilité, l'adhérence au traitement, l'utilité subjective et également l'efficacité d'un entraînement métacognitif (EMC) permettant de corriger ces biais cognitifs ont été démontrées chez des adultes souffrant de schizophrénie. Par contre, aucune étude ne s'est intéressée à ces aspects dans une population adolescente atteinte de psychose. La présente étude évalue la faisabilité d'un EMC et son effet bénéfique sur les symptômes psychotiques et dépressifs, le fonctionnement social et l'estime de soi chez 5 adolescents, de 16 à 18 ans, souffrant de psychose. L'intervention effectuée est un EMC en groupe correspondant à 2x8 modules, de 45 à 60 minutes, une fois par semaine. La mesure de l'efficacité des modules emploie des échelles mesurant la sévérité de la symptomatologie psychotique, le fonctionnement social global, l'estime de soi, la dépression et la santé mentale globale. Les résultats de ces 5 patients semblent indiquer que L'EMC est praticable et efficace. Toutefois, l'adhérence au traitement est mitigée. Le calendrier des séances nécessite une adaptation selon la disponibilité des participants. Globalement, L'EMC s'accompagne d'une réduction des symptômes psychotiques et dépressifs et d'une amélioration du fonctionnement social et de l'estime de soi. En conclusion, l'EMC représente une alternative intéressante et/ou un bon complément de traitement. De futures études à plus large échelle devraient être entreprises afin de confirmer cette conclusion et étoffer les données spécifiques à cette population exclue des précédentes études sur l'EMC.

Plaidoyer pour une valorisation du jugement clinique dans la profession infirmière : les cas des plaies de pression et des chutes

Plusieurs infirmières pratiquant dans les centres d'hébergement se questionnent sur la pertinence d'utiliser systématiquement certaines échelles de mesure. Elles sont d'avis que l'utilisation ou les modalités entourant l'usage de ces échelles augmentent surtout leur charge de travail et ne contribuent pas toujours à l'amélioration de la qualité des soins. Face à cette préoccupation, la communauté de pratique de la Faculté des sciences infirmières de l'Université Laval sur les soins à l'aîné en centre d'hébergement (CP-FSI) a voulu explorer les fondements à la base des recommandations de ces différents instruments de mesure en l'occurrence l'échelle du risque de plaie de pression de Braden et les échelles d'évaluation des risques de chute. Un examen de la littérature scientifique et l'analyse de données empiriques amènent à la conclusion que l'utilisation systématique de ces échelles alourdit en effet la tâche des infirmières. Qui plus est, le jugement clinique infirmier est équivalent ou supérieur à l'utilisation de ces échelles. La CP-FSI conclut à l'importance de modifier les recommandations sur l'usage systématique de ces échelles et de plutôt valoriser le jugement clinique des infirmières.

Niche, distribution and global change : modeling insights into biogeography and conservation biology Olivier Broennimann

