identifier: Pedneault, J. (2022). Vers un futur circulaire à faible empreinte carbone: modélisation et optimisation prospectives des impacts et des flux d'aluminium  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Face à l'urgence climatique, l'industrie de l'aluminium doit trouver un moyen de réduire ses impacts environnementaux tout en continuant à répondre à une demande qui sera vraisemblablement croissante. Une transformation vers une économie circulaire, notamment à l'aide d'une amélioration du recyclage, a le potentiel de réconcilier ces deux objectifs qui peuvent sembler contradictoires. Cependant, le recyclage de l'aluminium est limité par la contamination inter-alliage lors de la refonte. Cette contamination mène à un recyclage en cascade où une perte de qualité est subie à chaque cycle. Cela laisse présager que des surplus d'aluminium recyclé trop contaminés pour être utilisés seront générés dans les prochaines années. L'ajout d'aluminium primaire à ce mélange permet aux recycleurs de compenser la perte de qualité, mais limite les gains environnementaux du recyclage et du système global, en plus de limiter sa circularité. Il est donc nécessaire de connaitre précisément les flux actuels et futurs d'aluminium et d'en évaluer les impacts environnementaux afin de mener une transformation circulaire de l'industrie. Les outils disponibles pour y arriver sont : l'analyse du cycle de vie (ACV) pour quantifier les impacts environnementaux de la production d'aluminium et ses alliages, l'analyse de flux de matière (AFM) pour comprendre la dynamique des flux et stocks, et ainsi quantifier la demande en aluminium et les stocks disponibles pour le recyclage, la modélisation par scénario pour mener des travaux prospectifs et la recherche opérationnelle pour optimiser un système. Une revue critique de littérature a permis d'identifier les principales limites de ces outils qui devront être surmontées. Premièrement, l'ACV n'est pas adaptée pour l'identification des impacts futurs ni pour l'identification des meilleures voies de réductions des impacts du système. Deuxièmement, les AFM existantes sur l'aluminium sont soit trop agrégées pour évaluer les flux et stocks au niveau de l'alliage, soit trop spécifiques à un seul secteur, ce qui ne permet pas d'analyser l'ensemble de l'industrie. Troisièmement, il a été montré que la modélisation par scénario est grandement utilisée pour mener des travaux prospectifs, mais que ceux-ci, par leur nature cas par cas, rend leur application et leur comparaison très difficile. Finalement, bien que l'optimisation soit au coeur de plusieurs définitions de l'économie circulaire, la recherche opérationnelle n'est que très rarement utilisée dans ce domaine. Une combinaison de cette discipline avec l'ACV et l'AFM assurerait des modélisations plus réalistes et pertinentes afin d'identifier les meilleures pistes d'amélioration selon les contraintes spécifiques de l'industrie. L'objectif général de cette thèse est de développer un modèle caractérisant et optimisant de manière prospective les flux de production et de consommation d'aluminium afin d'informer les acteurs de ce secteur industriel sur les leviers d'action pour minimiser les impacts environnementaux dans une perspective d'économie circulaire. Quatre objectifs spécifiques sont élaborés en ce sens. Le premier est d'évaluer les modèles prospectifs existants et d'identifier le plus approprié pour le combiner respectivement à l'ACV et à l'AFM dynamique. Le deuxième est de quantifier les impacts environnementaux prospectifs de la production d'aluminium primaire à l'aide de scénarios cohérents selon l'évolution des technologies de production et des mixes électriques. Le troisième est de quantifier les stocks et flux prospectifs d'aluminium et ses alliages selon une approche sectorielle à l'aide de scénarios cohérents. Le quatrième et dernier est de développer un modèle d'optimisation identifiant le tri des flux d'aluminium en fin de vie à effectuer afin de minimiser les impacts environnementaux tout en respectant la demande et selon une perspective systémique. Dans un premier temps, à la suite d'une évaluation des différentes familles de scénarios prospectifs existantes, la sélection du cadre des Shared Socioeconomic Pathways (SSP) a été faite. Les SSP sont des scénarios basés sur cinq narratives différentes par leur évolution socio-économique. Ce cadre permet l'évaluation des trajectoires d'émissions de gaz à effet de serre des différents scénarios en plus de servir de base à différentes études environnementales. Dans un second temps, une combinaison de la méthodologie de l'ACV et du cadre prospectif SSP a été faite, menant à la rédaction du premier article. Les résultats projettent une intensité carbone moyenne mondiale comprise entre 8,6 et 18,0 kg CO2 eq/kg d'aluminium primaire en 2100 comparativement à une valeur actuelle de 18.3 kg CO2 eq/kg d'aluminium. Ces valeurs sont encore plus faibles selon les scénarios d'atténuation assumant une plus grande et rapide décarbonisation des mixes électriques. Une analyse de contribution a montré qu'à l'échelle globale, la décarbonisation des mixes électriques a le plus grand potentiel de réduction d'émissions de gaz à effet de serre, alors que l'adoption d'un procédé d'électrolyse à anode inerte n'entraînerait que des réductions marginales. Dans un troisième temps, une AFM dynamique de l'aluminium et ses alliages a été réalisée afin de quantifier l'accumulation de stocks, la demande en aluminium et les flux à recycler des prochaines décennies. Cela a été fait en accord avec le cadre et les résultats des SSP et a mené à la rédaction du deuxième article. Les résultats ne montrent aucune saturation du stock mondial par habitant avant 2100, atteignant une fourchette comprise entre 200 et 400 kg par habitant selon le scénario socio-économique. Pour le scénario de statu quo, la demande annuelle mondiale s'élève à 100 Mt en 2050 et culmine à 130 Mt en 2090, montrant une saturation du stock total. Aucune inadéquation majeure entre la demande par alliage et les flux en fin de vie d'aluminium n'est observée. Cela signifie qu'avec un démantèlement et un tri approprié, les changements dans la demande d'alliages ne limiteraient pas la mise en oeuvre d'une industrie de l'aluminium circulaire. Finalement, un modèle d'optimisation du tri des flux d'aluminium en fin de vie ayant pour but de minimiser les impacts environnementaux de l'industrie a été développé, intégrant les résultats de l'ACV et de l'AFM. Cela a mené à la rédaction du troisième article. Un meilleur tri permet de réduire de 30% les impacts du système en réduisant la contamination inter-alliage ainsi que la demande en aluminium primaire. Une amélioration de la circularité par l'augmentation du recyclage mène automatiquement à la réduction des impacts environnementaux pour le secteur de l'aluminium. Des analyses de sensibilité ont montré qu'une augmentation du taux de collecte et du démantèlement a le potentiel de réduire davantage les impacts du système. Les résultats ont aussi permis d'identifier différentes boucles fermées qu'il convient de promouvoir en priorité dans des secteurs spécifiques, tels que celui de la construction et des canettes d'aluminium. Les principales limites de ce projet de recherche sont que les scénarios développés ne prennent pas en compte de potentiels changements disruptifs sociétaux ou technologiques, que la désagrégation géographique en cinq régions mondiales induit une certaine hétérogénéité dans les régions modélisées, que le modèle d'optimisation ne couvre que les aspects environnementaux et que les étapes intermédiaires de production et de transformation d'aluminium en produits finis ont été exclues des périmètres d'étude. Alors, que l'économie circulaire a un fort potentiel de changements, les outils utilisés doivent être adaptés et améliorés pour mener cette transformation. Cette thèse s'inscrit directement dans cette voie.  ABSTRACT: Facing a global climate crisis, the aluminum industry needs to find a way to reduce its environmental impacts while continuing to supply a demand that is likely to increase. A transformation towards a circular economy, through improved recycling, has the potential to reconcile these two objectives which may seem contradictory. Aluminum recycling is limited by inter-alloy contamination when several different alloys are mixed during the remelting process. This contamination leads to cascade recycling where a loss of quality occurs at each cycle. This suggests that a surplus of recycled aluminum, too contaminated to be used, will be generated in the coming years. The addition of primary aluminum to this mixture allows recyclers to compensate for this loss of quality but limits the environmental gains of recycling and of the overall system in addition to limiting its circularity. It is therefore necessary to precisely know the current and future flows of aluminum and to assess their environmental impacts in order to lead a circular transformation of the industry. The tools available to achieve this are: life cycle assessment (LCA) to quantify the environmental impacts of the production of aluminum and its alloys, material flow analysis (MFA) to understand the dynamics of flows and stocks and thus quantify the demand for aluminum and the stocks available for recycling, and scenario modeling for prospective works and operational research to optimize a system. A critical literature review has identified the main limitations of these tools that will need to be overcome. First, LCA is not suitable for identifying future impacts nor for identifying the best path to reduce the impacts of the system. Second, existing MFAs on aluminum are either too aggregated to assess flows and stocks at the alloy level, or too specific to a single sector, making it impossible to assess the entire industry. Third, it has been shown that scenario modeling is widely used to conduct prospective work, but the case-by-case nature makes its application and comparison very difficult. Finally, although optimization is part of several definitions of circular economy, operational research is only very rarely used in this field. A combination of this discipline with LCA and MFA would ensure more realistic and relevant modeling in order to identify the best levers of improvement according to the specific constraints of the industry. The general objective of this thesis is to develop a model characterizing and optimizing the flows of production and consumption of aluminum in a prospective manner in order to inform the actors of this industry on the levers of action minimizing the environmental impacts in a circular perspective. Four specific objectives were developed in this regard. The first is to evaluate the existing prospective models and identify the most appropriate to combine with LCA and dynamic MFA. The second is to quantify the prospective environmental impacts of the production of primary aluminum using consistent scenarios according to the evolution of production technologies and electricity mixes. The third is to quantify the prospective stocks and flows of aluminum and its alloys following a sectoral approach using consistent scenarios. The fourth and last is to develop an optimization model applied to the sorting of end-of-life aluminum flows in order to minimize environmental impacts with a systemic perspective. First, based on the evaluation of the different families of existing prospective scenarios, the Shared Socioeconomic Pathways (SSP) framework was selected. The SSPs are scenarios based on five narratives which differ by their socio-economic evolution. This framework allows the evaluation of greenhouse gas emission trajectories of each scenario in addition to serve as a framework for various environmental studies. Second, a combination of the LCA methodology and the SSP prospective framework was made leading to the writing of the first article. The results project a global average carbon intensity of primary aluminum production between 8.6 and 18.0 kg CO2 eq/kg in 2100 in comparison to a current value of 18.3 kg CO2 eq/kg aluminium. These values are even lower in the mitigation scenarios which assume a greater and faster decarbonization of electricity mixes. A contribution analysis showed that on a global scale, the decarbonization of electrical mixes has the greatest potential for reducing greenhouse gas emissions, while the adoption of the inert anode electrolysis process would result in marginal reductions. Third, a dynamic MFA of aluminum and its alloy was carried out in order to quantify the accumulation of stock, the demand for aluminum, and the flows to be recycled in the coming decades. This was done in line with the SSP framework and results, leading to the second article. The results show no saturation of the global stock per capita before 2100, reaching a range between 200 and 400 kg per capita depending on the socio-economic scenario. For the business-as-usual scenario, global annual demand rises to 100 Mt in 2050 and peaks at 130 Mt in 2090, showing a total stock saturation. No major mismatch between demand and end-of-life aluminum alloy flows has been observed. This means that with proper dismantling and sorting, changes in alloy demand would not limit the implementation of a circular aluminum industry. Finally, a model for optimizing the sorting of end-of-life aluminum flows with the aim of minimizing the environmental impacts of the industry was developed, integrating the results of LCA and MFA. This led to the third article. Improved sorting can reduce the impacts of the system by 30% by reducing inter-alloy contamination as well as the demand for primary aluminum. Improving circularity, by increasing recycling, automatically leads to reduced environmental impacts for the aluminum industry. Sensitivity analyses have shown how an increase of the collection rate and dismantling has the potential to further reduce the impacts of the system. The results also made it possible to identify different types of closed-loop recycling that should be promoted as a priority in specific sectors, such as construction and aluminum cans. The main limitations of this research project are that the scenarios developed do not take into account potential disruptive societal or technological changes, that the geographical disaggregation into five global regions induces a certain heterogeneity in each region, that the optimization model only covers the environmental aspects and that the intermediate stages of production and transformation of aluminum into products have been excluded from the scope of the studies. While a circular economy has a strong potential to drive changes, the tools available must be adapted and improved to lead a low carbon and circular transformation. This thesis is in line with those improvements.


