Simulation du métabolisme de la Seine par assimilation de données

ED 398 Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement
Proposition de sujet de thèse pour la rentrée universitaire 2015-2016
Simulation du métabolisme de la Seine par assimilation de données en continu
Nom, label de l'unité de recherche : Centre de Géosciences, MINES ParisTech, équipes SHR et Géostatistique
Localisation : 35 rue Saint Honoré, 77305 Fontainebleau
Nom du directeur de thèse HDR (et du co-directeur s'il y a lieu) : Nicolas Flipo, MINES ParisTech
Nom, prénom et affiliation des co-encadrants éventuels : Thomas Romary, MINES ParisTech
Adresse courriel du contact scientifique : [email protected]; [email protected]
Description du projet/sujet de thèse :
Le projet de thèse a pour objectif d’assimiler les mesures en continu d’oxygène dissous de la colonne d’eau afin de
déterminer l’évolution temporelle des propriétés physiologiques des communautés d’espèces autotrophes et
hétérotrophes. Ce projet répond à un double objectif. Le premier, cognitif, permettra de mieux appréhender les
successions d’espèces, et par là-même, le métabolisme d’un fleuve soumis à une très forte pression anthropique. Le
second, technique et opérationnel, vise à poser les bases d’un système garantissant, en temps réel, la pertinence des
simulations prospectives du devenir de la qualité d’eau afin d’optimiser la gestion des filières de traitement des
effluents.
Le travail de thèse sera centré sur la Seine à la traversée de l’agglomération parisienne, pour laquelle, des jeux de
données pluri-annuels des rejets urbains de temps secs et de temps de pluie sont disponibles, ainsi que des stations
de suivis en continu de la qualité du fleuve (stations de mesure en continu mises en place dans le cadre du projet
CARBOSEINE R2DS Ile-de-France 2011-2014, et réseau d’auto-surveillance du SIAAP). Le modèle ProSe1–5, validé
depuis l’amont de Paris, jusqu’à l’entrée de l’estuaire de la Seine (soit 220 km de fleuve simulés) sur une période de
six années (2007-2012) sera mis en œuvre et utilisé comme modèle direct.
Dans un premier temps une analyse de sensibilité6 des paramètres du modèle biogéochimique RIVE7–9 sera menée,
et permettra de définir les règles d’assimilation des données10 dans une simulation du modèle ProSe qui couple un
module d’hydrodynamique 1D résolvant les équations de Saint-Venant, avec un module de transport advectif, et le
module biogéochimique RIVE. L’utilisation de cette plate-forme permettra alors de réanalyser le fonctionnement du
système sous l’angle de la variabilité des paramètres physiologiques des communautés. Une telle analyse n’a jamais
été réalisée à l’échelle pluri-annuelle proposée ici et devrait permettre une étude approfondie des concepts
écologiques sous-tendant le modèle RIVE.
Argumentaire scientifique présentant les enjeux de la thèse :
Les teneurs en oxygène dans les eaux des cours d’eau résultent de nombreux processus physiques et biologiques.
Ces teneurs en oxygène traduisent le métabolisme des cours d’eau, et sont utilisées comme indicateur de la santé de
ces derniers. Ce métabolisme des fleuves dépend de la production d’oxygène par les producteurs primaires
autotrophes, de la respiration bactérienne hétérotrophe, ainsi que de processus physique de réaération à l’interface
air-eau. Le River Continuum concept 11 développé par Vannote dans les années 1980 correspond à un changement
de paradigme pour l’hydro-écologie en introduisant le concept d’invariance de physiologie des communautés
d’organismes d’amont en aval des cours d’eau ; les structures observées ne dépendant que du champ de contraintes
hydro-morphologiques et anthropiques auquel le cours d’eau est soumis. Ce paradigme a permis de développer les
modèles biogéochimiques actuels basés sur la notion de communautés d’espèces, qui deviennent des variables des
modèles dont le devenir est simulé au fil de l’eau. Ainsi les producteurs primaires, les bactéries hétérotrophes sontils aujourd’hui explicitement simulés. Dans le cas de la Seine, les nombreuses recherches menées dans le cadre du
PIREN Seine ont permis dans les années 1990 de déterminer des structures moyennes de communautés, et grâce à
de multiples expériences de laboratoire, d’en déterminer les paramètres physiologiques. Cette approche a permis
d’établir et de quantifier le lien causal entre pressions humaines, du fait des rejets des grandes agglomérations dans
les rivières qui les traversent, et le métabolisme des cours d’eau12.