RESUME Les évidences montrant que les changements globaux affectent la biodiversité s'accumulent. Les facteurs les plus influant dans ce processus sont les changements et destructions d'habitat, l'expansion des espèces envahissantes et l'impact des changements climatiques. Une évaluation pertinente de la réponse des espèces face à ces changements est essentielle pour proposer des mesures permettant de réduire le déclin actuel de la biodiversité. La modélisation de la répartition d'espèces basée sur la niche (NBM) est l'un des rares outils permettant cette évaluation. Néanmoins, leur application dans le contexte des changements globaux repose sur des hypothèses restrictives et demande une interprétation critique. Ce travail présente une série d'études de cas investiguant les possibilités et limitations de cette approche pour prédire l'impact des changements globaux. Deux études traitant des menaces sur les espèces rares et en danger d'extinction sont présentées. Les caractéristiques éco-géographiques de 118 plantes avec un haut degré de priorité de conservation sont revues. La prévalence des types de rareté sont analysées en relation avec leur risque d'extinction UICN. La revue souligne l'importance de la conservation à l'échelle régionale. Une évaluation de la rareté à échelle globale peut être trompeuse pour certaine espèces car elle ne tient pas en compte des différents degrés de rareté que présente une espèce à différentes échelles spatiales. La deuxième étude test une approche pour améliorer l'échantillonnage d'espèces rares en incluant des phases itératives de modélisation et d'échantillonnage sur le terrain. L'application de l'approche en biologie de la conservation (illustrée ici par le cas du chardon bleu, Eryngium alpinum), permettrait de réduire le temps et les coûts d'échantillonnage. Deux études sur l'impact des changements climatiques sur la faune et la flore africaine sont présentées. La première étude évalue la sensibilité de 227 mammifères africains face aux climatiques d'ici 2050. Elle montre qu'un nombre important d'espèces pourrait être bientôt en danger d'extinction et que les parcs nationaux africains (principalement ceux situé en milieux xériques) pourraient ne pas remplir leur mandat de protection de la biodiversité dans le futur. La seconde étude modélise l'aire de répartition en 2050 de 975 espèces de plantes endémiques du sud de l'Afrique. L'étude propose l'inclusion de méthodes améliorant la prédiction des risques liés aux changements climatiques. Elle propose également une méthode pour estimer a priori la sensibilité d'une espèce aux changements climatiques à partir de ses propriétés écologiques et des caractéristiques de son aire de répartition. Trois études illustrent l'utilisation des modèles dans l'étude des invasions biologiques. Une première étude relate l'expansion de la laitue sáuvage (Lactuca serriola) vers le nord de l'Europe en lien avec les changements du climat depuis 250 ans. La deuxième étude analyse le potentiel d'invasion de la centaurée tachetée (Centaures maculosa), une mauvaise herbe importée en Amérique du nord vers 1890. L'étude apporte la preuve qu'une espèce envahissante peut occuper une niche climatique différente après introduction sur un autre continent. Les modèles basés sur l'aire native prédisent de manière incorrecte l'entier de l'aire envahie mais permettent de prévoir les aires d'introductions potentielles. Une méthode alternative, incluant la calibration du modèle à partir des deux aires où l'espèce est présente, est proposée pour améliorer les prédictions de l'invasion en Amérique du nord. Je présente finalement une revue de la littérature sur la dynamique de la niche écologique dans le temps et l'espace. Elle synthétise les récents développements théoriques concernant le conservatisme de la niche et propose des solutions pour améliorer la pertinence des prédictions d'impact des changements climatiques et des invasions biologiques. SUMMARY Evidences are accumulating that biodiversity is facing the effects of global change. The most influential drivers of change in ecosystems are land-use change, alien species invasions and climate change impacts. Accurate projections of species' responses to these changes are needed to propose mitigation measures to slow down the on-going erosion of biodiversity. Niche-based models (NBM) currently represent one of the only tools for such projections. However, their application in the context of global changes relies on restrictive assumptions, calling for cautious interpretations. In this thesis I aim to assess the effectiveness and shortcomings of niche-based models for the study of global change impacts on biodiversity through the investigation of specific, unsolved limitations and suggestion of new approaches. Two studies investigating threats to rare and endangered plants are presented. I review the ecogeographic characteristic of 118 endangered plants with high conservation priority in Switzerland. The prevalence of rarity types among plant species is analyzed in relation to IUCN extinction risks. The review underlines the importance of regional vs. global conservation and shows that a global assessment of rarity might be misleading for some species because it can fail to account for different degrees of rarity at a variety of spatial scales. The second study tests a modeling framework including iterative steps of modeling and field surveys to improve the sampling of rare species. The approach is illustrated with a rare alpine plant, Eryngium alpinum and shows promise for complementing conservation practices and reducing sampling costs. Two studies illustrate the impacts of climate change on African taxa. The first one assesses the sensitivity of 277 mammals at African scale to climate change by 2050 in terms of species richness and turnover. It shows that a substantial number of species could be critically endangered in the future. National parks situated in xeric ecosystems are not expected to meet their mandate of protecting current species diversity in the future. The second study model the distribution in 2050 of 975 endemic plant species in southern Africa. The study proposes the inclusion of new methodological insights improving the accuracy and ecological realism of predictions of global changes studies. It also investigates the possibility to estimate a priori the sensitivity of a species to climate change from the geographical distribution and ecological proprieties of the species. Three studies illustrate the application of NBM in the study of biological invasions. The first one investigates the Northwards expansion of Lactuca serriola L. in Europe during the last 250 years in relation with climate changes. In the last two decades, the species could not track climate change due to non climatic influences. A second study analyses the potential invasion extent of spotted knapweed, a European weed first introduced into North America in the 1890s. The study provides one of the first empirical evidence that an invasive species can occupy climatically distinct niche spaces following its introduction into a new area. Models fail to predict the current full extent of the invasion, but correctly predict areas of introduction. An alternative approach, involving the calibration of models with pooled data from both ranges, is proposed to improve predictions of the extent of invasion on models based solely on the native range. I finally present a review on the dynamic nature of ecological niches in space and time. It synthesizes the recent theoretical developments to the niche conservatism issues and proposes solutions to improve confidence in NBM predictions of the impacts of climate change and species invasions on species distributions.

Les hauts lieux géologiques et géomorphologiques alpins

Depuis la fin des années 1990, on assiste dans les Alpes, comme partout en Europe, à un nouvel intérêt pour les géopatrimoines. A toutes les échelles - locale, nationale, internationale - ont émergé des projets d'inventaire, de protection et de valorisation (didactique, touristique) des géosites autour du concept de géodiversité. Cet article montre que ces tendances ne sont pas nouvelles mais constituent plutôt une étape dans des trajectoires patrimoniales diverses, initiées dès le XIXe siècle. La nouveauté est une patrimonialisation basée sur la valeur scientifique intrinsèque des sites, en tant que témoins de l'histoire de la Terre, et non plus seulement pour leur valeur esthétique ou pittoresque. Ce mouvement de patrimonialisation participe de la volonté de développer durablement les territoires alpins, notamment à travers la mise en place d'outils de développements territorial tels que les géoparcs.