identifier: Zorainy, M. Y. M. (2022). MIL Metal-Organic Frameworks: Synthesis, Post-Synthetic Modifications, and Applications  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Au cours des dernières décennies, la communauté scientifique du monde entier a assisté à l'émergence d'une nouvelle classe de matériaux poreux aux caractéristiques structurelles et chimiques incontestablement uniques. La découverte des charpentes organométalliques (MOF) a impressionné la communauté des zéolites et des matériaux poreux. La grande expansion dans ce domaine a comblé une lacune dans les dimensions des solides poreux. Depuis lors, les MOF sont en concurrence avec les zéolites et les oxydes métalliques dans diverses applications, notamment la catalyse, l'adsorption et la séparation de gaz, la photocatalyse et la détection. Dans cette thèse, les travaux de recherche ont été orientés vers la synthèse, la caractérisation, la modification post-synthétique et les applications de charpentes métalorganiques. Ici, nous avons sélectionné trois des MOF de type MIL bien connus. Ils possèdent tous une structure 3D construite à partir d'ions métalliques trivalents et du lieur ditopique de l'acide benzènedicarboxylique-1,4 (H2BDC); cependant, ils occupent des filets différents.  ABSTRACT: Over the past decades, the scientific community all over the world witnessed the emergence of a new class of porous materials with unquestionably unique structural and chemical features. The discovery of metal-organic frameworks (MOFs) impressed the community of zeolites and porous materials. The great expansion in this field fulfilled a gap in the dimensions of porous solids. Since then, MOFs have been competing with zeolites and metal oxides in various applications, including catalysis, gas-adsorption and separation, photocatalysis, and sensing. In this thesis, research studies were directed towards the synthesis, characterization, postsynthetic modification, and applications of metal-organic frameworks. Here, we selected three of the well-known MIL-type MOFs. They all possess a 3D structure built from trivalent metal ions and the ditopic 1,4-Benzenedicarboxylic acid linker (H2BDC); however, they occupy different nets.


identifier: Abbasipour, M. (2022). Stretchable and Durable Kirigami Inspired Electronics Based on Conductive Polymers  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'électronique portable et flexible est une nouvelle technologie qui attire l'attention de nombreux chercheurs en raison de ses applications potentielles dans plusieurs domaines, tels que les capteurs, le stockage d'énergie, les récupérateurs d'énergie et les écrans. Le principal défi des dispositifs électroniques étirables est de conserver leurs performances électriques et mécaniques sous de fortes contraintes cycliques. La combinaison d'un polymère élastomère et d'un polymère conducteur ainsi que la conception de la structure des dispositifs comptent parmi les stratégies pour fabriquer des structures extensibles et durables. Les dispositifs structurés en kirigami répondent potentiellement à ces critères en raison de leur géométrie unique  ABSTRACT: Wearable and flexible electronics are new technologies that attract many researchers' attention because of their potential applications in numerous fields such as sensors, energy storage, energy harvesters and displays. The main challenge of stretchable electronic devices is to maintain their electrical and mechanical performance under high cyclic strain. Mixing an elastomeric polymer with a conductive filler and structural design are among the strategies for fabricating stretchable and durable systems. Kirigami pattern is a kind of structural design that potentially meets these criteria due to its unique geometry.


identifier: Sanou, A. K. L. (2022). Modèle IoT de gestion du feu en temps réel dans les villes intelligentes  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Chaque année, nous observons des milliers d'incendies résidentiels dans nos villes. Ces incendies causent de nombreux décès et dommages matériels. Au Québec, il y a en moyenne 16 500 incendies par année dont au moins 5 600 sont des incendies résidentiels. Entre 2015 et 2017, les incendies ont causé 131 décès et 540 millions de dollars CAD de dommage en moyenne par année. En 2018, il y avait 11 046 incendies avec 91 décès et 836.1 millions de dollars CAD de dommages en Ontario. Les personnes chargées d'intervenir en cas d'incendies sont les sapeurs-pompiers. Ces derniers disposent d'un temps très étroit (i.e., 5 à 10 minutes) pour sauver le maximum de personnes et arrêter la propagation des incendies. Pour aider les sapeurs-pompiers dans leurs tâches, de nombreuses solutions utilisant les Technologies de l'Information et de la Communication » (TIC) ont été mises en place. L'avènement des villes intelligentes et des nouvelles technologies, tels que le réseau 5G, les objets connectés « Internet of Things » (IoT) et la technologie « Building Information Model » (BIM), ont permis la création de solutions innovantes. Cependant, ces solutions présentent quelques lacunes comme l'incapacité de fonctionner en temps réel et de s'adapter à la plupart des situations d'incendie. Dans ce mémoire, nous proposons un nouveau modèle de gestion des incendies en temps réel. Ce modèle exploite les systèmes distribués et l'architecture microservice pour fournir un système robuste, adaptable et évolutif. Le modèle proposé est composé de quatre modules : le réseau de capteurs sans fil « Fire Emergency Sensor Network » (FESNet), l'application distribuée, les applications clients et un serveur Web qui agit comme intermédiaire entre l'application distribuée et les applications clients. Afin de valider notre modèle, un prototype capable du traitement de l'information en temps réel et de l'affichage des bâtiments en 3D a été implémenté. Nous avons effectué trois simulations en utilisant l'algorithme « Parallel Merge Sort » pour le triage des données.  ABSTRACT: Every year, we see thousands of residential fires in our cities. These fires cause many deaths and property damage. In Quebec, there are an average of 16,500 fires per year of which at least 5,600 are residential fires. Between 2015 and 2017, fires caused 131 deaths and CAD 540 million in damage on average per year. In 2018, there were 11,046 fires with 91 deaths and CAD 836.1 million in damage in Ontario. The people responsible for responding to fires are the firefighters. Firefighters have a very limited amount of time (i.e., 5 to 10 minutes) to save as many people as possible and to stop the fire prorogation. To help firefighters in their tasks, many solutions using Information and Communication Technologies (ICT) have been implemented. The advent of smart cities and new technologies, such as the 5G network, the Internet of Things (IoT) and the Building Information Model (BIM), have allowed the creation of innovative solutions. However, these solutions have some shortcomings such as the inability to operate in real time and to adapt to most fire situations. In this dissertation, we propose a new model for real-time fire management. This model exploits distributed systems and microservices architecture to provide a robust, adaptable and scalable system. The proposed model is composed of four modules: The Fire Emergency Sensor Network (FESNet), the distributed application, the client applications and a Web server that acts as an intermediary between the distributed application and the client applications. To validate our model, a prototype able to process the information in real-time and to display the buildings in 3D, was implemented. Moreover, we perform three simulations using the Parallel Merge Sort algorithm.


