Modèle générique

 Décembre 2007 - Simulation de l’effet de 3 scénarios de réduction des teneurs de l’Elorn en nitrate sur l’eutrophisation de la Rade de Brest 

Dans le but d’évaluer les possibilités de réduire le stock sous-marin d’ulves se développant chaque année dans l’anse du Moulin-Blanc en abaissant la teneur en nitrate de l’Elorn, une étude commandée par le SAGE de l’Elorn a été réalisée en décembre 2007. Elle s’appuie sur un modèle écologique 3D spécialement bâti en 2001 pour répondre à une demande contractuelle de la Communauté Urbaine de Brest concernant l’origine de l’azote alimentant la marée verte de la plage du Moulin Blanc. Ce modèle a initialement été validé sur l’année 1999 grâce aux mesures disponibles, de façon à reproduire sur l’ensemble de la Rade de Brest les deux grandes formes d’algues éventuellement impliquées dans les phénomènes d’eutrophisation : le phytoplancton (scindé en algues unicellulaires siliceuses : les diatomées, et non-siliceuses : les dinoflagellés) et les macrophytes chlorophycées (ulves en suspension et ulves en dépôt), dont on prend ainsi en compte l’éventuelle compétition pour l’utilisation de la lumière et des sels nutritifs. Pour les besoins de cette étude, une année plus récente a été simulée, de façon à tenir compte de l’évolution des flux d’éléments nutritifs. Pour prendre en compte la diminution importante des rejets de stations d’épuration brestoises intervenue en 2006, les rejets respectifs des STEP de la Zone Industrielle Portuaire et de Maison-Blanche ont été imposés à leurs valeurs annuelles moyennes estimées sur les mesures journalières d’auto-surveillance faites en 2006 par l’exploitant des stations. Toutes les simulations ont été menées sous l’environnement logiciel ELISE, développé à l’Ifremer pour faciliter la mise en place et l’exploitation de modèles écologiques. Par des études de scénario, cette étude montre clairement que, en raison de l’arrivée dans l’anse du Moulin-Blanc de nitrate issu d’autres sources que l’Elorn, on ne peut escompter éradiquer la marée verte à ulves par un abaissement de la teneur en nitrate du seul Elorn. Cependant, l’abaissement de la teneur en nitrate du seul Elorn en dessous de 15 mg/L NO3 aura toutefois un effet de raccourcissement de la période productive d’ulves, diminuant ainsi les coûts de ramassage. Enfin toute diminution de la teneur en nitrate du seul Elorn aura des effets bénéfiques sur la diminution des blooms estivaux de dinoflagellés dans l’estuaire de l’Elorn, comme par exemple les eaux brun-rouge à Prorocentrum micans observées depuis plusieurs années qui, en raison de l’anoxie provoquée lors de leur décomposition, s’avèrent délétères pour les cultures de moules et d’huîtres.

A 

A. Impact des rejets de l’Elorn sur la biomasse d’ulves

B. Carte du maximum annuel de dinoflagellés en Rade de Brest – scénario [NO3]Elorn=0 mg/L

C. Carte du maximum annuel de dinoflagellés en Rade de Brest – scénario [NO3]Elorn=0 mg/L

B Ndino (µmole N.L-1) Surface Date 16/08/04 à 12h0mn

C Ndino (µmole N.L-1) Surface date 16/8/04 à 12h0mn

Contact : Alain.Menesguen@ifremer.fr 

 Mars 2007 - Observation in situ du charriage et de la remise en suspension 

Une demande de campagne a été acceptée du 13 au 26 mars 2007 en Manche, dans le golfe normand breton durant un cycle de vives-eaux mortes-eaux en période de faible production primaire. Cette campagne, effectuée dans le cadre de la thèse d’Olivier Blanpain cofinancée par l’Ifremer et l’IRSN, a pour buts de caractériser les différents faciès sédimentaires par imagerie sonar haute résolution et par des prélèvements à la benne Hamon, d’observer, de quantifier les mécanismes à l’origine de la remise en suspension et du charriage des particules au sein d’un sédiment grossier (cailloutis et graviers) à l’aide d’imagerie vidéo, et enfin d’évaluer la profondeur de remobilisation par prélèvements non perturbés de sédiments dans les zones de suivi (carottages, mesures de radiotraceurs). Ces mesures aideront à la modélisation déterministe de la formation des dépôts sédimentaires superficiels en Manche.