Blood samples drawn for culture as a surrogate marker for case-mix adjustment of hospital antibiotic use

Résumé de l'étude La surveillance de la prescription des antibiotiques en milieu hospitalier est une des mesures recommandées pour prévenir l'émergence de bactéries résistantes. La consommation d'antibiotiques est généralement exprimée en termes de DDD (defined daily dose) rapporté au taux d'occupation (jours patients). Cette mesure ne tient cependant pas compte de la variation de la casuistique d'un service au cours du temps. La consommation d'antibiotiques est influencée par l'incidence des infections, qui peut être saisonnière ou varier selon les circonstances épidémiologiques, ainsi que par les habitudes des médecins en termes de prescription. Une échelle de mesure adaptée à ces paramètres est donc capitale pour rendre compte de la consommation d'antibiotiques au sein d'un service et identifier de possibles dérivations dans les habitudes de prescriptions. Nous avons émis l'hypothèse que le nombre de demandes d'hémocultures pouvait servir d'indicateur de la charge infectieuse d'un service. Une analyse préliminaire a permis d'établir une bonne relation entre ce paramètre et l'incidence d'événements infectieux en comparaison à d'autres paramètres testés (nombre de prélèvements microbiologiques provenant de sites stériles ou nombre total de prélèvements microbiologiques). Sur la base de cette hypothèse, nous avons analysé la consommation d'antibiotiques d'une unité de médecine générale (Service de Médecine Interne du CHUV) sur seize trimestres consécutifs en comparant deux échelles de mesures : la méthode standard en DDD par jours patients et une échelle ajustée à la charge infectieuse (DDD par nombre de demandes d'hémocultures). L'échelle ajustée aux hémocultures a permis d'identifier trois trimestres avec une consommation anormalement élevée qui n'avaient pas été classés comme tels par l'échelle standard (consommation dans les normes en DDD par jours patients). Une analyse détaillée d'un de ces trimestres a confirmé une incidence d'infections moins élevée en comparaison à un trimestre de référence (proche de la norme selon les deux échelles), alors que la corrélation entre infections et demandes d'hémocultures était similaire pour les deux périodes. De même, l'échelle ajustée ä la charge infectieuse a démontré une consommation dans la norme pour un trimestre avec une consommation en apparence trop élevée selon l'échelle standard en raison d'une incidence d'infections plus élevée pour cette période. Cette étude a donc permis une identification plus performante et plus précise de périodes avec des dérivations dans la pratique de la prescription des antibiotiques en utilisant une échelle de mesure ajustée à la charge infectieuse d'un service au cours du temps. Nous avons démontré que le nombre d'hémocultures prélevées était un indicateur stable de la charge infectieuse dans un service de médecine générale. Ceci ne permet cependant pas de généraliser l'usage de cet indicateur pour tous les types de service. La pratique des hémocultures peut, en effet, varier d'une unité à l'autre, ou entres différentes institutions. ll convient donc de tester la validité de ce paramètre dans un service avant de l'appliquer.

The VAD connection : connecting ventricular assist devices to the aorta in silico

Les systèmes d'assistance ventriculaire sont apparus durant la dernière décade comme une approche thérapeutique efficace du traitement de l'insuffisance cardiaque terminale, en particulier dans le contexte de manque de donneurs d'organes. Néanmoins, et ceci malgré les progrès techniques majeurs, les taux de complications restent élevés et sont en partie liés à la configuration géométrique, en particulier le site d'implantation de la cannule de sortie à l'aorte thoracique. Bien que l'anastomose à l'aorte descendante permette une chirurgie moins invasive, les bénéfices de cette technique sont toujours controversés, comparée à la méthode standard de l'aorte ascendante, en raison du risque thrombo-embolique possiblement augmenté et des modifications hémodynamiques induites au niveau de l'arc aortique. Dans ce travail, nous comparons in silico en terme de débit et pression les deux possibilités anastomotiques. Nous développons un réseau de modèles mathématiques unidimensionnels, et l'appliquons à diverses situations cliniques, pour différents stades d'insuffisance cardiaque et de vitesses de rotation de la machine. Les données initiales sont obtenues grâce à un modèle OD (c'est-à-dire qui dépend uniquement du temps mais pas de l'espace) du système cardiovasculaire comprenant une assistance circulatoire, validé avec des données cliniques. Les simulations réalisées montrent que les deux méthodes sont similaires, en terme de débit et courbes de pression, ceci pour tous les cas cliniques étudiés. Ces résultats numériques soutiennent la possibilité d'utiliser la technique d'anastomose à l'aorte thoracique descendante, permettant une chirurgie moins invasive. Sur un plan plus fondamental, le système cardiovasculaire peut être simulé par le biais de multiples modèles de niveau de complexité différents, au prix d'un coût computationnel toujours plus élevé. Nous évaluons les avantages de modèles géométriques à plusieurs échelles (uni- et tridimensionnelle) avec données provenant de patients, comparés à des modèles simplifiés. Les résultats montrent que ces modèles de dimensions hétérogènes apportent un bénéfice important en terme de ressources de calcul, tout en conservant une précision acceptable. En conclusion, ces résultats encourageant montrent la relevance des études numériques dans le domaine médical, tant sur le plan fondamental et la compréhension des mécanismes physiopathologiques, que sur le plan applicatif et le développement de nouvelles thérapeutiques.