identifier: Dubuc, J. (2022). Performance Evaluation of Electro-Fenton for Thiosalts Treatment in Mine Effluents  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les thiosels sont des intermédiaires de soufre partiellement oxydés, formés lors de l'oxydation des minéraux sulfurés et sont responsables de l'acidité retardée, entraînant une toxicité aquatique dans les plans d'eau récepteurs. Les cycles de gel/dégel, induits par les changements de saison dans les régions nordiques, sont connus pour accélérer la cinétique d'oxydation du soufre, ce qui entraîne une augmentation des concentrations de thiosels dans les effluents miniers. Des concentrations aussi élevées que 15 g/L de thiosulfates (S2O32-) ont récemment été rapportées dans une étude évaluant l'effet des cycles de gel/dégel sur la stabilité des résidus miniers. Les limites de la neutralisation chimique, en tant que pratique de gestion des thiosels actuellement privilégiée, nécessitent le développement de technologies émergentes. De plus, les stratégies de traitement d'eau dans les pays nordiques au climat froid sont principalement limitées par leur incapacité à traiter des concentrations extrêmes de thiosels. Par conséquent, une attention particulière aux technologies émergentes qui sont également adaptées au climat froid est nécessaire. Récemment, le procédé électro-Fenton (EF) a été prouvé efficace pour le traitement des thiosels présents dans des effluents miniers synthétiques, même lorsque la température de l'eau était de 4C. Afin de faire progresser la compréhension générale de cette approche de traitement, une évaluation de la performance du procédé a été effectuée à la fois sur des effluents miniers synthétiques et réels. Le terme « performance » a été défini comme étant l'efficacité d'enlèvement des contaminants, la toxicité résiduelle associée et les coûts d'opération, les trois composantes majeures du projet. Des essais de traitement par EF ont été réalisés à l'aide de paramètres pré-optimisés (cathode de brosse en fibre de carbone, anode de diamant dopé au bore revêtue d'un seul côté avec comme substrat le Nb, intensité de courant = 0,3 A, densité de courant = 0,006 A/cm2, et [Fe2+] initiale = 0,2 mM). Dans cette étude, les concentrations de H2O2 n'ont pas été mesurées, mais la production de H2O2 a été prouvée, dans les travaux préliminaires d'optimisation des paramètres opératoires. L'efficacité d'enlèvement des contaminants a été évaluée sur quatre effluents miniers réels différents, sélectionnés en fonction de leur origine géographique (nord du Québec, Canada) et de leurs différentes concentrations en S2O32- (219 ± 21 mg/L, 32 mg/L, 0 mg/L et 58 mg/L pour E1, E2, E3 et E4, respectivement). Des essais de traitabilité ont ensuite été réalisés sur des effluents synthétiques « simplifiés », correspondants aux effluents réels, avec et sans ajout d'alcalinité, afin d'étudier les mécanismes sous-jacents. L'influence de la salinité chlorurée [liée à la présence des chlorures (Cl-)] sur l'efficacité du procédé a également été étudiée sur l'effluent E1 à 2 et 4 g/L de CaCl2, à pH 3 et pH 5. Les solutions résultantes ont été traitées comme à l'habitude. Pour l'évaluation de la toxicité résiduelle, E1 et E4 ont été testés pour la toxicité aiguë sur Daphnia magna, à la fois avant et après le traitement par EF. Enfin, une analyse technico-économique préliminaire a été réalisée pour évaluer les coûts d'opération, en termes de consommation énergétique, de coûts des réactifs et des électrodes, pour le nord du Québec par rapport au reste du Canada et aux États-Unis. Les résultats d'efficacité d'enlèvement des S2O32- étaient encourageants : un enlèvement complet (> 99 %) a été obtenu en moins de 60 min pour tous les effluents testés, y compris les effluents synthétiques correspondants, avec et sans alcalinité, indépendamment de la concentration en Cl-. Cependant, l'alcalinité a été identifiée comme étant un inhibiteur du procédé pour l'enlèvement des thiosels, ce qui a entraîné une augmentation du temps de traitement de 0.25 sec dans E2 à 12 min dans son effluent synthétique correspondant en présence d'alcalinité. En revanche, l'influence de la salinité chlorurée sur l'efficacité du procédé semble être plus complexe. Il a été observé que l'oxydation des S2O3 était plus rapide à pH 5 qu'à pH 3, et plus rapide à 4 g/L de CaCl2 qu'à 2 g/L de CaCl2, avec E1 non-modifié montrant la cinétique d'oxydation des S2O32- la plus lente. Ces observations sont conformes à la littérature, qui semble indiquer que les Cl- interfèrent avec le traitement des thiosels via leur interaction avec le Fe2+ dans la plage de pH optimal de la réaction de Fenton. De plus, les espèces oxydantes du Cl- formées à l'anode pourraient accélérer le traitement, tandis que leur réaction avec les HO• pourrait ralentir l'oxydation des thiosels. Les résultats de l'évaluation de la toxicité résiduelle ont révélé que la matrice initiale n'avait aucun impact sur la toxicité finale pour D. magna, pour ni l'un ni l'autre des effluents testés. L'effluent E1 présentait initialement une mortalité des daphnies, mais était inférieur au seuil de toxicité aiguë (CL ˂ 50 %). L'oxydation complète des thiosels dans E1 a entraîné l'élimination de la mortalité de D. magna pour l'ensemble de la population. Le traitement de l'effluent E4, qui présentait initialement une toxicité aigüe (CL > 50 %) pour les daphnies, a entraîné une élimination complète de la toxicité et de la mortalité. Les résultats de l'analyse technico-économique préliminaire ont montré que la consommation d'énergie était le principal contributeur (58‒64 %) aux coûts d'opération totaux, lorsque le diesel était la principale source d'énergie (nord du Québec), alors que les coûts des électrodes étaient largement supérieurs (76‒77 %), lorsque l'hydroélectricité était utilisée (juridictions centrales du Canada et des États-Unis). Les résultats de cette étude ont permis de mieux comprendre les mécanismes généraux régissant l'oxydation des thiosels par EF dans des eaux minières réelles. De plus, il a été démontré que, dans certains cas, le procédé ne génère aucune toxicité résiduelle et qu'il peut même réduire ou éliminer la toxicité initiale de l'effluent. Bien entendu, d'autres études en termes de toxicité associée au traitement par EF devront être faites afin d'approfondir ces nouvelles connaissances. L'analyse technico-économique préliminaire a permis de déterminer que le procédé pourrait être économiquement viable dans l'industrie minière (sauf dans le Nord où les coûts élevés de l'électricité défavorisent l'implantation de technologies de traitement des eaux électrochimiques), mais des études devront être  faites pour trouver des matériaux d'électrode  qui sont moins dispendieux. Globalement, au cours de l'exécution de ce projet, des informations cruciales ont été acquises, constituant un point de départ dans le domaine de la recherche appliquée pour le développement de l'EF en tant que nouvelle technologie de traitement des eaux minières efficace et écologiquement durable.  ABSTRACT: Thiosalts are partially oxidized sulfur intermediates formed during the oxidation of sulfide minerals and are responsible for delayed acidity, leading to aquatic toxicity in receiving water bodies. Freeze/thaw (F/T) cycles, induced by season changes in northern regions, are known to accelerate sulfur  oxidation  kinetics,  which  entails  increased  thiosalts  concentrations  in  mine  water. Concentrations as high as 15 g/L of thiosulfates (S2O3 have recently been reported in a study evaluating the effect of F/T cycles on the stability of mine waste. The limitations of chemical neutralization, used as the current preferred thiosalts management practice, entail the development of emerging technologies. In addition, water treatment strategies in northern countries are mainly limited by their inability to deal with extreme thiosalt contamination. A particular focus on emerging technologies that are also suitable in cold climate is necessary. Recently, the electro-Fenton (EF) process has been reported as effective for thiosalts treatment in synthetic mine water, even when the temperature of the water was as low as 4C. To further advance the general understanding of this approach, a performance evaluation was conducted on both synthetic and real mine effluents. The term “performance” was defined as contaminant removal efficiency, associated residual toxicity, and operating costs, the three components of the project. EF treatment tests were performed using pre-optimized parameters (carbon fiber brush cathode, single-side coated Nb/boron-dopped diamond plate anode, current intensity = 0.3 A, current density = 0.006 A/cm2 and initial [Fe2+] = 0.2 mM). In this study, H2O2 concentrations were not measured, but H2O2 production was proven during the preliminary work to optimize the operating parameters. Contaminant removal efficiency was evaluated on four different real mine effluents, selected based on their geographical origin (northern Quebec, Canada) and differing S2O3 concentrations (219 ± 21 mg/L, 32 mg/L, 0 mg/L and 58 mg/L for E1, E2, E3 and E4, respectively). Treatability tests were then performed on “simplified”, corresponding synthetic effluents, with and without addition of alkalinity, to investigate underlying mechanisms. The influence of chlorinated salinity (related to the presence of Cl-) on the EF process performance was also studied on effluent E1 at 2 and 4 g/L CaCl2, at pH 3 and pH 5. Resulting solutions were treated as per usual. For the assessment of residual toxicity, E1 and E4 were tested for acute toxicity to Daphnia magna, both before and after EF treatment. Finally, a preliminary techno-economic analysis was conducted to evaluate operating costs, in terms of energy consumption, reagents and electrode costs, for northern Quebec vs the rest of Canada and the USA.Thiosulfate removal efficiency results were encouraging. Complete removal (> 99%) was achieved under 60 min for all effluents tested, including corresponding synthetic effluents, with and without alkalinity, and independent of the Cl- concentration. Alkalinity was identified as a process inhibitor, resulting in an increased treatment time from 0.25 sec in E2 to 12 min in its corresponding synthetic effluent when alkalinity was added. The influence of chlorinated salinity on the process performance seemed more complex. It was observed that S2O32- removal was faster at pH 5 than pH 3, and faster at 4 g/L CaCl2 than at 2 g/L CaCl2, with unmodified E1 showing the slowest S2O 2- oxidation kinetics. These observations were in accordance with the literature, which seems to indicate that Cl- interfere with thiosalts treatment via their interaction with Fe2+ at the optimal pH range of the Fenton reaction. Furthermore, oxidative Cl- species formed at the anode could accelerate the treatment, whereas their HO•-scavenging properties could slow down thiosalts oxidation. Results of the residual toxicity assessment revealed that the initial matrix had no impact on the acute toxicity to D. magna for all effluents tested. Effluent E1 showed D. magna mortality initially but was below the acute toxicity threshold (LC ˂ 50%). Complete oxidation of thiosalts in E1 resulted in the elimination of D. magna mortality. EF treatment of effluent E4, which was initially acutely toxic, resulted in the elimination of toxicity to D. magna. Results of the preliminary techno-economic analysis showed that energy consumption was the main contributor (58‒64%) to the total operating costs, when diesel was the main power supply (northern Quebec), whereas electrode costs were highly superior (76‒77%), when hydroelectricity was used (central jurisdictions of Canada and the USA). The results of this study provided a better understanding of the general mechanisms governing the oxidation of thiosalts by EF in real mine water. In addition, it has been shown that, in some cases, the process does not generate any residual toxicity and can even reduce or eliminate the effluent's initial toxicity. Further studies in terms of toxicity associated to EF treatment will need to be done in order to deepen the acquired knowledge. The preliminary techno-economic analysis showed that the process could be economically viable in the mining industry (except in the North where the implementation  of  electrochemical  water  treatment  technologies  is  unfavored  due  to  high electricity costs), but studies will need to be done to identify alternative electrode materials that are less expensive. Overall, during the execution of this project, crucial information was acquired, constituting a starting point in the field of applied research for the development of EF as a new efficient and environmentally sustainable mine water treatment technology.