Contact : Philippe.cugier@ifremer.fr 

 Juin 2006 - Communication "Couplage d’un modèle de dynamique de population de la palourde rose ( Paphia rhomboïdes) à un modèle hydrodynamique 3D de la Manche "   

Cette communication a été faite lors du colloque PNEC 2006 « développements récents de la recherche en environnement côtier » à Nantes les 26 et 28 juin. La Manche est une mer épicontinentale caractérisée par la richesse et la diversité de sa faune benthique, ce qui a favorisé le développement de pêcheries de mollusques bivalves en particulier (coquilles Saint-Jacques, praires, coques, amandes de mer, palourdes roses, spisules…). Cette richesse du benthos a également suscité l’intérêt des scientifiques, et différents programmes de grande ampleur étudiant la répartition du benthos ont été menés, principalement durant les années 1970. Parmi les principaux mollusques bivalves recensés, la palourde rose ( Paphia rhomboïdes) se distingue par une très large répartition en Manche et par son importance dans la biomasse totale d’organismes filtreurs du Golfe Normand-Breton. L’intérêt halieutique de cette espèce en fait un modèle d’étude important afin de mieux comprendre sa répartition et à terme de pouvoir réaliser des scénarios de gestion. Une modélisation écologique de la population de palourde rose en Manche a ainsi été réalisée. Cette modélisation couple un modèle de dynamique de population décrivant l’intégralité du cycle de vie (planctonique puis benthique) avec une approche mécaniste et un modèle compartimental hydraulique et de production primaire de la Manche. Il comprend une sous-unité écophysiologique permettant de simuler la fécondité et la mortalité des individus. La Manche est découpée en 70 grands compartiments entre lesquels le transport est déduit de champs de courants résiduels pré-calculés grâce à un modèle 2D fin. Les résultats obtenus avec ce modèle se sont avérés très satisfaisants. Toutefois, la résolution spatiale en grands compartiments et le lissage qui en découle (concentrations, hydrodynamisme sous forme de résiduelles) ne permet pas de reproduire la répartition de la palourde de façon réaliste dans certains secteurs. Le présent travail, reprend le modèle écologique de la palourde rose en le couplant à un modèle hydrodynamique 3D (MARS 3D) de la Manche à mailles régulières de 4 km. Une des principales difficultés est de réaliser des simulations longues correspondant à la durée de vie de l’espèce (~12 ans) à l’aide d’un code 3D coûteux en terme de temps calcul. Différentes stratégies ont été adoptées dont celle de forcer sans rétroaction le modèle benthique par le modèle de production primaire pélagique. L’apport de la forte résolution spatiale et temporelle permet une meilleure simulation de la répartition de la palourde à l’échelle locale (Golfe Normand-Breton, centre Manche, baie de Seine, côtes anglaises). Toutefois les densités et les biomasses simulées s’avèrent être surestimées notamment en raison du couplage à sens unique avec la production primaire.

Contact : Philippe.Cugier@ifremer.fr  

 Juillet 2006 - Habitats benthiques en Manche  

Une demande de campagne a été acceptée du 13 au 26 mars 2007 en Manche, dans le golfe normand breton durant un cycle de vives-eaux mortes-eaux en période de faible production primaire. Cette campagne, effectuée dans le cadre de la thèse d’Olivier Blanpain cofinancée par l’Ifremer et l’IRSN, a pour buts de caractériser les différents faciès sédimentaires par imagerie sonar haute résolution et par des prélèvements à la benne Hamon, d’observer, de quantifier les mécanismes à l’origine de la remise en suspension et du charriage des particules au sein d’un sédiment grossier (cailloutis et graviers) à l’aide d’imagerie vidéo, et enfin d’évaluer la profondeur de remobilisation par prélèvements non perturbés de sédiments dans les zones de suivi (carottages, mesures de radiotraceurs). Ces mesures aideront à la modélisation déterministe de la formation des dépôts sédimentaires superficiels en Manche.