Multiscale assessment of plant diversity in wooded pastures of the Jura mountains

Résumé La diminution de la biodiversité, à toutes les échelles spatiales et sur l'ensemble de la planète, compte parmi les problèmes les plus préoccupants de notre époque. En terme de conservation, il est aujourd'hui primordial de mieux comprendre les mécanismes qui créent et maintiennent la biodiversité dans les écosystèmes naturels ou anthropiques. La présente étude a pour principal objectif d'améliorer notre compréhension des patrons de biodiversité végétale et des mécanismes sous jacents, dans un écosystème complexe, riche en espèces et à forte valeur patrimoniale, les pâturages boisés jurassiens. Structure et échelle spatiales sont progressivement reconnues comme des dimensions incontournables dans l'étude des patrons de biodiversité. De plus, ces deux éléments jouent un rôle central dans plusieurs théories écologiques. Toutefois, peu d'hypothèses issues de simulations ou d'études théoriques concernant le lien entre structure spatiale du paysage et biodiversité ont été testées de façon empirique. De même, l'influence des différentes composantes de l'échelle spatiale sur les patrons de biodiversité est méconnue. Cette étude vise donc à tester quelques-unes de ces hypothèses et à explorer les patrons spatiaux de biodiversité dans un contexte multi-échelle, pour différentes mesures de biodiversité (richesse et composition en espèces) à l'aide de données de terrain. Ces données ont été collectées selon un plan d'échantillonnage hiérarchique. Dans un premier temps, nous avons testé l'hypothèse élémentaire selon laquelle la richesse spécifique (le nombre d'espèces sur une surface donnée) est liée à l'hétérogénéité environnementale quelque soit l'échelle. Nous avons décomposé l'hétérogénéité environnementale en deux parties, la variabilité des conditions environnementales et sa configuration spatiale. Nous avons montré que, en général, la richesse spécifique augmentait avec l'hétérogénéité de l'environnement : elle augmentait avec le nombre de types d'habitats et diminuait avec l'agrégation spatiale de ces habitats. Ces effets ont été observés à toutes les échelles mais leur nature variait en fonction de l'échelle, suggérant une modification des mécanismes. Dans un deuxième temps, la structure spatiale de la composition en espèces a été décomposée en relation avec 20 variables environnementales et 11 traits d'espèces. Nous avons utilisé la technique de partition de la variation et un descripteur spatial, récemment développé, donnant accès à une large gamme d'échelles spatiales. Nos résultats ont montré que la structure spatiale de la composition en espèces végétales était principalement liée à la topographie, aux échelles les plus grossières, et à la disponibilité en lumière, aux échelles les plus fines. La fraction non-environnementale de la variation spatiale de la composition spécifique avait une relation complexe avec plusieurs traits d'espèces suggérant un lien avec des processus biologiques tels que la dispersion, dépendant de l'échelle spatiale. Dans un dernier temps, nous avons testé, à plusieurs échelles spatiales, les relations entre trois composantes de la biodiversité : la richesse spécifique totale d'un échantillon (diversité gamma), la richesse spécifique moyenne (diversité alpha), mesurée sur des sous-échantillons, et les différences de composition spécifique entre les sous-échantillons (diversité beta). Les relations deux à deux entre les diversités alpha, beta et gamma ne suivaient pas les relations attendues, tout du moins à certaines échelles spatiales. Plusieurs de ces relations étaient fortement dépendantes de l'échelle. Nos résultats ont mis en évidence l'importance du rapport d'échelle (rapport entre la taille de l'échantillon et du sous-échantillon) lors de l'étude des patrons spatiaux de biodiversité. Ainsi, cette étude offre un nouvel aperçu des patrons spatiaux de biodiversité végétale et des mécanismes potentiels permettant la coexistence des espèces. Nos résultats suggèrent que les patrons de biodiversité ne peuvent être expliqués par une seule théorie, mais plutôt par une combinaison de théories. Ils ont également mis en évidence le rôle essentiel joué par la structure spatiale dans la détermination de la biodiversité, quelque soit le composant de la biodiversité considéré. Enfin, cette étude souligne l'importance de prendre en compte plusieurs échelles spatiales et différents constituants de l'échelle spatiale pour toute étude relative à la diversité spécifique. Abstract The world-wide loss of biodiversity at all scales has become a matter of urgent concern, and improving our understanding of local drivers of biodiversity in natural and anthropogenic ecosystems is now crucial for conservation. The main objective of this study was to further our comprehension of the driving forces controlling biodiversity patterns in a complex and diverse ecosystem of high conservation value, wooded pastures. Spatial pattern and scale are central to several ecological theories, and it is increasingly recognized that they must be taken -into consideration when studying biodiversity patterns. However, few hypotheses developed from simulations or theoretical studies have been tested using field data, and the evolution of biodiversity patterns with different scale components remains largely unknown. We test several such hypotheses and explore spatial patterns of biodiversity in a multi-scale context and using different measures of biodiversity (species richness and composition), with field data. Data were collected using a hierarchical sampling design. We first tested the simple hypothesis that species richness, the number of species in a given area, is related to environmental heterogeneity at all scales. We decomposed environmental heterogeneity into two parts: the variability of environmental conditions and its spatial configuration. We showed that species richness generally increased with environmental heterogeneity: species richness increased with increasing number of habitat types and with decreasing spatial aggregation of those habitats. Effects occurred at all scales but the nature of the effect changed with scale, suggesting a change in underlying mechanisms. We then decomposed the spatial structure of species composition in relation to environmental variables and species traits using variation partitioning and a recently developed spatial descriptor, allowing us to capture a wide range of spatial scales. We showed that the spatial structure of plant species composition was related to topography at the coarsest scales and insolation at finer scales. The non-environmental fraction of the spatial variation in species composition had a complex relationship with several species traits, suggesting a scale-dependent link to biological processes, particularly dispersal. Finally, we tested, at different spatial scales, the relationships between different components of biodiversity: total sample species richness (gamma diversity), mean species .richness (alpha diversity), measured in nested subsamples, and differences in species composition between subsamples (beta diversity). The pairwise relationships between alpha, beta and gamma diversity did not follow the expected patterns, at least at certain scales. Our result indicated a strong scale-dependency of several relationships, and highlighted the importance of the scale ratio when studying biodiversity patterns. Thus, our results bring new insights on the spatial patterns of biodiversity and the possible mechanisms allowing species coexistence. They suggest that biodiversity patterns cannot be explained by any single theory proposed in the literature, but a combination of theories is sufficient. Spatial structure plays a crucial role for all components of biodiversity. Results emphasize the importance of considering multiple spatial scales and multiple scale components when studying species diversity.