identifier: Sattaridaghian, F. (2022). Wearable Internet of Medical Things (IoMT) 5G Secure Remote Monitoring System Model in Smart Cities  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'importance de la santé est indéniable dans notre vie, et nous sommes témoins d'un développement rapide dans ce domaine chaque jour. En effet, l'un des aspects les plus critiques de cette évolution pourrait être la contribution entre les objets connectés (IoT) et les systèmes de soins de santé. Aujourd'hui, les services de santé tirent un avantage considérable de l'IoT. Ceci permet de fournir de meilleurs services aux patients et d'aider les installations du personnel médical. L'utilisation de cette technologie pour collecter davantage de données sur la santé, les services de santé à distance, la prévision des maladies et la fourniture de systèmes de surveillance avancés est de plus en plus courante. Néanmoins, outre toutes ces améliorations, de nouveaux défis et problèmes sont apparus, tels que la confidentialité, la sécurité, la consommation d'énergie, la capacité de stockage, le traitement des données massives, etc. Dans ce mémoire, nous nous concentrons sur la santé en considérant la ville intelligente et ses caractéristiques. Nous utiliserons les objets connectés médicaux portables « Internet of Medical Things » (IoMT) pour fournir un système de surveillance de la santé à distance efficace et sécurisé. Dans un premier temps, nous examinerons les cadres d'interopérabilité actuels utilisés pour aider à fusionner les données de santé générées par les patients et les dossiers médicaux électroniques, et nous proposerons une solution pour préparer un système de surveillance de la santé en temps réel et évolutif. Ensuite, nous concevrons un modèle qui prend en charge différents types de données IoMT portables et leur interopérabilité. Il convient de mentionner que les données d'électrocardiogramme (ECG) sont considérées comme un exemple de données de capteur IoMT pour le cas d'utilisation pratique du modèle.  ABSTRACT: The importance of healthcare is undeniable in our lives, and we are witnessing rapid development in this area everyday. Indeed, one of the most critical aspects of this evolution could be the contribution between the Internet of Things (IoT) and the healthcare systems. Today, healthcare services are benefiting significantly from IoT. This is providing better services to patients and helping medical staff facilities. The use of this technology to collect health data, remote health services, disease prediction and providing advanced monitoring systems is becoming more common. Besides all these improvements, new challenges and issues have emerged, such as privacy, security, energy consumption, storage capacity, big data processing, etc. In this dissertation, we focus on health by considering the smart city and its features. We will use the wearable Internet of Medical Things (IoMT) to provide an efficient and secure remote health monitoring system. At first step, we will examine the current interoperability frameworks used to help merge patient-generated health data and electronic medical records, as well as provide a solution to prepare a real-time and scalable health monitoring system. Then, we will design a model that supports different types of wearable IoMT data and interoperability between them. It is worth mentioning that electrocardiogram (ECG) data is considered as an example of IoMT sensor data for the practical use case in the model.


identifier: Lesani, S. (2022). Multi-Model Assessment of Climate Change Impacts on the Streamflow Conditions and Hydropower Potential in the Kasai River Basin,Central Africa  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les changements climatiques peuvent modifier les caractéristiques de l'écoulement fluvial et son potentiel de production d'hydroélectricité. Par conséquent, comprendre l'impact du changement climatique sur les conditions d'écoulement est essentiel pour promouvoir une gestion durable des ressources en eau et en énergie dans diverses régions. L'approche commune pour évaluer les impacts du changement climatique sur les systèmes de ressources en eau est basée sur l'utilisation des sorties des modèles de circulation générale (MCG) et sur leur introduction dans des modèles hydrologiques pour simuler l'écoulement naturel à l'avenir. Bien que cette méthode soit largement utilisée par la communauté des chercheurs pour l'évaluation des impacts, certaines incertitudes sont attribuées aux modèles hydrologiques et aux MCG. En particulier, dans les régions où les données sont rares, la représentation des bassins versants, même dans des conditions historiques, est très difficile.  ABSTRACT: Changes in climate can alter the characteristics of streamflow and its potential to generate hydroelectricity. Therefore, understanding the impact of climate change on streamflow conditions is essential to promote sustainable water and energy resource management in various regions. The common approach to assess climate change impacts on water resources systems is based on using the outputs of General Circulation Models (GCMs) and forcing them into hydrological models to simulate natural streamflow in the future. While this method is widely used among the research community for impact assessment, there are some uncertainties attributed to both hydrological models and GCMs. In particular, in data scarce regions, representation of catchments even under historical conditions is highly challenging. Central Africa is an example of such regions with limited and poor hydroclimatic data quality. With a technically feasible potential of about 100,000 MW, the Congo River Basin has the largest hydropower potential in Africa and is one of the largest worldwide. However, only about 2.5% of this potential has been developed so far. This hydroelectric potential depends entirely on the potentials of the main tributaries, including the Kasai River. The Kasai River Basin (KARB) in Central Africa is the main sub-watershed of the Congo River Basin. It covers 897,500 km2 yet includes less than five active stations with limited data over time. Due to rich natural resources of minerals, water, and fertile lands, this area is one of the Special Economic Zones of the Democratic Republic of Congo. The great hydropower potential within the basin as a clean energy source can effectively accelerate the region's economic growth. However, the reliability of such a water-dependant resource has been understudied under changing climate. The low adaptive capacity, lack of integrated water resource management, and water-dependent economy make the KARB vulnerable to climate change.


identifier: Kabuya Mukendi, J. (2022). Optimisation de la conception des pentes à la mine de Mont-Wright  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'instabilité des pentes minières constitue un enjeu majeur pour l'exploitation d'une mine à ciel ouvert, car les conséquences potentielles sont nombreuses et touchent des aspects sociaux, sécuritaires, économiques, environnementaux et règlementaires. Par conséquent, la conception de ces pentes minières doit être optimale en tenant compte de cet enjeu et en garantissant la rentabilité de tout projet minier. L'objectif principal de cette thèse était d'améliorer la gestion du risque d'instabilité des pentes minières à la mine de Mont-Wright. Une méthode de quantification des dommages induits au massif rocheux par un dynamitage a été établie à l'aide des données historiques d'analyse de la stabilité des pentes recueillies avec un radar à la fosse Paul's Peak. Ces données ont été analysées et interprétées pour déceler les dommages induits aux massifs rocheux par la production minière à l'échelle régionale ou locale. Une charte d'évaluation des dommages post-dynamitage a été utilisée aux fins de cette analyse. Celle-ci prévoit un certain niveau de dommage en fonction du temps nécessaire pour que le taux de déformation redevienne constant. C'est ainsi que la matrice des dommages post-dynamitages du projet minier Offload a été établie. La nouvelle approche axée sur l'évaluation des dommages post-dynamitage et de la stabilité des pentes à l'aide du radar a fourni les données nécessaires pour justifier une conception plus agressive et rentable du projet minier. Il a également été démontré que la surveillance à l'aide du radar après dynamitage peut à la fois améliorer la productivité en réduisant les retards de production et permettre une gestion efficace du risque associé au retour des activités minières dans des zones où un fluage transitoire est observé. À la fosse Irène, le risque de rupture de multiples bancs a été détecté par un radar après le dynamitage au pied d'une haute pente. Le plan de gestion des risques a été instauré pour atténuer ce risque important en optimisant les paramètres de dynamitage et en évaluant l'impact sur le massif rocheux de chaque dynamitage. Une campagne de trous signature a été réalisée pour déterminer les vitesses de propagation des ondes associées aux différentes lithologies étudiées. Les propriétés géomécaniques des massifs rocheux ont permis de déterminer la limite de vibration maximale à respecter. Ensuite, la zone d'exploitation ciblée a été modélisée à l'aide du logiciel I-Blast afin d'optimiser les séquences de tir à utiliser. L'analyse des déformations de la haute pente n'a pas révélé de dommages importants à celle-ci qui aurait été causée par les dynamitages de production effectués sur le site. Les mesures d'atténuation des dynamitages qui ont été implantées et l'évaluation de l'impact sur le massif rocheux de chaque dynamitage ont permis de poursuivre l'exploitation minière sans provoquer la rupture de la haute pente. Une rétro-analyse de la rupture d'une haute pente dans une mine à ciel ouvert a été réalisée au moyen de la modélisation numérique. Des modèles numériques ont été élaborés et calibrés pour simuler la rupture à l'aide du logiciel SLIDE3, utilisé comme outil principal. Le premier modèle a permis de simuler des massifs rocheux isotropes. L'anisotropie des massifs rocheux et le pendage de la foliation, qui dépendait de l'altitude, ont été introduits successivement pour confirmer l'emplacement de la surface de rupture. Une fois la surface de rupture établie, la résistance des structures a été réduite et les pressions des eaux souterraines ont été considérées pour qu'un facteur de sécurité proche du seuil critique de 1,0 soit atteint. Pour simuler efficacement la rupture de la pente, la résistance de la famille de joints subhorizontaux a été affaiblie afin de déclencher la rupture du pied. Par la suite, une section traversant la masse susceptible à la rupture a été analysée à l'aide du logiciel de modélisation par éléments finis RS2 afin d'explorer la possibilité de mécanismes de rupture non simulés dans le calcul à l'équilibre limite de SLIDE3. Des facteurs de sécurité (ou facteurs de réduction de la résistance au cisaillement) similaires ont été calculés dans les modèles calibrés de SLIDE3 et de RS2 à l'aide d'hypothèses de base similaires. Il a été conclu que les résultats reproduisaient de manière satisfaisante le mécanisme de rupture observé. Ceux-ci pourront servir de référence dans le cadre d'analyses de conception géotechnique futures, là où se trouvent des conditions in situ similaires. La