M1 - IDIL - Earth and water under global change (AWARE) – EARTH

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Ce module vise à fournir les bases des méthodes d’investigation de géophysique de proche de surface et en forage utilisée dans le domaine de l’hydrogéophysique. Ces approches visent d’une part à caractériser la structure du réservoir (géométrie, lithologies) mais aussi à détecter, localiser et quantifier les transferts de fluides. Nous aborderons aussi le traitement et l’analyse de ces données en utilisant les différents logiciels dédiés.

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Cette UE comporte une partie théorique permettant la compréhension des transferts et une partie plus pratique conciliant à la fois le terrain, la modélisation numérique et la réalisation d’études environnementales. L’hydrogéologie quantitative y est abordée au travers de solutions analytiques et numériques permettant de rendre compte des transferts dans le milieu souterrain.

Cette UE aborde notamment :

1) les outils mathématiques et équations fondamentales à la base des modélisations analytiques et numériques ;

2) les principes de la modélisation numérique (MDF) ; 

3) la méthodologie typique permettant la réalisation d’un modèle numérique 3D pour la simulation des écoulements et ;

4) l’analyse de scénarios intégrant forçages climatiques ou anthropiques pour une gestion optimale de la ressource en eau.

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Les trois grands modèles d'irrigation à l’échelle mondiale - la grande hydraulique, l’irrigation communautaire et l’irrigation privée - sont présentés dans leur contexte historique, sur la base d'une analyse documentaire approfondie et d'illustrations de cas concrets, en se concentrant sur la région méditerranéenne.

Ces trois modèles d'irrigation différents sont présentés (idéologie, construction, gestion de l'eau, développement agricole, acteurs, etc.) à l'aide d'un cadre théorique basé sur des oxymores. Ces modèles sont ensuite illustrés à travers différents cas concrets, présentés dans des présentations PowerPoint, des vidéos et des articles.

Les différentes références principales de chaque type de système d'irrigation seront présentées et débattues. Chaque modèle d'irrigation est discuté avec les étudiants, qui présentent leurs analyses à travers un exercice guidé. Une fois que les trois modèles d'irrigation sont compris, le cours se concentre sur l'analyse de modèles de développement rural, liés à l'irrigation. L'analyse est basée sur une analyse critique de la théorie dualiste du développement, appliquée aux systèmes d'irrigation.

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Le contenu du module s'articule selon six séquences :

1) Introduction  de l'UE : enjeux scientifiques et opérationnels des questions biogéochimiques et de  qualité de l'eau dans les bassins versants agricoles ;

2) Processus physico-chimiques et hydrologiques déterminant la disponibilité et la mobilité des phytosanitaires dans un bassin versant ;

3) TD : travaux dirigés de modélisation sur le transfert de phytosanitaires ;

4) Cycle biogéochimique du phosphore dans les agro-systèmes ;

5) Cycle et bilan de l'azote dans les bassins versants agricoles ;

6) TD :  Evaluation sur le bilan d'azote dans un bassin versant, diagnostic de la contamination des eaux de surface

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L’état d’un cours d’eau au sens de la DCE comprend deux aspects : un état chimique et un état écologique. Pour définir l’état écologique, plusieurs paramètres devront être pris en compte, y compris des paramètres liés au volume d’eau (via la mesure du débit) du cours d’eau. Dans cette UE, les étudiants seront amenés à effectuer des mesures de terrain ou en laboratoire visant à déterminer une partie des paramètres clefs dans la détermination de l’état d’un cours d’eau ou plus généralement utilisés dans les études hydrologiques (crues, évaluation de la ressource…).

4 volets seront abordés :

- le volet Hydrométrie, avec l’utilisation de différentes techniques de jaugeage (méthode point par point avec courantomètre électromagnétique, ADCP, méthode par dilution, jaugeage aux flotteurs, radar).

- le volet Hydrodynamique des sols, avec l’utilisation de plusieurs méthodes d’infiltrométrie pour déterminer la conductivité à saturation, le prélèvement de cylindres de sol pour détermination après séchage de la porosité, masse volumique sèche, et teneur en eau du sol.