Parent-offspring similarity for childhood behaviorial inhibition and associations between inhibition and parental care

L'article constituant le présent travail de thèse décrit une recherche évaluant les similarités entre l'inhibition comportementale chez des enfants et leurs parents respectifs durant l'enfance, ainsi que l'association éventuelle entre l'inhibition et les attitudes parentales. L'inhibition comportementale - définie comme une prédisposition de l'enfant à réagir avec réticence et angoisse à des situations inhabituelles - est une caractéristique de tempérament qui apparaît tôt dans la vie et est relativement stable dans le temps. L'intérêt qui y est associé repose sur son association avec des conséquences développementales négatives pour l'individu: risque accentué chez les enfants d'inadaptation scolaire, de dysfonctionnement social et de sentiments de détresse; facteur de risque en ce qui concerne le développement ultérieur de troubles psychiatriques de l'adulte, dont les troubles anxieux en particulier. Nous avons dès lors investigué dans cette recherche 1) la présence d'une association entre l'inhibition comportementale actuelle des enfants et celle rétrospective de leurs parents, dans ses deux dimensions spécifiques, soit sociale (« peurs à l'école ») et non-sociale (« peurs générales »), et 2) si ces dimensions d'inhibition étaient associées au niveau de chaleur, d'affectivité et de soutien prodigués par les parents. C'est à partir de la récolte d'auto-questionnaires remplis dans le contexte d'une vaste étude initiée à Lausanne en 1994, que nous avons extrait un échantillon de 453 enfants scolarisés en 6/7ème années et 741 de leurs parents biologiques respectifs. Les analyses ont porté sur les auto-questionnaires évaluant, chez les enfants, leurs degrés d'inhibition comportementale, de symptomatologie psychiatrique actuelle et de perception de chaleur, d'affectivité et de soutien reçu de la part des parents, et, en ce qui concerne les parents, des auto¬questionnaires évaluant rétrospectivement leurs degrés d'inhibition comportementale durant l'enfance et de symptomatologie psychiatrique actuelle. La comparaison des scores des enfants avec ceux de leurs parents sur les échelles de l'inhibition comportementale (CSRCI-Child version of the Self-Report of Child Inhibition - et RSRI - Retrospective Self- Report of Inhibition -), montre la présence d'une similarité significative pour chacune des dimensions spécifiques, suggérant que les enfants de parents ayant présenté une inhibition comportementale dans l'enfance sont plus à risque d'en développer une à leur tour. Nous avons par ailleurs pu établir, au cours d'analyses complémentaires, que cette association se maintenait après l'ajustement des degrés de symptomatologie psychiatrique respectifs des enfants et de leurs parents, ce qui a permis d'écarter ce facteur confondant potentiel. Bien que la nature de cette association ne puisse être élucidée par cette recherche, le fait que la taille de l'effet soit modeste suggère qu'un rôle important dans le développement de l'inhibition soit joué par des facteurs environnementaux non partagés dans une famille. Un de ceux-ci semble suggéré par l'association négative qui apparaît dans cette étude entre le degré d'inhibition dans sa dimension « peurs à l'école » et l'attitude parentale: un bas niveau de chaleur, d'affectivité et de soutien perçu par l'enfant de la part de ses parents aurait ainsi une influence sur le développement de peurs en situations sociales en particulier. Alternativement, cette association négative pourrait suggérer que les peurs de l'enfant aient une influence négative sur le développement d'une attitude parentale de soutien ou, du moins, sur la perception de celle-ci par l'enfant. Il est aussi bien évidemment envisageable que ces processus interagissent dans une boucle de rétroaction. Seules des études longitudinales pourraient nous éclairer sur la nature de cette association. Quoi qu'il en soit, ce résultat présente un intérêt clinique pour orienter des interventions de prévention du développement de troubles psychiatriques chez des enfants inhibés, en proposant d'agir, soit directement sur les attitudes parentales, soit sur les peurs de l'enfant ainsi que sur les caractéristiques perçues par l'enfant de l'attitude parentale. Des études longitudinales sur les ressemblances entre les parents et leurs enfants concernant l'inhibition comportementale, incluant des études de jumeaux, d'enfants adoptés et de familles, sont nécessaires pour mieux comprendre les interactions entre les facteurs génétiques, familiaux et environnementaux dans le développement de l'inhibition comportementale des enfants.