rétro-analyse a démontré qu'une excellente compréhension de la variabilité géologique associée à des environnements structuraux complexes est nécessaire pour optimiser la conception des pentes minières. À la fosse Z, en raison du risque important de rupture des pentes de la fosse Irène et de la forme convexe similaire observée dans la conception actuelle de cette fosse, l'analyse de la stabilité des pentes a été initiée dans le cadre du plan de gestion des risques. Tout d'abord, la base de données géotechniques a été préparée et validée. Ensuite, les domaines structuraux ont été définis en fonction des orientations des discontinuités. Enfin, une évaluation de la stabilité des pentes a été réalisée. Une analyse cinématique a été effectuée pour évaluer la stabilité à l'échelle d'un banc, et l'angle de la face de la pente a été déterminé en fonction de la probabilité de rupture. Les résultats de cette évaluation indiquent que la conception de la fosse Z devrait être modifiée pour répondre aux critères d'acceptabilité géotechniques établis pour ce projet. La forme de la pente dans la partie est de la fosse Z a été également modifiée dans la conception proposée. Par ailleurs, la construction du mur final sud-est de la fosse Z a posé un énorme défi, puisqu'il a fallu atténuer le risque de rupture de pente causé par la variabilité spatiale de l'orientation de la foliation. La méthodologie basée sur le nettoyage de la face de la pente, l'analyse de conformité de la conception, les relevés géophysiques, la modification des techniques de dynamitage ainsi que la surveillance radar avait été mise en place afin de construire une pente optimale et de poursuivre l'exploitation en toute sécurité. Les blocs rocheux suspendus sur la face de la pente présentaient un risque pour la sécurité. Pour éliminer ce risque, l'écaillage secondaire de la pente a été réalisé et les blocs rocheux ont été dynamités le long de la foliation. La comparaison des bancs construits avec les bancs conçus a été réalisée à partir de la photogrammétrie de la face de la pente afin d'évaluer la performance de la pente. La différence significative observée était due aux orientations locales des familles de discontinuités qui n'avaient pas été détectées au moment de la conception de la pente. Les relevés structuraux ont alors été nécessaires. Les résultats des relevés optiques et acoustiques ont indiqué que le plan sur lequel la rupture s'était produite était un plan de foliation associé au litage qui changeait de direction. Les résultats ont aussi indiqué que le litage était plutôt orienté vers la fosse et que la pente devrait être développée comme une pente dont le pendage est celui de la foliation. Avec une meilleure compréhension de la variabilité de l'orientation de la foliation, des conceptions améliorées de dynamitage étaient requises. Le dynamitage des panneaux à face libre parallèle à la foliation a été recommandé. Ceci a permis d'ajuster le pendage de la pente en fonction de l'orientation de la foliation mesurée le long d'une face libre au même niveau que celui à miner. Enfin, des seuils d'alarmes ont été fixés dans le SSR, et un plan d'intervention à la suite des alarmes a été mis en place pour surveiller le risque d'instabilité de la pente. La pente finale construite a présenté de bonnes performances par rapport aux bancs supérieurs en réduisant le risque de chute de blocs rocheux. Somme toute, cette thèse a permis de définir un cadre pour mettre au point des outils décisionnels, des approches et des concepts, le tout dans l'optique de contribuer à l'optimisation de la conception des pentes minières. Dans le cas de la mine de Mont-Wright, ce cadre a permis de poursuivre l'activité minière en toute sécurité et de garantir d'importants bénéfices liés à différents projets. De plus, la gestion du risque d'instabilité des pentes minières à la mine de Mont-Wright se fait maintenant suivant une approche proactive plutôt que réactive.  ABSTRACT: Mine slope instability is a significant issue for operating an open mining pit as it has numerous potential social, safety, economic, environmental, and regulatory impacts. Therefore, optimizing the design of these mining slopes must consider this issue and ensure the profitability of the mining projects.  The main goal for this thesis was to improve risk management for mine slope instability at the Mont-Wright mine in northeastern Quebec. A process for quantifying the rock mass damage due to blasting was define using historic slope stability radar (SSR) data collected at Paul's Peak mine. The data was reprocessed, analyzed, and interpreted to identify rock mass damage caused by production on a regional or local scale. The post-blast damage rating chart, which assumes a degree of damage based on the time it takes for the local deformation trend to return to background rates, was applied for this analysis. As a result, the post-blast damage rating matrix of the Offload mining project was established. The novel approach for post-blast damage and slope stability assessments using SSR effectively provided the information required to justify a more aggressive and profitable mine design. It has also been shown that the post-blast slope stability monitoring with SSR can both improve productivity by decreasing delays overly to production and at the same time effectively manage the risk associated with re-entry in areas where transient creep is observed. At Irene pit, the risk of multiple bench failures was detected by SSR following blasting at the foot of a highwall. The risk management plan was initiated to mitigate this significant risk by optimizing blasting parameters and assessing the response of the rock mass to each blast. A signature hole operation was conducted to determine the wave propagation velocities associated with the different lithologies studied. The geomechanical properties of the rock masses determined the maximum peak particle velocities to be respected. Subsequently, the targeted area of operation was modeled with the I-Blast software to optimize the firing sequences to be used. The damage to the highwall from blasting was quantified using the post-blast damage approach developed previously. The analysis of post-blast highwall deformations did not reveal significant highwall damage due to the production blasting conducted at the mine site. The blasting mitigation measures implemented and assessing the rock mass response to each blast allowed mining to continue without causing the highwall to fail. A numerical modeling study to back analyze a highwall instability event in an open pit has been completed. Numerical models were developed and calibrated to simulate the event using SLIDE3 as the primary tool. The first model simulated isotropic rock mass strengths without incorporating directional weakness along the predominant orientations of discontinuities. Directionally-dependent strength of the jointed rock mass and elevation-dependent foliation dip were introduced successively to confirm the failure surface. Once the failure surface was established, the structure's strength was reduced, and groundwater pressures were considered to reach a Factor of Safety approaching the critical target of 1.0. To effectively simulate the highwall's failure, the sub-horizontal joint set was weakened to initiate toe breakout. Subsequently, a section through the failure mass was analyzed using RS2 finite element modeling software to explore the possibility of failure mechanisms not simulated in SLIDE3's limit equilibrium calculation. Similar Factors of Safety (or shear strength reduction factors) were produced in the calibrated SLIDE3 and RS2 models using similar inputs assumptions. The results were judged to reproduce the observed failure mechanism satisfactorily. They may be referenced for future geotechnical design analyses where similar geotechnical conditions or features exist. The back-analysis highlights that an excellent understanding of the geological variability associated with complex structural environments is required to optimize mining slope design. At Z pit, due to the significant highwall failure risk observed in the Irene pit walls and the similar convex shape included in the current Z pit design, the slope stability review was initiated as a part of the risk management plan. First, the geotechnical and structural database was prepared and validated. After that, the structural domains were defined based on joints orientations. Finally, a slope stability assessment was conducted. A classic kinematic evaluation was conducted for bench scale stability assessment, and the bench face angle was estimated based on the probability of failure. Stability results indicate that the Z pit required redesigning to meet the geotechnical acceptance criteria developed for this project. The wall shape in the eastern portion of the Z pit was changed in the proposed design. Otherwise, it was a huge challenge to build the final southeastern wall of the Z pit by mitigating the risk of slope failure caused by the spatial variability of the foliation orientation. The methodology was mainly based on the bench cleanup, the design compliance analysis, the televiewer surveys, the modification of blasting techniques, and the radar monitoring to achieve optimal slope and to continue mining safely. The slabs remaining on the bench face created a potential safety hazard that should be removed. Secondary scaling of bench faces was performed, and other slabs that remained were blasted along the foliation. The comparison of the as-built benches and the designed benches was conducted from a photogrammetric survey on the exposed wall to assess the performance of the benches. The significant difference observed was due to the local orientations of the discontinuity set, which had not been detected at the time of the slope design. The structural geology surveys were then required. The results of the optical and the acoustic televiewer surveys suggested that the plane on which the rupture occurred is a plan of foliation associated with the bedding, which changes direction. Also, the results indicated that the bedding is rather oriented towards the pit and that the wall should be developed as a footwall following the foliation dip. With an increased understanding of foliation variability, improved blast designs were required. Trim blasting parallel to the foliation with a free face was therefore recommended. This provided an opportunity to adjust the bench face angles based on measured foliation orientation along a free face at the same level as that to be mined. Finally, a project-specific trigger action response plan was developed. Alarm thresholds were set, and an intervention plan following radar alarms was implemented to control the slope instability risk. The final wall built presented good blast performance compared to the bench above by reducing rockfall hazard through a cleaner bench face. In summary, this thesis has provided a framework where decision-making tools, approaches, and concepts were developed to optimize mine slope design. In the case of the Mont-Wright mine, this framework has allowed continuing mining safely and secure significant profits from various projects. In addition, slope instability risk management at Mont-Wright now has a proactive approach rather than a reactive one.