Contact : Philippe.Cugier@ifremer.fr  

 Juillet 2006 - Two-or three-layered box-models versus fine 3D models for coastal ecological modelling? A comparative study in the English Channel (Western Europe) 

Publication sur la modélisation écologique de la Manche dans Journal of Marine System (volume 62, 3&4) :

Alain Ménesguen (a), Philippe Cugier (a), Sophie Loyer (b), Alice Vanhoutte-Brunier (a) ,Thierry Hoch (c), Jean-François Guillaud (a), Francis Gohin (a)

a) Ifremer, Ecosystem Dynamics Department, BP 70, 29280, Plouzané, France

b) ATLANTIDE, Technopôle Brest Iroise, Site du Vernis, CS 23866, 29238 Brest Cedex 3, France

c) UMR ENVN-INRA Gestion de la santé animale, BP 40706, 44307 Nantes Cedex 3, France

The general trend in ecosystem modelling is to improve the spatial resolution by shifting from rough box-models to fine 3D models. Despite the continuous speeding-up of computing, 3D models involving numerous state variables may remain intractable, especially for parameter calibration, when processes with long half-life periods (i.e, from years to decades) are introduced, such as the behaviour of organic matter in sediment and population dynamics of benthic species. In these cases, a first approach can be provided by fast-running box-models, if they take into account the most crucial hydrodynamic properties of the system. In a macrotidal shelf sea such as the English Channel, the long-term horizontal transport can be summarized by the tidal residual circulation, and the vertical stratification can be sketched by a two- or three-layered integral model. This paper compares the results obtained in the English Channel area by the same biogeochemical equations of pelagic primary production, coupled to 1) a two-layered box-model 2) a three-layered box-model (i.e., with an intermediate cline layer between surface and bottom ones) and 3) a fine-gridded 3D model. Comparison is focused firstly on thermal stratification and summer dinoflagellate blooms in the north-western Channel and secondly on the haline stratification and the sequence of blooms obtained in the eutrophicated Seine river plume. Comparison shows that box-models act as low-pass filters which reproduce correctly the weekly mean time-course, but greatly reduce the variance locally observed in a tide-oscillating plume region. As far as global characteristics are concerned, such as the annual primary production, or the percentage of variation in annual production after reducing the nutrient loadings, the box and 3D models gave very similar results. This conclusion reinforces the usefulness of using box-models as a first approach in long-term processes, for which a long transient phase is expected before reaching the annual periodic solution.

Contacts : Alain.Menesguen@ifremer.fr et auteurs

 Juillet 2006 -   Observation and modelling of natural retention structures in the English Channel   

Publication dans Journal of Marine System (volume 62, 3&4). Accumulation of heat, or dissolved substances (nutrients, pollutants, etc.), or fine suspended particles in a water body is a key process in the functioning of aquatic ecosystems and their resistance to perturbations. In complex and wide open environments such as marine ecosystems, net accumulation is not only linked to the local renewal capacity of the water body, but also to the partial recirculation of water due to convective cells of various sizes. The English Channel, which can be considered as mainly dominated by tidal movements, exhibits such a complex quasi-permanent long-term circulation, made of a central “river” bordered with a lot of nested gyres. Here, we show that structures visible on satellite images of SST (Sea Surface Temperature), chlorophyll and SPIM (Suspended Particulate Inorganic Matter) can be explained by steady state distributions of tracers having various half-life durations, which can be computed using a simple technique of regularly distributed micro-injection in the permanent flow field. Gyres induced by capes in open water appear to be retention areas, whereas gyres around islands (Channel Isles) appear to be strong disseminating areas, acting as slings. Moreover, SSTsatellite maps can be explained by a short-lived tracer during the “transitory” seasons (spring and autumn), and by a long-lived one during the “stable” seasons (summer and winter): long-term accumulation structures become apparent only in August and March. SPIM can be considered as a tracer injected only in muddy areas by the bottom friction caused by the swell, and having a half-life duration linked to the turbulent energy dissipation, which controls the settling rate; this succeeds to explain the observed turbidity in the central Channel essentially, as well as the striking asymmetry visible on images between the large turbid coastal band along the English coasts (materializing a natural long-term retention area), and the rather clear waters along the French coasts. The annual mean chlorophyll distribution in the Channel, as derived from satellite reflectance, can be simulated by a short-lived tracer injected proportionally to the mean light availability along the water column. Computing steady state distributions of various substances or particles in permanent circulation gives a simple and quick tool for understanding their mean stable distribution patterns in the oceans.

