Schéma conceptuel biologique

Le schéma conceptuel du modèle biogéochimique RIVE est présenté sur la figure (4.9). Il décrit de façon déterministe les processus biologiques de croissance et de mortalité bactérienne hétérotrophe et autotrophe, phytoplanctonique et zooplanctonique. Il simule l’impact de ces processus sur les teneurs en carbone, azote, phosphore et oxygène (Billen et al., 1994 ; Garnier et al., 1995). Le schéma conceptuel se fonde sur la description de processus appréhendés par l’expérience et décomposés en étapes élémentaires dont le moteur est la croissance de microorganismes. Les variables de la colonne d’eau sont également présentes dans les sédiments (sédimentation des variables particulaires, échanges des espèces dissoutes par diffusion à l’interface). Les mêmes processus biologiques que dans la colonne d’eau continuent de s’y dérouler.

Nous avons décidé de simplifier le module biologique RIVE pour permettre de réduire le temps de calcul et ne considérer que les processus dominants en fonction de notre domaine et des échelles de temps et d’espace que nous modélisons.

ELEMENTS NUTRITIFS _OXYGENE BACTERIES BACTERIES NITRIFIANTES Chlorophycées, diatomées PHYTOPLANCTON MATIERE ORGANIQUE Nh4, NO3, PO4, SI Particulaire, dissoute Réaération Photosynthèse respiration Lyse Prélèvement Lyse Reminéralisation Nitrification Sédimentation Erosion Grosses, petites

Figure 4.9. Schéma conceptuel du modèle biogéochimique RIVE.

Les éléments nutritifs ne sont pas des variables d’état

L’ammoniaque, les nitrates et les orthophosphates sont des éléments de base constitutifs de la matière organique. Ils sont assimilés directement par le phytoplancton et restitués dans le milieu, principalement par les processus d’excrétion zooplanctonique (Capblancq, 1990).

Nous ne modélisons pas ces éléments pour des raisons propres à notre secteur d’étude :

• en période d’étiage et pour l’aval immédiat des rejets d’Achères (10 km), ils ne sont pas limitants pour le phytoplancton car ils sont en quantité suffisante dans la colonne d’eau ; • le prélèvement bactérien d’ammoniaque et de phosphore est réduit dans les milieux eutrophes

où la matière carbonée est suffisamment riche pour pourvoir aux besoins de croissance (Hoch & Kirchman, 1995) ;

• l’impact des concentrations des éléments nutritifs sur l’oxygène dissous, via les processus de nitrification/dénitrification est secondaire à l’aval immédiat des rejets. Ce n’est qu’à l’aval de Méricourt que la nitrification devient un processus majeur consommateur de l’oxygène dissous de la colonne d’eau (Even, 1995). En ce qui concerne les sédiments, les termes de production d’ammoniaque et de consommation des nitrates sont surtout visibles dans le bief Andrésy-Méricourt (Even, 1995). Les bactéries nitrifiantes se développent à partir d’Achères mais ne deviennent efficaces qu’au delà de Méricourt.

Ces processus ne sont pas pris en compte car nous cherchons à modéliser la qualité de l’eau sur les dix kilomètres à l’aval de la station d’épuration d’Achères, en période d’étiage. Une modélisation à des échelles d’espace ou de temps plus importants ne serait possible qu’en intégrant ces phénomènes dans le modèle de qualité d’eau.

Les processus pour le phytoplancton

Il est important de conserver un compartiment phytoplanctonique dans le schéma conceptuel adopté du fait de sa participation au contrôle du niveau d’oxygénation de la rivière. Les biomasses sont importantes, surtout en période estivale et la production d’oxygène par photosynthèse contrebalance les déficit induits par la dégradation de la matière organique par les bactéries hétérotrophes. Par contre, en période nocturne, la biomasse phytoplanctonique consomme l’oxygène de la colonne d’eau et accentue son déficit.

Dans RIVE, plusieurs espèces (en réalité groupes) phytoplanctoniques peuvent être modélisées (Garnier et al., 1995). La concentration de chacune d’elle est exprimée en carbone. Le schéma conceptuel utilisé pour le modèle de dynamique de population phytoplanctonique, appelé AQUAPHY, a été développé par Lancelot et al. (1986) et se fonde sur l’interprétation d’expériences d’incorporation de carbone marqué dans les différents constituants cellulaires : les petits métabolites M (petites molécules précurseurs), les produites de réserve R (principalement glucides et lipides) et les macromolécules fonctionnelles F (principalement protéines, acides nucléiques et pigments). Pour une espèce donnée, la concentration de la biomasse

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Les petits métabolites M sont incorporés dans la cellule algale lors de la photosynthèse. La croissance, la respiration et l’excrétion sont des processus liés au fonctionnement de la cellule. Ils sont fonction des constituants cellulaires F. Des échanges continus entre les stocks de métabolites et de produits de réserve (synthèse/catabolyse) permettent de gérer les réserves internes à la cellule : stockage de produits de réserve en cas d’excédent de petits métabolites (jour) et utilisation de produits de réserve pour la croissance en cas de déficit en petits métabolites (nuit, obscurité). La respiration permet la production d’énergie pour la cellule algale, pour assurer la maintenance de la cellule mais également la croissance. La sédimentation et la mortalité du phytoplancton affectent de manière identique tous les constituants de la cellule.

La fonction principale de la cellule est d’assurer sa croissance. La synthèse de nouvelles macromolécules fonctionnelles F utilise les métabolites M (carbone) et les éléments nutritifs (figure 4.10).

Pour une description plus détaillée des équations des différents constituants du phytoplancton et du rôle joué par la température dans la détermination des paramètres phytoplanctoniques, le lecteur pourra se référer à Lancelot et al (1986) et Poulin et al (1998).

Dans le souci de limiter le nombre de variables d’état du modèle sans pour autant dénaturer les processus modélisés, nous avons opté pour la mise en œuvre d’un schéma simplifié du phytoplancton qui relie directement la croissance à la lumière et considère la biomasse algale comme un stock de carbone indifférencié. Le processus de photosynthèse reste quant à lui inchangé. Cette formulation relie la respiration au taux de photosynthèse maximal ou à la biomasse totale en tenant éventuellement compte d’un terme constant. Les processus pris en compte essaient au maximum d’exploiter les paramètres déjà validés par AQUAPHY (Lancelot et al., 1986). La figure 4.10 compare les différents processus pris en compte dans le modèle AQUAPHY et le modèle AQUAPHY simplifié.

.Dans les prochains paragraphes, nous décrivons plus précisément le schéma conceptuel adopté et les différents paramètres et fonctions de forçage qui l’accompagnent.

Figure 4.10. Modèle AQUAPHY de la dynamique de population phytoplanctonique et modèle simplifié mis en œuvre dans SUBIEF 2D.