identifier: Samsamipour, F. (2022). River ice tracking and velocity estimation using remote sensing method and numerical modelling  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RÉSUMÉ:En raison du temps très froid au Canada, les rivières gèlent pendant les saisons froides et des banquises apparaissent à la surface de la rivière, ce qui modifiera les principes hydrauliques de la rivière. Les rivières gelées affectent considérablement l'environnement et l'économie, par exemple en endommageant les infrastructures hydrauliques, et elles causent des pertes financières de millions de dollars par an. Un paramètre clé pour déterminer le rôle des banquises dans l'hydrodynamique des rivières est leur vitesse. La quantification du mouvement de ces banquises peut fournir une opportunité unique d'estimer la vitesse d'écoulement des rivières pour compléter ou remplacer les mesures in situ, qui sont coûteuses et souvent difficiles, en particulier en présence de glace. Par conséquent, pour quantifier le mouvement des banquises, des images satellites quasi-simultanées peuvent être utilisées. Les données d'imagerie satellitaire ont reçu beaucoup d'attention dans différentes spécialités ces dernières années. La technique de télédétection s'est avérée utile pour détecter les banquises à la surface de la rivière. Le déplacement des banquises peut être fourni en les suivant dans des images satellites quasi simultanées. Ici, nous analysons des paires d'images quasi simultanées co-enregistrées à partir d'acquisitions stéréo du capteur satellite GEOEYE-1 avec une résolution d'imagerie spatiale de 0,5 m obtenue auprès de la société Maxar. Un algorithme de corrélation d'images est nécessaire pour suivre les banquises dans deux images séquentielles. Nous utilisons le logiciel Correlation Image Analysis (CIAS) pour quantifier les déplacements des banquises dans la section inférieure de la rivière Athabasca (LAR) en Alberta, au Canada, le 11 Novembre 2009. Ici, en supposant que les champs de vitesse de la glace et de l'eau sont similaires, nous estimer la vitesse de la rivière pour différentes sections transversales de la rivière.  ABSTRACT: Due to the severe cold weather in Canada, rivers experience freezing in cold seasons, and ice floes appear on the river's surface, which will change the hydraulic principles of the river. Frozen rivers significantly affect the environment and the economy, for instance, by damaging the hydraulic infrastructures, and they cause financial loss of millions of dollars yearly. A key parameter to determine the role of ice floes in river hydrodynamics is their velocity. Quantifying the movement of these ice floes can provide a unique opportunity to estimate river flow velocity to complete or replace in-situ measurements, which are costly and often challenging, especially in the presence of ice. Therefore, to quantify the movement of ice floes, near-simultaneous satellite images can be used. Satellite imagery data have received much attention in different specialties in recent years. The Remote-Sensing technique has been found to be useful in detecting ice floes on the river's surface. The displacement of ice floes can be provided by tracking them in near-simultaneous satellite images. Here, we analyze co-registered near-simultaneous image pairs from stereo acquisitions of the GEOEYE-1 satellite sensor with a spatial imaging resolution of 0.5 m obtained from the Maxar Company. An image correlation algorithm is needed to track ice floes in two sequential images. We use the Correlation Image Analysis software (CIAS) to quantify the ice floes' displacements in the Lower Athabasca River (LAR) section in Alberta, Canada on 11 November 2009. Here, by assuming that the ice and water velocity fields are similar, we estimate the river velocity for different river cross-sections.


identifier: Lauzon, D. (2022). Développement d'algorithmes pour le calage de modèles géologiques par méthodes géostatistiques discrètes et spectrales  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Que ce soit en génie pétrolier, en génie minier ou en hydrogéologie, contraindre les champs de propriétés à des données incertaines, auxiliaires et dynamiques permet d'améliorer considérablement la prise de décision associée au phénomène étudié. En pratique, on a recours au calage des simulations géostatistiques, généralement des champs aléatoires gaussiens, pour intégrer les données indirectes (c.-à-d. l'ensemble des données incertaines, auxiliaires et dynamiques) et pour simuler la variabilité intrinsèque du phénomène. Cependant, les algorithmes de calage actuels souffrent de limitations du point de vue numérique. Pour ne nommer que ceux-ci, on retrouve des problèmes de convergence de la fonction objectif, de préservation de la distribution spatiale, de l'intégration des données de conditionnement à leurs voisinages, d'applicabilité des algorithmes à des jeux de données irrégulièrement espacés, de difficultés à caler localement les données disponibles, des limitations au niveau de la complexité d'opération des algorithmes et des problématiques liées à l'état initial. Ainsi, cette thèse vise à produire deux algorithmes distincts pour le calage de simulations géostatistiques de champ aléatoire gaussien. Le premier algorithme vise à améliorer la convergence de la fonction objectif en plus de permettre le calage local du champ simulé en diminuant l'impact des perturbations à travers les itérations par une stratégie de recuit. Le second algorithme cherche à concevoir un algorithme de complexité d'opération minimale afin de permettre le calage de données indirectes sur des grilles irrégulières par la construction séquentielle du champ de propriété. L'idée des algorithmes proposés est de combiner les méthodes de simulations géostatistiques avec des mécanismes de perturbation et d'optimisation robustes afin de remédier aux problématiques énumérées précédemment. Les deux algorithmes ont ensuite été comparés dans une étude rigoureuse sur les méthodes de calage basées sur les variogrammes afin de mettre en lumière les forces et faiblesses relatives des méthodes proposées vis-à-vis de celles qui sont existantes. Le premier algorithme dont l'acronyme est FFTMA-SA combine l'algorithme du recuit simulé au terme aléatoire du générateur FFTMA. L'aspect innovateur de cette méthode est l'intégration d'un cycle de refroidissement pour le nombre de points perturbés. L'objectif est d'assurer initialement un calage global du champ simulé avec un grand nombre de points. Par la suite, la diminution graduelle du nombre de points perturbés selon la température de refroidissement permet de migrer vers un calage dit plutôt local. Les points perturbés peuvent d'ailleurs être restreints à une région particulière du modèle géologique afin de réaliser un calage purement local. La méthode FFTMA-SA a permis d'obtenir une meilleure convergence de la fonction objectif que le recuit simulé et que la méthode FFTMA combinée avec la déformation graduelle. Le deuxième algorithme intitulé S-STBM propose d'utiliser la méthode des bandes tournantes spectrales afin de caler le champ de propriété aux données indirectes par l'optimisation des phases de chacune des fonctions cosinus générées. L'approche innovatrice de cette méthode est que le calage est effectué pendant la création même du champ. Il s'agit alors de la première méthode de calage dite purement constructive permettant d'obtenir une simulation calée aux données indirectes. La méthode S-STBM est un algorithme polyvalent du point de vue informatique avec une complexité d'opérations de O(n), n le nombre de points simulés, qui permet l'intégration de données de conditionnement irrégulièrement espacées. Les résultats ont démontré une convergence de la fonction objectif similaire à la méthode FFTMA-SA pour un millier d'itérations. Malgré le calage itératif des phases, les exemples ont démontré que le variogramme des champs simulés diffère très peu du variogramme ciblé en partie dû à l'intégration d'un post-conditionnement par krigeage avant le calcul de la fonction objectif. En utilisant la nature purement constructive de la méthode S-STBM, l'algorithme peut résoudre le problème de conditionnement de faciès pour de grandes simulations gausiennes tronquées ou plurigaussiennes. L'approche traditionnellement utilisée pour répondre à cette problématique est le recours à l'échantillonneur de Gibbs. L'idée est d'assurer dans un premier temps les contraintes sur les valeurs gaussiennes latentes afin de respecter directement les données de conditionnement. Par la suite, la corrélation spatiale entre ces points est introduite lentement par des perturbations itératives. La proposition est de renverser le problème en assurant par construction la continuité spatiale et en utilisant les propriétés constructives de S-STBM afin de caler rapidement les contraintes liées aux conditionnements des faciès. L'approche par calage s'est avérée être d'un à trois ordres de grandeur plus rapide que l'échantillonneur de Gibbs. En plus, l'approche par calage n'a pas de limitations au niveau de la mémoire informatique et possède une complexité de calcul de seulement O(n) comparativement à l'échantillonneur de Gibbs qui est de O(n2). L'ajout d'une étape supplémentaire basée sur la simulation séquentielle gaussienne tronquée permet d'accélérer le calage lorsque les valeurs gaussiennes latentes sont relativement près des contraintes. Afin de vérifier l'efficacité des algorithmes proposés, une étude comparative exhaustive sur les algorithmes de calage basés sur les variogrammes a été réalisée à travers cinq scénarios géologiques différents. Cinq algorithmes ont été comparés entre eux, soit les deux algorithmes proposés dans cette thèse suivis de la version traditionnelle de la déformation graduelle, de la méthode de rééchantillonnage spatial itératif et le recuit de phase. Les deux algorithmes proposés, FFTMA-SA et S-STBM, ont obtenu de bons résultats de calage pour les cinq scénarios étudiés comparativement aux algorithmes proposés dans la littérature. La nature constructive de la méthode S-STBM a permis d'obtenir une réduction rapide de la fonction objectif d'un à deux ordres de grandeur après seulement 200 itérations pour les cinq scénarios étudiés. De plus, l'algorithme évite la difficulté rencontrée par les autres algorithmes qui est de devoir partir d'un état initial afin de procéder au calage. Dans le cas de la méthode FFTMA-SA, la stratégie de refroidissement sur l'intensité des perturbations a permis d'endiguer rapidement l'impact négatif de l'état initial résultant à des calages rapides et efficaces dans la majorité des scénarios étudiés. L'étude a aussi permis de montrer que les caractéristiques spécifiques des données indirectes doivent être adaptées à l'algorithme de calage pour obtenir une convergence rapide et satisfaisante de la fonction objectif. Cette étude a également mis en évidence que certains problèmes d'inversion courants peuvent être correctement calés à l'aide de toutes les méthodes testées, remettant ainsi en question leur utilisation pour l'évaluation des performances des algorithmes de calage. Les deux algorithmes de calage présentés dans cette dissertation permettent de répondre aux limitations touchant aux problèmes de convergence vers un optimum local, au calage local des champs de propriété, à la nature défavorable de l'état initial et aux limitations numériques. Les deux algorithmes proposés forment un binôme permettant d'intégrer des données exactes, incertaines, auxiliaires et dynamiques afin d'améliorer l'estimation et la prévision de modèles géologiques complexes tant dans le domaine du génie minier, pétrolier ou hydrogéologique. La dissertation se termine par une discussion sur les applications futures des algorithmes proposés pour l'estimation des incertitudes et des risques géologiques associés à des modèles géologiques multivariables.  