Projet Seine-Aval 6 PHARESEE « Productivité microphytobenthique des HAbitats intertidaux en lien avec la dynamique sédimentaire, biogéochimique et les ingénieurs d'écosystème de la faune benthique : implication pour des enjeux de modélisation et de REhabilitation des vasières de la SEine Estuarienne »

L'estuaire de la Seine est soumis à divers stress anthropiques et hydro-climatiques. Cet écosystème côtier perd son caractère estuarien à cause d'aménagements qui ont eu comme conséquence de voir disparaître de vastes surfaces de vasières intertidales. Ces habitats fonctionnels jouent un rôle majeur dans le fonctionnement écologique des estuaires, car ils abritent des communautés méio- et macro-benthiques très diversifiées et représentent la principale zone d’alimentation de nombreux vertébrés dont certains d’intérêt écologique ou commercial majeur (e.g. poissons, oiseaux). La dynamique des vasières intertidales est fortement influencée par les processus hydro-sédimentaires estuariens, étant tantôt source, tantôt puits de sédiment. Elles constituent ainsi un élément essentiel des cycles biogéochimiques se déroulant au sein des estuaires. Les caractéristiques morphologiques et biogéochimiques de ces zones vont directement influencer les échanges de matière et d’énergie qui s’y déroulent. Il est donc impératif d'avoir une approche pluridisciplinaire pour comprendre leur fonctionnement. Le projet PHARE-SEE avait pour objectif (i) de mieux comprendre le rôle des bioturbateurs et leur effet sur le microphytobenthos, les paramètres hydrosédimentaires et biogéochimiques dans les vasières de l’estuaire de Seine et (ii) de développer un modèle de production primaire microphytobenthique couplant l’ensemble des paramètres susmentionnés. Le premier objectif du projet a été réalisé en couplant expériences sur le terrain et en laboratoire. Ainsi, des expériences d’exclusion/ensemencement de faune ont été menées sur la vasière Nord, à l’aval de l’estuaire de Seine, et sur 2 faciès sédimentaires contrastés, avec un suivi de la dynamique saisonnière du microphytobenthos et de l’ensemble des paramètres biogéochimiques et hydrosédimentaires. De plus, des expériences en laboratoire ont été réalisées, avec une évaluation des flux diffusifs de nutriments à 2 saisons contrastées (hiver/été) en fonction du mélange sablo-vaseux et de l’intensité de la bioturbation par la macrofaune benthique dominante de la vasière (le ver Hediste diversicolor et le bivalve Scrobicularia plana). Les expériences de terrain ont montré que l’effet saisonnier était plus prononcé que celui des bioturbateurs sur l’ensemble des paramètres biogéochimiques dans le sédiment (matière organique sédimentaire, processus et biomasse microbiens). Contrairement à la matière organique sédimentaire, principalement d’origine terrigène, la matière organique dissoute présente dans les eaux interstitielles, majoritairement d’origine autochtone, est réactive et influencée par l’activité des bioturbateurs. Ces derniers ont une influence prononcée sur l’érodabilité, avec un rôle biostabilisateur efficace pour Hediste diversicolor en été comme en hiver et un rôle déstabilisateur pour Scrobicularia plana exclusivement en été. Malgré des processus de consommations primaires très élevés et des pertes par érosion, le niveau de production primaire microphytobenthique reste par ailleurs très important sur la vasière. Les analyses réalisées ont également révélé le rôle majeur du microphytobenthos dans le réseau trophique pour H. diversicolor, S. plana et la méiofaune (analyses isotopes stables, collaboration projet SA6 SENTINELLES). Les expériences en mésocosme, complémentaires de celles réalisées sur le terrain, ont montré que l’activité de bioturbation des deux ingénieurs d’écosystème diffère quelle que soit la saison. Ainsi, le processus de transport d’eau et des composés dissous (bioirrigation) domine chez H. diversicolor, alors que l’activité de S. plana est dominée par le remaniement sédimentaire. Les flux biogéochimiques à l’interface eau-sédiment sont principalement influencés par la bioirrigation. Enfin, il a été observé que S. plana consomme très activement les biofilms microphytobenthiques et limite fortement leur capacité de développement, alors que la biomasse microphytobenthique n’est pas affectée par les activités de Hediste. Cela démontre que la consommation herbivore est totalement compensée par des effets positifs liés probablement à la bioirrigation, activée de manière générale plus de 40 fois par Hediste. Dans un second temps, ce projet proposait de modéliser la production primaire microphytobenthique en relation avec la dynamique sédimentaire et les processus biogéochimiques. Les données acquises via expériences en laboratoire et sur le terrain ont servi à développer ce modèle. Ainsi, le modèle MARS3D en version Cross-shore 2DV a été implémenté sur la vasière intertidale étudiée avec une très bonne qualité des simulations des processus hydrosédimentaires et des variations altimétriques. L’intégration de l’effet de la bioturbation et de la régulation de l’érodabilité des sédiments a permis d’améliorer encore la qualité des simulations. Un modèle de diffusion thermique a été intégré, testé et amélioré en termes d’interaction avec la composition sédimentaire. Le modèle biogéochimique BLOOM a été intégré également dans le modèle MARS3D avec une dynamique biogéochimique saisonnière bien représentée. Le modèle prend en compte le rôle des bioturbateurs sur les flux diffusifs, mais une perspective d’amélioration doit être envisagée pour mieux reproduire les flux à l’interface eau-sédiment et l’assimilation du NH4 + par le microphytobenthos en surface. Enfin, le modèle de la production primaire microphytobenthique a été implémenté dans le code MARS3D et fournit des simulations de la dynamique spatio-temporelle des biomasses microphytobenthiques intéressantes, même si les flux sont encore sous-estimés dans le modèle et les interactions avec la faune doivent encore être améliorées. Au final, les très nombreuses données issues du projet PHARESEE et le modèle associé serviront à comprendre et relier les nombreux facteurs influençant le fonctionnement des vasières et leurs rôles écosystémiques essentiels – rôle physique, de régulation sur les cycles biogéochimiques et rôle de productivité biologique et soutien au réseau trophique. Des travaux de synthèse ont été engagés en particulier pour tenter d’expliquer le haut niveau de productivité actuel du système en lien avec la bonne santé des espèces sentinelles (ingénieurs d’écosystèmes) de la macrofaune benthique