Dépister ou diagnostiquer les risques psychosociaux : quels outils?

Le recours aux échelles de mesure ou à des questionnaires est fréquent et souvent perçu comme la panacée pour évaluer des risques professionnels qui touchent à la sphère psychosociale. Néanmoins, ces outils doivent être réservés à des étapes très spécifiques d'une démarche de prévention des risques psychosociaux et leur choix parmi les échelles disponibles doit reposer sur des critères précis. Avant d'engager une démarche de prévention il sera possible d'utiliser certaines données existantes dans l'entreprise à l'occasion de l'étape prédiagnostique. L'analyse de ces données permettra de décider d'engager ou non une démarche de prévention qui nécessitera en premier lieu un diagnostic approfondi. Celui-ci devra évaluer d'une part les contraintes vécues au travail, et, d'autre part, l'état de santé des salariés. Le diagnostic des contraintes perçues peut s'appuyer sur des entretiens ou sur des échelles existantes telles que celles de Karasek et de Siegrist. Pour évaluer le niveau de stress chronique, on dispose également de questionnaires validés qui cotent les symptômes physiologiques et/ou psychologiques et, si la situation est déjà détériorée, on peut explorer les atteintes à la santé à travers des échelles de santé mentale. [Auteur]

L'équité d'accès aux ressources en eau : fin ou moyen d'amélioration de l'efficacité de l'irrigation ? : la gestion des ressources en eau dans l'état du Gujarat (Inde) dans la perpective de la political ecology