ABSTRACT: Incorporating uncertain, auxiliary, and dynamic data into a stochastic process can significantly improve the prediction of risk assessment for complex geological phenomena in petroleum and mining engineering, or hydrogeology. In practice, calibration of indirect data (i.e., uncertain, auxiliary, and dynamic data) is one of the commonly used approaches to obtain realist geological simulations. However, calibration algorithms suffer from computational limitations. To name only these, problems about the convergence of the objective function, preservation of the spatial distribution, integration of irregularly spaced data, computational memory issues, local integration of indirect data, and unfavourable initial state may be met. This thesis aims to produce two distinct algorithms for the calibration of property fields to indirect data. The first algorithm aims to improve the objective function convergence and allows local calibration of the field. The calibration process uses a cooling schedule that transforms over time the global optimization through quasi-local ones. The second algorithm seeks to limit memory space problems and allows the calibration of indirect data on irregular grids by the sequential building of the field. The idea of the two algorithms is to combine geostatistical simulation methods with robust optimization mechanisms to overcome the problems listed above. A comparison study is carried out to assess the pros and cons of the two algorithms over one recent algorithm and two algorithms mainly used in reservoir simulations. The first algorithm, namely FFTMA-SA, combines the simulated annealing algorithm to the random term of the FFTMA generator. The innovative aspect of this method concerns the integration of annealing on the perturbation mechanism (i.e. use of annealing on the number of perturbed points). The objective is to ensure initially a global calibration through perturbations of numerous points. Subsequently, the annealing reduces over time the number of perturbed points making it possible to migrate to a local calibration. The perturbed points may be restricted to a sub-region of the geological phenomenon to generate a purely local calibration. FFTMA-SA obtained a better convergence than the simulated annealing algorithm and the FFTMA method combined with the gradual deformation. The second algorithm entitled S-STBM proposes to use the spectral turning band simulator to calibrate property fields to indirect data by phase optimization. Consequently, this results in the first purely constructive calibration method, making it possible to obtain calibrated simulations to indirect data. The advantage of this method is that it allows the integration of irregularly spaced data and solves memory space issues. The results demonstrated a convergence rate equivalent to FFTMA-SA when thousands of iterations are performed. Despite phases optimization, the examples illustrated that the variogram of the simulated fields differs slightly from the desired one, partly due to the integration of a post-conditioning by kriging before the calculation of the objective function. Using the purely constructive nature of the S-STBM method, the algorithm can address the facies conditioning problem in large truncated Gaussian or plurigaussian simulations. The approach traditionally applied is the Gibbs sampler. The idea is to first ensure the constraints on the latent Gaussian values to the conditioning data. Then, iterative perturbation introduces slowly the spatial correlation between these points. However, the presence of numerous data may render the algorithm inefficient. The idea brought is to reverse the problem by ensuring spatial distribution by construction and by using the constructive nature of S-STBM to quickly constraints Gaussian latent values through a calibration process. The proposed approach is shown to be one to three orders of magnitude faster than the Gibbs sampler. Moreover, the calibration process has no computer memory issues and has a computational complexity of only O(n) compared to the Gibbs sampler, which is O(n2). To reduce the computation time, one may stop the calibration process when the latent Gaussian values are relatively close to the constraints and switch to a truncated version of the sequential Gaussian simulation algorithm to finish the calibration. To conclude the thesis, an exhaustive study compared the performance of five variogrambased calibration approaches on five geological problems. The five algorithms studied are the two algorithms proposed in this thesis (namely FFTMA-SA and S-STBM) followed by the traditional version of gradual deformation, the iterative spatial resampling method, and phase annealing. S-STBM and FFTMA-SA obtained good calibration results for the five scenarios compared to the three others. The constructive nature of the S-STBM method resulted in a rapid reduction of the objective function by one to two orders of magnitude after only two hundred iterations. Moreover, S-STBM avoids the difficulty encountered by other calibration algorithms that starts from an initial state that may exhibit characteristics incompatible with the indirect data. The cooling strategy of FFTMA-SA on the number of perturbed points quickly contained the negative impact of the initial state resulting in an efficient calibration in the majority of the scenarios studied. Note that the study indicates that the nature of the indirect data must be compatible with the calibration algorithm to obtain efficient calibration. This study also found that some common inversion problems can be properly calibrated using all tested methods, calling into question their use for evaluating the performance of calibration algorithms. The two calibration algorithms presented in this dissertation improved the conditioning to indirect data by solving the problems of local optimum, local calibration, convergence issues, memory limitations, and irregular grid data. FFTMA-SA and S-STBM form a pair of algorithms that generated geostatistical simulations calibrated to uncertain, auxiliary, and dynamic data to improve the estimation and risk assessment of complex geological models in mining and petroleum engineering and hydrogeology. The dissertation ends with a discussion of the future applications of the FFTMA-SA and S-STBM algorithms for the estimation of uncertainties for multivariate geological models.


identifier: Contreras, C. A. (2022). Analyses numériques du comportement et de la stabilité sismique et post-sismique des parcs à résidus miniers, avec et sans inclusions de roche stérile, pour divers aléas de l'est du Canada  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les ruptures de parc à résidus induites par des séismes peuvent avoir lieu pendant l'événement sismique ou après, principalement en raison des pressions interstitielles en excès générées par le chargement cyclique. Plusieurs travaux de recherche ont porté sur les mécanismes conduisant à la rupture d'un parc à résidus lors d'un tremblement de terre, mais les processus de rupture post-sismiques et les techniques pour obtenir des parcs plus stables n'ont pas été considérés de manière aussi approfondie. Cette thèse porte sur le potentiel de liquéfaction des résidus miniers de roche dure, l'estimation du volume de résidus liquéfiés et la possibilité d'induire une rupture sismique ou post sismique en tenant compte de l'intensité et le contenu fréquentiel de séismes, la géométrie du parc à résidus et le type de fondation. Le travail de thèse étudie aussi l'augmentation potentielle de la stabilité sismique et post sismique avec l'utilisation des techniques de renforcement comme la densification de résidus et avec l'ajout d'inclusions de roches stériles (IRS/WRI) à l'intérieur du parc à résidus. Une série d'analyses numériques a été réalisée afin d'évaluer le comportement de parcs à résidus construits avec des digues rehaussées par la méthode amont, pour des pentes de 13H:1V, 11H:1V, 9H:1V et 6H:1, en utilisant des accélérogrammes de hautes et basses fréquences ajustées à des intensités sismiques caractéristiques de deux régions minières de l'est du Canada. Les simulations ont été réalisées à l'aide du logiciel FLAC en utilisant le modèle constitutif PM4Sand pour modéliser le comportement des résidus et le modèle PM4Silt pour l'argile silteuse de la fondation. Le modèle PM4Sand a été calibré à partir de résultats d'essais menés en laboratoire et sur le terrain qui ont permis de caractériser le comportement des résidus miniers de roche dure. La calibration des paramètres permet de reproduire de manière raisonnable le comportement lors d'un chargement quasi-statique monotone, et elle fournit un excellent ajustement des courbes de résistance cyclique mesurées en laboratoire à différentes pressions de confinement et indices de densité. Les résultats obtenus indiquent que le modèle PM4Sand peut être utilisé sans modification majeure pour simuler le comportement cyclique des résidus de mines en roches dures de faible plasticité. Le modèle PM4Silt a été calibré à partir d'un nombre d'essais de laboratoire plus limité; sa calibration est donc considérée comme moins robuste que celle de PM4Sand pour les résidus miniers. Les résultats obtenus montrent néanmoins que le modèle PM4Silt fournit un ajustement adéquat pour les essais menés sur des argiles à l'état normalement consolidé (NC) et sur-consolidé (OC). Les résultats des simulations du comportement de parcs à résidus montrent que le volume relatif de résidus liquéfiés est lié au volume critique déplacé pour les deux types de fréquences. Les séismes à haute fréquence ont cependant tendance à induire un plus faible volume de résidus liquéfiés et de plus petits déplacements dans le parc que les événements à basse fréquence, pour une intensité Arias (IA) identique. Les analyses post-sismiques indiquent que pour les conditions analysées ici, de nombreux parcs à résidus seraient potentiellement instables, avec des déplacements continus et des vitesses non-nulles au-delà de la durée de l'événement. Les sollicitations de basse fréquence sont plus susceptibles d'induire une instabilité que celles à haute fréquence en raison de la plus grande quantité de résidus liquéfiés et du gros volume critique déplacé. Les résultats des simulations en phase sismique ont été utilisés pour développer des relations pour estimer le volume relatif de résidus liquéfiés en fonction des mesures d'intensité, et les résultats de la phase post-sismique ont été utilisés pour définir un seuil au volume de résidus liquéfiés nécessaire pour déclencher une instabilité. L'évaluation des techniques de renforcement indique que la densification des résidus peut diminuer le volume de résidus liquéfiés et les déplacements pendant la phase sismique, mais cette technique ne réduit pas de manière significative l'incidence de rupture post-sismique. Les inclusions de roche stérile (IRS/WRI) peuvent réduire légèrement ou modérément le volume des résidus liquéfiés, selon l'intensité sismique, alors que le renforcement produit par les IRS peut réduire significativement les déplacements latéraux; les parcs à résidus avec IRS montrent une amélioration des performances encore plus marquées pendant la phase post-sismique. L'utilisation de WRI est considérée comme une bonne approche pour améliorer la stabilité sismique des parcs à résidus et elle peut donc s'avérer très utile pour réduire le risque de rupture induite par les séismes. La comparaison des résultats des simulations effectuées pour deux types de sols de fondation montre que le volume de résidus liquéfiés serait plus grand pour un parc à résidus avec une fondation du till sur le socle rocheux que pour un parc à résidus avec une fondation d'argile silteuse sur du till et le socle rocheux. Les mesures d'intensité des séismes analysées (CAV, AI et PGA) sont amplifiées pour les deux types de fondations (par rapport au roc). Les rapports d'amplification moyens pour la fondation de till sont toutefois plus élevés que pour la fondation d'argile silteuse (sur du till). Les résultats obtenus sur l'influence du matériau de fondation sont cependant spécifiques aux cas particuliers étudiés ici. Les résultats présentés ici devraient s'avérer utiles pour aider à évaluer le comportement et le risque associé aux installations d'entreposage de résidus (existantes ou prévues) pour des mesures d'intensité représentatives. Une telle évaluation peut aider à déterminer l'effet de la technique de renforcement par IRS dans le parc à résidus, ainsi que pour évaluer d'autres approches comme une modification de la méthode de construction des digues. Pour des parcs à résidus existants où une possible rupture est identifiée, la méthodologie permettrait aussi d'estimer le volume critique approximatif de résidus mobilisés.  