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Calibration d’un modèle écologique complexe pour la simulation du cycle biogéochimique dans un lac urbain

Description: 

Contexte

Les lacs, naturels ou de barrage, renferment la majeure partie de l’eau douce liquide disponible sur Terre. Les flux de nutriments et de polluants issus des activités humaines impactent fortement les écosystèmes aquatiques. La qualité de l’eau se dégrade, la biodiversité décline et les biens et services écosystémiques fournis par les lacs (ressource en eau potable, ressource piscicole, attrait paysager, zone de baignade ….) sont affectés. D’après l’Agence européenne pour l’environnement (AEE), 40% des masses d'eau de surface européennes seulement présentaient un état écologique bon ou élevé en 2018 (Kristensen et al. 2018). Ainsi la préservation des écosystèmes lacustres qui constitue déjà un enjeu majeur, sera plus cruciale encore lors des prochaines décennies.

En France, le premier système d’évaluation de la qualité de l’eau, instauré en 1971, permettait de définir à quelle utilisation pouvait être destiné un plan d’eau. En 2000, avec la Directive Cadre Européenne sur l’Eau (DCE), l’objectif est d’atteindre un bon état écologique pour l’ensemble des plans d’eau européens et de le maintenir. Pour cela, des campagnes de mesures sont effectuées régulièrement sur l’ensemble des lacs de surface supérieure à 50 hectares: en France cela représente environ 500 plans d’eau qui comptent pour 65 % de la superficie totale des plans d’eau métropolitains (voir base de données CarTHAge http://www.sandre.eaufrance.fr).

En plus des pollutions d’origine anthropique, les écosystèmes lacustres sont soumis au changement climatique. Plusieurs études ont mis en avant l’impact du réchauffement climatique sur la stratification thermique ainsi que sur la température de l’eau des lacs au cours de ces dernières décennies. Le taux de variation de la température de l’eau étant souvent plus important que celui de la température de l’air, les lacs sont considérés par certains comme des "sentinelles" du changement climatique (Adrian et al. 2009).

Mais la thermique des lacs, si elle est la plus directement impactée, n’est pas la seule. La dynamique biogéochimique connaît également de fortes modifications comme le montrent les phénomènes de proliférations cyanobactériennes (potentiellement toxiques). Ces derniers sont en effet de plus en plus fréquents et de plus en plus intenses. Si l’on sait que l’eutrophisation (due à un apport excessif de nutriments) est en partie responsable de ces phénomènes, le réchauffement climatique y participe également. Les cyanobactéries sont en effet favorisées par une température d’eau assez chaude et par la faible turbulence dans la masse d’eau lors des épisodes de stratification thermique plus fréquents ou longs. De plus, le changement climatique se manifeste également, dans certaines régions hydro-climatiques, par des pluies plus abondantes ce qui peut amener à une augmentation des flux de nutriments provenant des bassins versants, ou des nappes d’eau souterraines. Il participe ainsi à l’eutrophisation des lacs et favorise là encore la prolifération des cyanobactéries.

Dans ce contexte, il est donc important de comprendre et quantifier les contributions relatives des activités anthropiques locales et des changements globaux dans les réponses inter-annuelles des écosystèmes lacustres (qualité des eaux, biodiversité…). Pour cela, il est nécessaire de disposer de séries pluriannuelles de mesures physico-chimiques et biologiques in situ. Cependant, ces mesures sont souvent en faible nombre et leur fréquence insuffisante pour caractériser les processus à prendre en compte. La modélisation numérique est en ce sens un outil intéressant et même indispensable quand il s’agit de valider des hypothèses de fonctionnement des écosystèmes et de faire de la prédiction sur la base de ces connaissances.

Objectifs du stage

Durant ce stage on se propose d’étudier la dynamique d’un écosystème lacustre en mettant en œuvre une approche de modélisation déterministe décrivant les processus physico-bio-géochimiques essentiels.

L’approche proposée sera appliquée sur le lac expérimental de Champs-sur-Marne (Ile-de-France) sur lequel des mesures à haute-fréquence (météorologie, thermique, qualité de l’eau) sont collectées par le LEESU (Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains, Ecole des Ponts ParisTech) depuis 2017. Le fonctionnement thermique du plan d’eau sera modélisé avec le modèle unidimensionnel vertical, GLM (General Lake Model), modèle de référence appliqué sur de nombreux plans d’eau, à l’échelle mondiale (e.g. Bruce et al., 2018). Pour la partie biogéochimique, le modèle sera couplé à la librairie AED (Aquatic Ecological Dynamics) de processus biogéochimiques en accès libre.

L’objectif est de mettre en œuvre le modèle couplé hydro-écologique GLM-AED sur le lac de Champs-sur-Marne et de le calibrer à partir des données de terrain disponibles (de 2017 à 2021).