La thèse présentée ici est le résultat d'une étroite collaboration avec une ONG indienne, AKRSP(I), intervenant dans le développement de l'irrigation au Gujarat depuis plus de 25 ans. Un SIG prototype a été mis en oeuvre et nous permet de proposer ime analyse spatiale et quantitative de l'action de cette ONG ainsi qu'une réflexion plus générale sur les leviers de mise en valeur et de gestion des ressources en eau à des fins agricoles. On peut souligner trois principaux enseignements: Les perspectives d'application des SIG au sein des ONG sont manifestes. Les exigences des bailleurs de fonds peuvent néanmoins faire obstacle à leur développement car, indi-rectement, ils favorisent la mise en oeuvre de SI voués à la justification plutôt qu'à la planification et au suivi des programmes d'actions. Ce résultat soulève la question de la pertinence de l'encadrement, des critères d'évaluation et de la conditionnalité de l'aide publique au développement. Les ONG ont un fort potentiel pour participer à la mise en valeur des ressources en eau en Inde et aider à relever le défi agro-démographique indien, en particulier dans les zones marginales où les services étatiques sont en retrait. Les stratégies d'action basées principalement sur l'application des instruments économiques et techniques doivent cependant être modifiées. Nous montrons qu'elles favorisent une inégalité d'accès aux ressources qui débouche sur une efficacité limitée des pratiques d'irrigation, sur un plan agro-technique. Ces résultats soulignent la nécessité de poursuivre une réflexion critique des discours et solutions dominants en matière de gestion des ressources en eau. Deux pistes d'amélioration sont avancées: 1. considérer l'équité d'accès comme un moyen d'optimiser la gestion de la ressource (limiter le volume d'eau par agriculteur pour encourager les choix de cultures irriguées peu consommatrices et l'adoption des technologies d'économie d'eau), 2. prêter attention à l'ordre dans lequel les différents instruments de gestion disponibles sont employés afin de les articuler dans un séquençage temporel pertinent. La Political Ecology apparait comme un cadre conceptuel très pertinent pour engager cette réflexion critique. Elle permet d'intégrer différentes échelles d'asymétries de pouvoirs à la compréhension des situations et des blocages observables localement : inégalités de capabilités et forces socio-politiques à l'échelle locale, politiques agro-industrielles (coton) et jeux d'alliances politiques des castes à l'échelle nationale, discours et conflits idéologiques ou orientations stratégiques des bailleurs de fonds à l'échelle internationale... Notre recherche empirique contribue modestement au développement de cette Political Ecology de la mise en valeur et de la gestion des ressources en eau. - The present research is based on a close collaboration with an indian NGO, AKRSP(I), which is active in the development of irrigation facilities in Gujarat for the past 25 years. We built a GIS prototype providing quantitative and spatial datas to analyse the NGO intervention and propose a general reflection about water resources development and management issues. Three main findings may be emphasized : The potential of GIS within the workings of an NGO is obvious, as an information ma-nagement tool as much as for developing analytical capacity. However, financial backers expectations may not favour a relevant development of this technology. Indirectly, they promote Information Systems built to justify rather than to plan or monitor action pro¬grammes. This raises the question of stricter framework, conditionality criters and stan¬dardised assessment indicators surrounding official development assistance. There is strong potential that NGOs can assist with the improvement of water resources in India. They can help in overcoming Indian demographic-related agricultural challenges, especially in marginal rural areas neglected by state services. However, intervention strategies mainly based on technical and economic management tools has to be adapted. We found that they lead to inequitable access and distribution of water resources what induces a low efficiency of irrigation practices from an agro-technical point of view. These results underline the need to go further in criticizing dominant ideas and guidelines regarding water resources management. We suggest two other options : 1. to consider equitable access has a tool to improve the effective use of water for agricul¬tural purposes (limiting the volume of water available per farmer would encourage them to adopt low water consumption crops and water saving technics), 2. to consider more carefully the order of use of the various management tools available and to structure them in a relevant sequence. Here, Political Ecology seems to be a relevant conceptual framework to enter into such a critical reflection, integrating different levels and scales of political asymmetries at the core of environmental issues. Indeed, the understanding of regional water situations and social stumbling blocks needs not only to consider local capabilities and socio-political inequities, but also agro-industrial policy (e.i. cotton) and caste political alliances at a national scale, as well as ideological and narrative struggles or strategical orientations of financial backers at an international level. Our empirical research modestly contributes to the development of such a Political Ecology of water resources development and management.