Comportement des contaminants métalliques en zone littorale : apports de la modélisation

Un modèle de complexation de surface a été développé pour simuler le comportement des métaux traces en zone littorale. Le modèle est présenté à travers une application au cadmium. Cet exemple montre les limites et les besoins de cette approche, qui, pour être opérationnelle, doit se baser sur la connaissance de nombreux paramètres mesurés sur le terrain ou à partir d'expérimentations menées en laboratoire. L’exigence est en effet de pouvoir réduire au maximum les degrés de liberté du modèle. De plus, une utilisation "pratique" de ce modèle à des sites donnés requiert un couplage à des modèles hydrosédimentaires qui reproduisent avec précision la distribution spatio-temporelle des variables nécessaires aux calculs de spéciation. Mais dans son état actuel, le modèle est néanmoins un outil utile pour l’interprétation et la synthèse des données recueillies sur le terrain ou en laboratoire.Gonzalez J. L., Thouvenin Bénédicte. Comportement des contaminants métalliques en zone littorale : apports de la modélisation. In: L'eau, l'homme et la nature. 24èmes journées de l'hydraulique. Congrès de la Société Hydrotechnique de France. Paris, 18-19-20 septembre 1996. 1996

Modélisation de la dynamique des indicateurs de qualité microbiologique et du risque sanitaire en estuaire de Seine: Rapport d'activité

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CYMES – Cycle de la matière organique en Estuaire de Seine

Etude réalisée dans le cadre du programme Seine Aval soutenu par la Région Haute Normandieinfo:eu-repo/semantics/publishe

Rapport IV.8 Calcul simplifié de la dispersion des rejets en mer à marée et application au devenir des bactéries. Étude en rade de Brest

Simplified calculation for dispersion of sewage in tidal seas and application to the fate of bacterias. Study in the roadstead of Brest. Physical processes of dilution have been numerically simulated in the North East part of the roadstead of Brest in order to estimate the effect of individual ontfalls in the environment. The method is based on partition between advection and dispersion terms. Discretization of continuous discharges allows for an analytical solution of dispersion to be found in the case of unsteady flow. Advection is considered in a lagrangian mode, trajectories being calculated from hydrodynamic models . By comparison between theoretical and in situ concentrations, bacterial decay is estimated as T 90. We find that this T 90 increases with distance from the outfall, suggesting an adaptation of some terrestrial bacterias in the marine environment.Afin de connaître l'impact respectif des divers rejets d'égoût dans le secteur Nord-Est de la rade de Brest les processus physiques de dilution des effluents ont été modélisés numériquement . La méthode est fondée sur la séparation des termes d'advection et de dispersion. En discrétisant le rejet continu, une résolution analytique de la dispersion a pu être appliquée pour un régime de courant non permanent. L'advection est traitée de manière lagrangienne à partir de champs de courant obtenus à l'aide de modèles hydrodynamiques. Par comparaison entre concentrations calculées et mesurées, une décroissance bactérienne a été exprimée sous forme de T 90. On observe un accroissement du T 90 avec la distance au rejet, qu'une relative adaptation des bactéries au système eau/sédiment pourrait expliquer.Le Hir Pierre, Chardy Pierre, Thouvenin Bénédicte, Breton M., Salomon Jean-Claude. Rapport IV.8 Calcul simplifié de la dispersion des rejets en mer à marée et application au devenir des bactéries. Étude en rade de Brest. In: L'hydraulique et la maitrise du littoral. Problèmes côtiers posés par le mouvement des sédiments et la pollution. Dix-huitièmes journées de l'hydraulique. Marseille, 11-13 septembre 1984. Tome 4, 1984