- le volet Hydrochimie, avec :

• une partie sur le terrain (prélèvements et analyses avec un multiparamètres et un spectrophotomètre de terrain) pour les paramètres physico-chimiques (température, conductivité électrique, pH, oxygène dissous, TAC, PO4 et NO3, …)
• une partie en laboratoire (analyse et quantification de la présence de 4-tert-octlyphenol dans un échantillon d’eau de surface, par chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS/MS)) pour déterminer la présence à l’état de trace de contaminants émergents de la famille des alkylphénols ethoxylates (APEO), composés présents dans les produits comme les détergents, émulsifiants et solubilisants.

- le volet Hydrobiologie, avec la prise en compte de la présence ou absence de certaines espèces: les poissons, les invertébrés, les macrophytes (plantes aquatiques) et les diatomées (algues unicellulaires), en vue de la détermination d’indices spécifiques (IPR, IBGN, IBMR, IBD)  relatifs à la qualité biologique du cours d’eau.

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Cette UE présente les concepts fondamentaux permettant de comprendre la genèse et le fonctionnement des réservoirs géothermiques.

Dans un premier temps, les différents types de géothermies, depuis la très basse énergie jusqu'à la géothermie haute énergie pour la production d'électricité sont abordées en détail et font l'objet d'étude de cas réels. Un panorama à l’échelle de la planète est proposé afin d’évaluer le potentiel énergétique des ressources géothermiques.

L’UE se focalisera ensuite sur plusieurs points spécifiques à la géothermie, comme les mécanismes de transferts de masse et de chaleur dans les réservoirs. Ceux-ci seront abordés et illustrés sur des cas réels via la modélisation numérique. La signature géologique des réservoirs géothermiques, comme les altérations minérales, seront également étudiées en détails à travers des études de cas.

La problématique du stockage sera abordée en envisageant des applications comme le stockage souterrain du CO2, de chaleur ou d’énergie. L'influence des propriétés mécaniques des roches réservoirs, ainsi que des interactions entre les fluides stockés et les roches encaissantes, seront mises en évidence dans le but d’envisager la faisabilité et la pérennité de ces dispositifs de stockage.

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Le contenu de l’UE est organisé en 6 séquences de cours :
- Climat : variables météorologiques, grands climats de la Terre
- Bilan d’énergie de surface : flux radiatifs, conductifs et convectifs, bilan d‘énergie de surface,
évapotranspiration de référence (approches de Penman et Penman-Monteith)
- Plante : cycle de croissance et développement, phénologie, structure géométrique, photosynthèse, système racinaire,
eau dans le continuum sol-plante- atmosphère
- Modèles de culture : approche
de Monteith, contraintes hydriques
- Impact du changement climatique en agriculture

Objectifs* :

L’objectif du module est de fournir les bases théoriques de l’influence du climat sur la
production végétale. Les compétences visées sont la connaissance des fondamentaux
de l’écophysiologie et des relations entre climat, eau, et production végétale

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Définition, typologie et analyse approfondie  des réservoirs fracturés (NRF : naturally fractured reservoirs) dans différents contextes géologiques : différents types de roches (carbonates, argiles, socle), enfouissement, diagénèse, exhumation, plissement, endommagement de faille, refroidissement, changement minéralogique. Systèmes anthropiques de fracturation induite (hydraulique, thermique), applications aux réservoirs argileux (shale plays), aux argiles de couverture et aux sites de stockages.
Intégration de ces connaissances à l’exploration et l’exploitation des réservoirs fracturés.
Concept et workflow pour l’édition des DFN (discret fracture networks).
Intervention de Bertrand Gauthier de Total à titre gracieux sur 2 jours : Propriété statique et dynamiques des réservoirs fracturés pétroliers.

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Le contenu du module s'articule 3 séquences :

1) une séquence de définition des concepts, de prise en main d'un outil (R) et de rappels sur le vocabulaire en estimation statistique et son application au calage de paramètres hydrologiques ;

2) une séquence sur les méthodes d'analyse des incertitudes et de sensibilité et

3) une séquence sur l'assimilation de données appliquée à la modélisation hydraulique. L'UE sera également introduite par un exposé d'un cadre de bureau d'étude qui viendra présenter l'utilité de ce type d'approche en ingénierie.

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