Contacts : Alain.Menesguen@ifremer.fr et/ou Francis.Gohin@ifremer.fr 

Novembre 2005 - Modélisation numérique de la genèse des structures sédimentaires superficielles de la Manche. Application à la modélisation intégrée de l’écosystème  

Olivier Blanpain, titulaire d’un diplôme d’ingénieur en Sciences et Technologies de l’eau de l’Institut des Sciences de l’Ingénieur de Montpellier (ISIM) et d’un Master 2 en Génie Côtier de l’Université de Caen, a démarré sa thèse en Novembre 2005 sur le sujet mentionné ci-dessus.  

Cette thèse se fait en codirection entre le laboratoire d’Ecologie Benthique (EB) du département DYNECO à Brest (encadrement Philippe Cugier) et le Laboratoire de Radioécologie de Cherbourg-Octeville (LRC) de l’IRSN (encadrement Pascal Bailly du Bois). Olivier Blanpain est sous contrat IRSN et accueilli au laboratoire EB durant la première année (cofinancement : IFREMER/IRSN).

Directeur de thèse : Robert Lafite (Laboratoire M2C – Université de Rouen).

Résumé 

L’objectif de ce travail est de développer un modèle de transport sédimentaire multiclasses et de l’appliquer à la Manche. Ce travail s’inscrit au sein du projet MODECOGEN, dans l’optique d’aboutir à une modélisation générique des écosystèmes. Il s’intéresse ici à la composante particulaire de l’écosystème qui représente un des éléments clés du fonctionnement et de la structuration des écosystèmes côtiers. Le sédiment influe la production phytoplanctonique dans la colonne d’eau en augmentant la turbidité ; les sédiments déposés sont un lieu de piégeage temporaire ou définitif pour les éléments venant de la colonne d’eau (sels nutritifs, radionucléides, polluants, …) ; les particules en suspension peuvent être les vecteurs du transport de substances chimiques ; le sédiment constitue des habitats diversifiés pour les communautés benthiques.

Pour l’Ifremer, un but essentiel est l'amélioration des modèles biologiques existants par une meilleure représentation de l’hétérogénéité du sédiment en Manche et d’une simulation à terme des principaux habitats.

Pour l’IRSN, ce modèle permettra d’une part de simuler le cheminement et les zones de dépôt des particules et d’autre part de prédire leur remise en suspension. Le couplage avec les modèles de transfert de radionucléides existants fournira une vision globale du devenir des radionucléides à moyen et long terme en Manche.

Ce travail s’inscrit dans la suite des travaux post doctoraux réalisés à l’IRSN/LRC par P. Cugier (Développement d’un modèle numérique multicouche hétérométrique pour la simulation du transport sédimentaire en Manche ; caractérisation des principaux processus. Rapport DPRE/SERNAT/2000-24) et C. Olivier (Développement d’un modèle numérique multicouche hétérométrique pour la simulation du transport sédimentaire en Manche ; détermination de l’équation de transport par des mesures en canal de laboratoire. Rapport DEI/SECRE/2004-2). Il s’appuie sur le code hydrodynamique MARS développé à DYNECO/PHYSED et utilisé depuis de nombreuses années au LRC.

Contacts : Philippe.Cugier@ifremer.fr et/ou pascal.bailly-du-bois@irsn.fr et/ou robert.lafite@univ-rouen.fr