Ecological model of the Bay of Biscay and English Channel shelf for environmental status assessment part 1: Nutrients, phytoplankton and oxygen

International audienceEuropean directives (Water Framework Directive - WFD and Marine Strategy Framework Directive - MSFD) require a regular survey of several descriptors of the Environmental Status of coastal waters of the North-east Atlantic Ocean. Especially for the MSFD, which may concern large continental shelf areas where measurements are scarce, realistic ecological models can help assessing the Environmental Status. The ECO-MARS3D model of the pelagic ecosystem of the Bay of Biscay and English Channel continental shelf (NE Atlantic) has been developed for these applied purposes and validated against various types of historic data. This first paper deals with the basic biogeochemical version, which contains inorganic nutrients (NH4, NO3, PO4, Si(OH)4), three phytoplankton bulk types (diatoms, nanoflagellates and dinoflagellates), two zooplankton bulk types, particulate detrital forms and dissolved oxygen. A second paper presents a version of this model including 3 harmful phytoplanktonic groups. A simulation covering the 2000-2010 decade is compared to satellite sea surface data for temperature and surface chlorophyll, to the Southampton-Bilbao and Ouistreham-Portsmouth ferrybox surface data for temperature, salinity, chlorophyll and nutrients, to point samples provided by the French network of phytoplankton monitoring (REPHY) for inorganic nutrients and chlorophyll, and to high frequency time series of dissolved oxygen measured by a moored automatic buoy. From a spatial point of view, the model provides realistic fields of annual means of surface temperature (but with a systematic bias of about + 1.0 °C) and phytoplanktonic biomass. From a seasonal point of view, the temperature and salinity follow correctly the observed variations. For nutrient and total chlorophyll, the model succeeds in reproducing the difference amounting to one order of magnitude between the North Sea coastal zones and the oligotrophic oceanic zone above the abyssal plain of the bay of Biscay. It also reproduces the spring-neap tide oscillation visible in satellite observations of surface chlorophyll. Simulated seasonal cycles are realistic in the coastal stations, but the French Atlantic coast seems slightly too nutrient-rich. In coastal eutrophicated areas, the model does not produce chlorophyll peaks as high as measured. In the Vilaine bay (France), the summer hypoxic conditions (down to 4 mg/L O2 or less) are correctly reproduced. This ecological model has been used off-line to map some classical eutrophication descriptors (winter DIN and DIP, March-October 90th percentile of chlorophyll) used by the WFD and MSFD European directives. It has also been turned into an operational real-time mode, as part of the French Previmer project (now: http://marc.ifremer.fr/resultats/production_primaire)

Validation de SiAM3D pour le cycle de la matière organique et bilans de carbone: Rapport d'activité

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MASSILIA: Modélisation de la baie de Marseille: Influence des apports anthropiques de la métropole sur l'écosystème marin

In the framework of sustainable development, the anthropogenic impact of large coastal cities on the marine ecosystem is a key issue. This project aimed to improve our knowledge in marine ecosystem response to the anthropogenic supplies (from rivers, sewage outflows and atmosphere) from large cities. In particular, the goal is to underline how the physical forcing decreases or increases the anthropogenic impact on the coastal ecosystem and the assessment of the chemical contaminant (PCB) inputs (from city to sea) and exports (from mid-sea to open sea).Dans une perspective de développement durable, il est nécessaire d'appuyer les politiques publiques et les modes de gestion, sur des recherches amont permettant de mieux identifier et évaluer l’influence de l’homme sur son environnement. L’étude de l’impact anthropique des grandes métropoles côtières sur le fonctionnement des écosystèmes marins apparaît une priorité pour un développement durable en Méditerranée. Le projet MASSILIA a consisté en l’étude de l’influence de la grande métropole Marseillaise sur l’environnement marin côtier grâce à des approches de modélisation numérique. L’objectif était de mieux comprendre le fonctionnement particulier de cet écosystème soumis à une influence anthropique multiple : émissaire, fleuves côtiers, Rhône en utilisant l’importante base de données disponibles et en l’intégrant dans des outils numériques. Le projet a tenté de comprendre à partir de l’étude de ce cas particulier, l’influence que peut avoir une grande métropole sur l’environnement côtier. Cette étude s'appuie sur les travaux réalisés dans le cadre des projets METROC et GIRAC, tant du point de vue des mesures des apports par les fleuves côtiers et l'émissaire, que de la modélisation