Mots clés : Parc à résidus, liquéfaction, résidus miniers, PM4Sand, liquéfaction, calibration, PM4Silt, stabilité sismique, rupture post sismique  ABSTRACT: Seismically induced ruptures of tailings impoundments can take place during a seismic event or shortly after, primarily due to the excess interstitial pore water pressures generated by cyclic loading. Several studies have focused on the mechanisms leading to failure of an impoundment during an earthquake, but the post-seismic failure processes and techniques to obtain more stable impoundments have not been considered as extensively. This thesis investigates the liquefaction potential of hard rock tailings, the estimation of the volume of liquefied tailings and the possibility to induce seismic or post-seismic failure of an tailings impoundment considering the effect of the intensity, frequency content of the motions, impoundment geometry and type of foundation. The thesis also studies the improvement potential of seismic and post-seismic stability with the use of reinforcement techniques such as the tailings densification and with the addition of waste rock inclusions (WRI) inside of the tailings impoundment. A series of numerical analyses was performed in order to evaluate the behaviour of tailings impoundments build with dikes raised using upstream method, for slopes of 13H:1V, 11H:1V, 9H:1V and 6H:1V, for high and low frequency motions adjusted to characteristics seismic intensities of two mining regions in eastern Canada. The simulations were conducted in FLAC using the PM4Sand constitutive model the behaviour of the tailings and the PM4Silt model for the silty clay of the foundation. The PM4Sand model was calibrated using laboratory and field tests results that characterized the behaviour of hard rock mine tailings. The calibrated model reasonably reproduces the behaviour under monotonic quasi static loading, and provides an excellent fit of the cyclic strength curves measured in the laboratory at different confining pressures and density indices. The results obtained indicate that the PM4Sand model can be used without major modification to simulate the cyclic behavior of low plasticity hard-rock tailings. The PM4Silt model has been calibrated from a more limited number of laboratory tests, its calibration is therefore considered less robust than the PM4Sand calibration for tailings. The results obtained nevertheless show that the PM4Silt model provides an adequate adjustment for the test performed on clays in the normally consolidated (NC) and overconsolidated (OC) state. The results of simulations of the behaviour of tailings impoundment show that the relative liquefied volume is related to the critically displaced volume for both types of motion frequencies. However, high frequency motions tend to induce lower volume of liquefied tailings and smaller displacements on the impoundment than low frequency events, for identical Arias Intensity (AI). Post seismic analyses indicate that for the analyzed conditions, many tailings impoundments would be potentially unstable, with ongoing displacements and non-zero velocities beyond the event duration. Low frequency motions are more likely to induce failure than high frequency motions due to the larger amount of liquefied tailings and large critically volume displaced. The results of the seismic phase simulations were used to develop relationships to estimate the relative volume of liquefied tailings as a function of intensity measures, and the results of the post seismic phase were used to define a threshold of volume of liquefied tailings necessary to trigger an instability. The evaluation of reinforcement techniques indicates that tailings densification can decrease the volume of liquefied tailings and displacements during the seismic phase, but this technique does not significantly reduce the incidence of post-seismic failure. Waste rock inclusions, WRI, can slightly or moderately reduce the volume of liquefied tailings, depending on the seismic intensity, while the reinforcement produced by the WRI can significantly reduce lateral displacements; tailings impoundments with WRI show an even more marked improvement during the post-seismic phase. The use of WRI is considered a good approach to improve the seismic stability of tailings impoundments and can therefore be very useful in reducing the risk of earthquake-induced failure. The comparison of the results of the simulations performed on two different types of foundation soils shows that the volume of liquefied tailings would be greater for a tailings impoundment with a till foundation on bedrock than for a tailings impoundment with a silty clay over till foundation and bedrock. The intensity motion measures analyzed (CAV, AI and PGA) are amplified for the two types of foundations (compared to rock). However, the average amplification ratios for the till foundation are higher than for the silty clay (over till) foundation. The results obtained regarding the influence of the foundation are however specific to the particular cases studied here. The results presented here should prove useful to help assess the behaviour and risk associated with tailings storage facilities (existing or planed) for representative intensity measures. Such evaluation can help to determine the effect of the WRI reinforcement technique in the tailings facility, as well as evaluate other approaches such as a modification of the digues construction method. For existing tailings impoundments where a possible rupture is identified, the methodology would also make it possible to estimate the approximate critical volume of mobilized tailings.   Key words: Tailings impoundment, liquefaction, seismic stability, post-seismic failure, PM4Sand, PM4Silt, calibration


identifier: Lavigne, G. (2022). Advances in Electromagnetic Reciprocal and Nonreciprocal Bianisotropic Metasurfaces  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les métasurfaces électromagnétiques sont de minces structures artificielles composées d'un arrangement de particules conçues pour produire des propriétés électromagnétiques qui ne sont pas présentes naturellement dans les matériaux conventionnels. Au cours des dernières années, les métasurface ont démontré leur capacité sans précédent à contrôler les ondes électromagnétiques. En effet, il a été démontré que les métasurfaces permettent le contrôle de différents aspects fondamentaux des ondes électromagnétiques comme la polarisation, la direction de propagation, la phase, l'amplitude et la forme des faisceaux. Les métasurfaces étant des structures électromagnétiquement minces, elles peuvent être modélisées comme étant une discontinuité électromagnétique dans l'espace ayant une épaisseur nulle. Sous cette approximation, une généralisation des conditions aux limites conventionnelles qui incluent des courants de polarisation de surface, appelées les Generalized Sheet Transition Conditions (GSTCs), peuvent être utilisées pour modéliser les métasurfaces. Les GSTCs permettent de modéliser non seulement des réponses électriques et magnétiques, mais aussi des réponses électro-magnétiques/magnéto-électriques correspondant à de la bianisotropie. Cette modélisation bianisotropique des métasurfaces est essentielle puisqu'au cours des dernières années, il a été démontré que de nombreuses opérations fondamentales pouvant être effectuées par des métasurfaces nécessitent la présence de réponses bianisotropes pour être réalisées de manière pleinement efficace. Dans cette thèse, nous présentons des avancées liées aux métasurfaces bianisotropes réciproques et non-réciproques. Dans la première partie, nous étudions le contrôle de la réfraction à l'aide de métasurfaces bianisotropes passives et réciproques. Les premières métasurfaces conçues pour contrôler la réfraction à l'aide de l'approche du gradient de phase avaient des problèmes pour de grands angles de réfraction en raison de l'excitation d'ordres de diffraction indésirables ce qui limitait leur efficacité. Heureusement, il a récemment été démontré théoriquement qu'inclure des réponses bianisotropes permettrait de concevoir des métasurfaces réfractives pour des grands angles avec une efficacité maximale. Dans ce travail, nous présentons la modélisation mathématique, la conception, la simulation et la démonstration expérimentale de métasurfaces bianisotropes réalisant la réfraction à grands angles sans ordres de diffraction indésirables, et donc avec une efficacité optimale. Par la suite, nous étudions la généralisation, avec l'utilisation de métasurfaces bianisotropes, d'un phénomène fondamental lié à la réfraction: l'effet de Brewster.  ABSTRACT: Electromagnetic metasurfaces are subwavelengthly thin artificial structures composed of an arrangement of engineered scattering particles that exhibit electromagnetic properties that are beyond those conventionally found in nature. Metasurfaces have been shown to offer an unprecedented control of electromagnetic waves and can be seen as general purpose electromagnetic wave transformers. Indeed, they have been shown to enable the control of fundamental properties of electromagnetic waves such as the polarization, propagation direction, phase, amplitude and beam shapes of electromagnetic waves. Metasurfaces being electromagnetically thin structures can be modelled as a zero-thickness electromagnetic discontinuity in space. Under this approximation, a generalization of conventional boundary conditions that include surface polarization currents called the Generalized Sheet Transition Conditions (GSTCs) can be used to model, synthesize and analyze metasurfaces. The GSTCs allow the modeling of not only electric and magnetic responses, but also electro-magnetic/magneto-electric responses corresponding to bianisotropy. This bianisotropic modelling is critical since, in recent years, many fundamental metasurface operations have been shown to require bianisotropy to be realized fully efficiently. In this thesis, we present advances related to both reciprocal and nonreciprocal bianisotropic metasurfaces. In the first part, we investigate the control of refraction with reciprocal and passive bianisotropic metasurfaces. Initial metasurfaces realizing generalized refraction designed with the phase gradient approach had issues for large-angle refraction due to the excitation of undesired diffraction orders and hence limited efficiency. Fortunately, recent theoretical derivations have shown that metasurfaces with bianisotropic responses could realize fully efficient large-angle refraction. In this work, we present the mathematical modelling, design, full-wave simulations and experimental demonstration of bianisotropic metasurfaces realizing large-angle refraction without the excitations of undesired diffraction orders, and hence with optimal efficiency. We next investigate the generalization, with the use of bianisotropic metasurfaces, of a fundamental phenomenon related to refraction: the Brewster effect. The conventional Brewster effect consists on the vanishment of the p-polarized reflection at a dielectric interface at a specific angle that depends on the refractive indexes of both media. In this work, we generalize the Brewster effect to arbitrary angle and polarization by inserting properly designed bianisotropic metasurfaces at the interface between the two media. The mathematical modeling of the metasurfaces, design of the scattering particles at microwave frequencies and full-wave simulations are presented.