Or depuis quelques années, l’apparition de capteurs in situ en continu et à pas de temps fin permet de suivre très
précisément l’évolution des teneurs en oxygène du milieu, que les modèles, aussi sophistiqués soient-ils, peinent à
reproduire. Ce constat, ainsi que la forte incertitude liée au transfert du laboratoire au milieu naturel de propriétés
moyennes de communautés vivantes, nous pousse à réfléchir à l’usage que nous pouvons faire de ces nouvelles
technologies. Parallèlement, des méthodes numériques permettent aujourd’hui d’assimiler des chroniques
observées dans une simulation numérique et de modifier au choix les variables d’état des modèles ou les
paramètres du modèle. Dans notre cas nous souhaitons assimiler des mesures d’oxygène en continu, afin de corriger
au cours du temps les paramètres physiologiques des espèces en compétition dans le métabolisme des rivières.
L’évolution de ces paramètres au cours du temps a un double avantage : d’une part cette technologie ouvre les
portes à la gestion en temps réel des filières de traitement des effluents urbains sur la base d’objectifs basés sur
l’état du milieu récepteur, et d’autre part nous renseignera au cours du temps sur la physiologie moyenne des
communautés qui traduit soit des phénomènes d’adaptation, soit des successions d’espèces. Une meilleure
compréhension de l’évolution des paramètres physiologiques des communautés d’espèces simulées, et la recherche
de facteurs explicatifs et de lois causales les décrivant, est indispensable à l’évaluation du devenir de la qualité des
eaux de surface continentales.
Programme de rattachement/Financement :
Cette thèse s’inscrira dans le programme de recherche PIREN Seine, et sera menée en étroite collaboration avec le
SIAAP (Syndicat Intercommunal d’Assainissement de l’Agglomération Parisienne). Un financement de thèse est
demandé.
Connaissances et compétences requises :
De bonnes connaissances en mathématiques et physique sont requises, ainsi qu’un intérêt prononcé pour
l’hydrologie et la biogéochimie. Un goût pour la programmation numérique est demandé, et notamment des bases
de C. Une bonne connaissance de la langue anglaise est aussi nécessaire.
Une lettre de motivation, un descriptif des travaux de stage de Master 2, les résultats d’examen de Master 1 et 2,
ainsi que deux lettres de recommandation ou deux référents constitueront les pièces à apporter au dossier de
candidature.
Références bibliographiques :
1. Even, S. et al. Modeling the impacts of Combined Sewer Overflows on the river Seine water quality. Sciences of
Total Environment 375, 140–151 (2007).
2. Flipo, N. et al. Primary production in headwater streams of the Seine basin: the Grand Morin case study.
Sciences of Total Environment 375, 98–109 (2007).
3. Raimonet, M., Vilmin, L., Flipo, N., Rocher, V. & Laverman, A. M. Modelling the fate of nitrite in an urbanized
river using experimentally obtained nitrifier growth parameters. Water Research 73, 373–387 (2015).
4. Vilmin, L. et al. Impact of hydro-sedimentary processes on the dynamics of soluble reactive phosphorus in the
Seine River. Biogeochemistry 122, 229–251 (2014).
5. Vilmin, L., Flipo, N., Fouquet, C. de & Poulin, M. Pluri-annual sediment budget in a navigated river system: the
Seine River (France). Sciences of Total Environment 502, 48–59 (2015).
6. Saltelli, A., Chan, K. & Scott, E. M. Sensitivity Analysis (Vol 1.). (New York: Wiley: 2000).
7. Billen, G., Garnier, J. & Hanset, P. Modelling phytoplankton development in whole drainage networks: The
riverstrahler model applied to the Seine river system. Hydrobiologia 289, 119–137 (1994).
8. Garnier, J., Billen, G. & Coste, M. Seasonal succession of diatoms and chlorophycae in the drainage network of
the river Seine: Observations and modelling. Limnol. Oceanogr. 40, 750–765 (1995).
9. Vilmin, L., Flipo, N. & Poulin, M. Le modèle de simulation biogéochimique C-rive. (PIREN-Seine: 2012).
10. Wikle, C. K. & Berliner, L. M. A Bayesian tutorial for data assimilation. Physica D: Nonlinear Phenomena 230, 1–
16 (2007).
11. Vannote, R. L., Minshall, G. W., Cummins, K. W., Sedell, J. R. & Cushing, C. E. The river continuum concept. Can.
J. Fish. Aquat. Sci. 37, 130–137 (1980).
12. Billen, G., Garnier, J., Mouchel, J.-M. & Silvestre, M. The Seine system: Introduction to a multidisciplinary
approach of the functioning of a regional river system. Sciences of Total Environment 375, 1–12 (2007).