Travaux prévus :

  1. Mise en œuvre du modèle GLM-AED sur le lac de Champs-sur-Marne avec la configuration de la partie écologique issue de travaux précédents (thèse de Francesco Piccioni, 2021) .

  2. Calibration des paramètres écologiques du modèle GLM-AED sur l’ensemble des données disponibles, de 2017 à 2021. Une ou des techniques de calage automatique seront testées et appliquées sur le modèle biologique pour estimer les paramètres du modèle identifiés comme les plus importants via une analyse de sensibilité. Les techniques ciblées sont les algorithmes ABC-Random Forest (Piccioni et al. 2022), les algorithmes avec méta-modèles comme la méthode EGO (Efficient Global Optimization) ou d’autres méthodes similaires adaptées aux modèles écologiques complexes (Kandris et al.,2020) ayant de nombreux paramètres à calibrer.

    Un second stage portant sur l’évaluation de l’impact du changement climatique sur la thermique du lac de Champs-sur-Marne par exploration numérique du modèle GLM est également proposé par les mêmes encadrants (voir mail de contact en bas de page pour obtenir des renseignements complémentaires). Les deux stagiaires seront accueillis à MISTEA et travailleront en même temps sur leurs sujets respectifs. Ils seront amenés à collaborer pour la prise en main des logiciels, la mise en œuvre du modèle et le traitement des données.

Références

Adrian, R., O'Reilly, C. M., Zagarese, H., Baines, S. B., Hessen, D. O., Keller, W., ... & Winder, M. (2009). Lakes as sentinels of climate change. Limnology and oceanography, 54(6part2), 2283-2297.

Bruce, L. C., Frassl, M. A., Arhonditsis, G. B., Gal, G., Hamilton, D. P., Hanson, P. C., ... & Hipsey, M. R. (2018). A multi-lake comparative analysis of the General Lake Model (GLM): Stress-testing across a global observatory network. Environmental Modelling & Software, 102, 274-291.

Kandris, K., Romas, E., & Tzimas, A. (2020). Benchmarking the efficiency of a metamodeling-enabled algorithm for the calibration of surface water quality models. Journal of Hydroinformatics, 22(6), 1718-1726.

Kristensen, P., Whalley, C., Zal, F. N. N., & Christiansen, T. (2018). European waters assessment of status and pressures 2018. EEA Report, (7/2018).

Piccioni, F. (2021). Écosystèmes lacustres dans un contexte de changement climatique: stratégie de modélisation couplée hydrodynamique et biogéochimique. Thèse soutenue le 14 octobre 2021.

Piccioni, F., Casenave, C., Baragatti, M., Cloez, B., & Vinçon-Leite, B. (2022). Calibration of a complex hydro-ecological model through Approximate Bayesian Computation and Random Forest combined with sensitivity analysis. Ecological Informatics, 71, 101764.

Roux, S., Buis, S., Lafolie, F., & Lamboni, M. (2021). Cluster-based GSA: Global sensitivity analysis of models with temporal or spatial outputs using clustering. Environmental Modelling & Software, 140, 105046.

Profil recherché

Etudiant(e) en mathématiques appliquées en Master 2, en stage de fin d'études, ou en césure (niveau bac+4) avec des compétences et un goût pour la modélisation et la simulation numérique. Un bon niveau en programmation est requis (R et/ou python et/ou matlab). Des connaissances en écologie-biogéochimie seraient un plus.

Modalités du stage

La ou le stagiaire sera accueilli(e) au sein de l’UMR MISTEA (Mathématiques Informatique et Statistiques pour l’Environnement et l’Agronomie), sur le campus de la Gaillarde de Montpellier SupAgro – 2 place Pierre Viala, 34090 Montpellier. Le stage sera encadré par Céline Casenave, chercheuse INRAE (Institut National de Recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement) à l’UMR MISTEA (Mathématiques Informatiques et Statistiques pour l’Environnement et l’Agronomie), Gilles Le Moguédec, chercheur INRAE à l’UMR AMAP (botAnique et Modélisation de l’Architecture des Plantes et des végétations) et par Brigitte Vinçon-Leite, chercheuse au LEESU-ENPC (Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbains, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées).

 

La durée du stage sera de 6 mois et pourra commencer dès février 2023 en fonction des disponibilités du(de la) stagiaire. Le(la) stagiaire bénéficiera d’une gratification de stage ainsi qu’un tarif cantine réduit.

Contacts :

Merci d’envoyer votre dossier de candidature (CV, derniers relevé de notes et lettre de motivation) à :

Céline Casenave : celine.casenave@inrae.fr, Gilles Le Moguédec et Brigitte Vinçon-Leite :  b.vincon-leite@enpc.fr

Type de l'offre: 
Date limite de la candidature: 
26/09/2022
Période d'emploi: 
01/02/2023 - 31/07/2023
Email du contact: 
Unité de recherche d'affectation: 
Localisation CR INRA: