Analyse et simulation numérique d'écosystèmes aquatiques en réponse aux changements environnementaux anthropiques – ANSWER

ANSWER est un projet collaboratif franco-chinois qui porte sur la modélisation et la simulation d’écosystèmes lacustres eutrophes pour l'étude de l’impact de changements environnementaux anthropiques sur la prolifération des cyanobactéries. Ce projet s’inscrit dans un contexte environnemental préoccupant, dans lequel les besoins en eau augmentent alors que la qualité des ressources disponibles se dégrade en raison de pollutions de diverses natures et du stress hydrique. En particulier, l’eutrophisation des écosystèmes lentiques due aux apports excessifs en nutriments (phosphore et azote) est devenue un problème majeur qui favorise les phénomènes de blooms cyanobactériens perturbant ainsi le fonctionnement et l'utilisation des écosystèmes.
Depuis 40 ans, des mesures de réduction des apports en nutriments (notamment en phosphore) sont appliquées dans les pays développés pour lutter contre ces blooms alors qu’une trajectoire inverse d’augmentation des apports nutritifs s’observe dans d’autres pays. Dans le même temps, la température et la concentration en CO2 atmosphérique ont augmenté avec des conséquences significatives sur la dynamique des communautés phytoplanctoniques des lacs. Ces modifications qui s’exercent à l’échelle locale ou globale conduisent à des changements significatifs dans les rapports C/N/P des écosystèmes. Le projet ANSWER se propose d’étudier les conséquences de ces variations sur la dynamique des blooms cyanobactériens, en utilisant des approches de modélisation et de simulation numérique qui s’appuieront sur des expérimentations spécifiques et/ou existantes et des données de terrain.
Pour représenter la complexité du fonctionnement des écosystèmes lentiques, l’utilisation de modèles dynamiques 3D issus du couplage de modèles hydrodynamique et écologique est indispensable. Le développement, la calibration et la simulation de tels modèles nécessitant un large panel de compétences, des chercheurs d’origines variées (informatique, mathématiques appliquées, modélisation, limnologie physique et écologie microbienne) travailleront conjointement au développement d’une plate-forme intégrée pour la modélisation des écosystèmes lacustres qui comprendra des outils de gestion de données et de représentation de la connaissance, des modèles et des méthodes statistiques pour la calibration et la validation de modèles.
Les modèles seront utilisés pour :
(1) la simulation à court terme (semaines) de l'impact de variations brutales du rapport C/N/P (dues à des événements climatiques) sur l'initiation des blooms et l'évolution de leur distribution spatiale;
(2) l'étude comparative de la dynamique et composition des communautés phytoplanctoniques au cours d'un cycle annuel en fonction de la tendance observée du rapport C/N/P en France et en Chine;
(3) le test et l'optimisation de stratégies de contrôle dont l'impact combiné avec les changements climatiques résulte en une modification du rapport C/N/P.
Les processus de recyclage de la matière organique par les bactéries dans la colonne d'eau et de relargage des nutriments par les sédiments seront étudiés expérimentalement pour améliorer les modèles. En effet, bien que ces processus soient considérés comme essentiels pour la dynamique des cyanobactéries, ils sont souvent ignorés ou grossièrement représentés dans les modèles existants.
Les difficultés de mise en œuvre des modèles d'écosystèmes lacustres proviennent souvent du manque de données, ou de leur pauvre qualité, qui rend difficile la calibration et la validation des modèles. Grâce à la diversité des équipes Françaises et Chinoises impliquées, nous disposerons de données de qualité acquises sur des écosystèmes variés (le lac Taihu en Chine, la retenue de Villerest et lac de Champs-sur-Marne en France). De plus, notre consortium réunissant des compétences très larges, nous serons capables de prendre en compte dans la construction des modèles, les nombreux processus qui interviennent dans le fonctionnement des écosystèmes.