Pore-scale modeling of two-phase flow instabilities in porous media

Les problèmes d'écoulements multiphasiques en média poreux sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications scientifiques et techniques ; comme la séquestration de C02, l'extraction de pétrole et la dépollution des aquifères. La complexité intrinsèque des systèmes multiphasiques et l'hétérogénéité des formations géologiques sur des échelles multiples représentent un challenge majeur pour comprendre et modéliser les déplacements immiscibles dans les milieux poreux. Les descriptions à l'échelle supérieure basées sur la généralisation de l'équation de Darcy sont largement utilisées, mais ces méthodes sont sujettes à limitations pour les écoulements présentant de l'hystérèse. Les avancées récentes en terme de performances computationnelles et le développement de méthodes précises pour caractériser l'espace interstitiel ainsi que la distribution des phases ont favorisé l'utilisation de modèles qui permettent une résolution fine à l'échelle du pore. Ces modèles offrent un aperçu des caractéristiques de l'écoulement qui ne peuvent pas être facilement observées en laboratoire et peuvent être utilisé pour expliquer la différence entre les processus physiques et les modèles à l'échelle macroscopique existants. L'objet premier de la thèse se porte sur la simulation numérique directe : les équations de Navier-Stokes sont résolues dans l'espace interstitiel et la méthode du volume de fluide (VOF) est employée pour suivre l'évolution de l'interface. Dans VOF, la distribution des phases est décrite par une fonction fluide pour l'ensemble du domaine et des conditions aux bords particulières permettent la prise en compte des propriétés de mouillage du milieu poreux. Dans la première partie de la thèse, nous simulons le drainage dans une cellule Hele-Shaw 2D avec des obstacles cylindriques. Nous montrons que l'approche proposée est applicable même pour des ratios de densité et de viscosité très importants et permet de modéliser la transition entre déplacement stable et digitation visqueuse. Nous intéressons ensuite à l'interprétation de la pression capillaire à l'échelle macroscopique. Nous montrons que les techniques basées sur la moyenne spatiale de la pression présentent plusieurs limitations et sont imprécises en présence d'effets visqueux et de piégeage. Au contraire, une définition basée sur l'énergie permet de séparer les contributions capillaires des effets visqueux. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'investigation des effets d'inertie associés aux reconfigurations irréversibles du ménisque causé par l'interface des instabilités. Comme prototype pour ces phénomènes, nous étudions d'abord la dynamique d'un ménisque dans un pore angulaire. Nous montrons que, dans un réseau de pores cubiques, les sauts et reconfigurations sont si fréquents que les effets d'inertie mènent à différentes configurations des fluides. A cause de la non-linéarité du problème, la distribution des fluides influence le travail des forces de pression, qui, à son tour, provoque une chute de pression dans la loi de Darcy. Cela suggère que ces phénomènes devraient être pris en compte lorsque que l'on décrit l'écoulement multiphasique en média poreux à l'échelle macroscopique. La dernière partie de la thèse s'attache à démontrer la validité de notre approche par une comparaison avec des expériences en laboratoire : un drainage instable dans un milieu poreux quasi 2D (une cellule Hele-Shaw avec des obstacles cylindriques). Plusieurs simulations sont tournées sous différentes conditions aux bords et en utilisant différents modèles (modèle intégré 2D et modèle 3D) afin de comparer certaines quantités macroscopiques avec les observations au laboratoire correspondantes. Malgré le challenge de modéliser des déplacements instables, où, par définition, de petites perturbations peuvent grandir sans fin, notre approche numérique apporte de résultats satisfaisants pour tous les cas étudiés. - Problems involving multiphase flow in porous media are of great interest in many scientific and engineering applications including Carbon Capture and Storage, oil recovery and groundwater remediation. The intrinsic complexity of multiphase systems and the multi scale heterogeneity of geological formations represent the major challenges to understand and model immiscible displacement in porous media. Upscaled descriptions based on generalization of Darcy's law are widely used, but they are subject to several limitations for flow that exhibit hysteric and history- dependent behaviors. Recent advances in high performance computing and the development of accurate methods to characterize pore space and phase distribution have fostered the use of models that allow sub-pore resolution. These models provide an insight on flow characteristics that cannot be easily achieved by laboratory experiments and can be used to explain the gap between physical processes and existing macro-scale models. We focus on direct numerical simulations: we solve the Navier-Stokes equations for mass and momentum conservation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. In the VOF the distribution of the phases is described by a fluid function (whole-domain formulation) and special boundary conditions account for the wetting properties of the porous medium. In the first part of this thesis we simulate drainage in a 2-D Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles. We show that the proposed approach can handle very large density and viscosity ratios and it is able to model the transition from stable displacement to viscous fingering. We then focus on the interpretation of the macroscopic capillary pressure showing that pressure average techniques are subject to several limitations and they are not accurate in presence of viscous effects and trapping. On the contrary an energy-based definition allows separating viscous and capillary contributions. In the second part of the thesis we investigate inertia effects associated with abrupt and irreversible reconfigurations of the menisci caused by interface instabilities. As a prototype of these phenomena we first consider the dynamics of a meniscus in an angular pore. We show that in a network of cubic pores, jumps and reconfigurations are so frequent that inertia effects lead to different fluid configurations. Due to the non-linearity of the problem, the distribution of the fluids influences the work done by pressure forces, which is in turn related to the pressure drop in Darcy's law. This suggests that these phenomena should be taken into account when upscaling multiphase flow in porous media. The last part of the thesis is devoted to proving the accuracy of the numerical approach by validation with experiments of unstable primary drainage in a quasi-2D porous medium (i.e., Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles). We perform simulations under different boundary conditions and using different models (2-D integrated and full 3-D) and we compare several macroscopic quantities with the corresponding experiment. Despite the intrinsic challenges of modeling unstable displacement, where by definition small perturbations can grow without bounds, the numerical method gives satisfactory results for all the cases studied.

L'intérêt de l'analyse de l'activité en complément de tout outil d'évaluation de l'environnement psychosocial

L'analyse de l'activité reste le principal garant d'une bonne évaluation de la situation de travail et de l'environnement psychosocial. Elle permet de donner du contenu, de la substance et ainsi d'expliquer les données récoltées par questionnaire. Lors d'études à petite échelle et dans un contexte d'activité spécifique, l'analyse de l'activité devrait toujours accompagner l'utilisation d'autres outils d'évaluation. En effet, on voit ici que les échelles de Karasek ne traduisent pas toujours la réalité des diverses situations de travail, et l'autonomie décisionnelle de Karasek n'est ici pas un bon révélateur des possibilités d'ajustement et de la marge de manoeuvre. Ces échelles ont été initialement conçues pour être utilisées lors d'études épidémiologiques et donc sur de grandes populations où la spécificité de certaines activités influencerait ainsi moins le résultat global. Leur utilisation de façon plus ou moins abusive sur d'autres types de populations doit être questionnée