Encadrants :
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Brigitte Vinçon-Leite, Celine Casenave, Alexandrine Pannard, Jean-Marc Gillier
Structures d’accueil :
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Ecole des ponts (lieu du stage) / MISTEA Inrae / Université de Rennes / SNPN – Réserve naturelle nationale du Lac de Grand-Lieu (signataire de la convention de stage)
Résumé
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L’eau douce couvre 3 % de la surface des terres continentales, les lacs peu profonds dominant largement cette surface globale. Dans ces écosystèmes, les macrophytes aquatiques sont des espèces « ingénieurs » avec de nombreux effets directs et indirects sur les paramètres physiques et chimiques de l’eau, sur la production de bio-surface et d’habitats, ainsi que sur les communautés aquatiques elles-mêmes. Par leur influence sur les processus hydrodynamiques, ils jouent un rôle important dans le contrôle du transport et de la distribution spatiale des nutriments et des organismes.
La présence des macrophytes dans les plans d’eau est fortement menacée par la pollution de l’eau, l’eutrophisation, le changement climatique et les espèces invasives. Alors que les macrophytes submergés ont subi un fort déclin, les macrophytes enracinées à feuilles flottantes subsistent dans les plans d’eau eutrophes. Beaucoup moins diversifiés, ils sont aussi beaucoup moins étudiés. Or, on peut attendre des impacts similaires, voire plus forts pour l’ombrage par exemple. Une stratification thermique journalière marquée par des différences de température de l’eau entre la surface et le fond allant jusqu’à 9°C a été observée dans des herbiers de nénuphars, avec des répercussions sur les dynamiques chimiques et biologiques du plan d’eau.
La modélisation de la circulation des masses d’eau dans les plans d’eau, couplée à des modèles écologiques, est devenue incontournable pour mieux appréhender les trajectoires à court terme et à long terme de ces écosystèmes. Cependant, certains processus sont encore mal représentés dans ces modèles. Un des verrous concerne le rôle des macrophytes dans la circulation des masses d’eau. Les macrophytes modifient la structure thermique de la colonne d’eau (1D), déjà démontrée in situ mais non quantifiée par des modèles thermiques. En modifiant le mélange et la température de la colonne d’eau ainsi que les circulations horizontales, les macrophytes créent un milieu très hétérogène et impactent les flux benthiques et les échanges gazeux,et ainsi la totalité du fonctionnement biogéochimique du lac.
L’objectif de ce stage de Master est de comparer le fonctionnement physique de différentes régions d’un plan d’eau, celles recouvertes de nénuphars et celles en eau libre, en fonction des caractéristiques de ces régions (profondeur, recouvrement par les nénuphars, fetch…).
Le site d’étude est le Lac de Grand-Lieu (Loire-Atlantique). Situé sur la façade atlantique à quelques kilomètres au sud-ouest de Nantes, ce lac est un des plus grands de France (6300 ha en hiver, 2200 en été). Classé Réserve Naturelle Nationale, il fait l’objet de nombreuses protections réglementaires en raison de son très grand intérêt sur le plan de la biodiversité. De faible profondeur (moins d’un mètre en moyenne en été), sa zone centrale (sur laquelle se centrera l’étude) est occupée par de vastes herbiers de macrophytes flottants (nénuphar essentiellement). Les herbiers de macrophytes submergés ont considérablement régressé et laissent une vaste zone quasiment dénuée de végétation au centre du lac. L’eutrophisation, l’impact des polluants chimiques (agricoles essentiellement), les espèces exotiques envahissantes, la gestion des niveaux d’eau et les conséquences des changements climatiques sont les principales pressions auxquelles est confronté le lac de Grand-Lieu.
Un important jeu de données a été collecté sur le site du lac de Grand-Lieu :
• suivi de la température de l’eau simultané en plusieurs points du lac (6 années de données, 6 à 11 stations suivies sur tout ou partie de l’année, 1 donnée/10 min)
• suivi de l’oxygène dissous pendant 6 mois/an en 2 à 4 points du lac (depuis 2020, 2 à 4 stations suivies sur 3 à 7 mois, 1 donnée /10 min)
• cartographie de la zone centrale du lac de Grand-Lieu (2021) et son évolution depuis 30 ans
• bathymétrie récente (2021-2023) de la zone centrale du lac et son évolution depuis 25 ans
En se basant sur ce jeu de données, plusieurs éléments du fonctionnement de différentes régions du lac, présentant un gradient de recouvrement par les nénuphars, seront analysés et comparés. L’évolution de la thermique de la colonne d’eau sera calculée avec le modèle unidimensionnel vertical GLM, à une fine échelle temporelle (journalière). Le calage des paramètres du modèle (e.g. échanges de chaleur, diffusivité verticale et horizontale) sera effectué en appliquant une méthode de calage automatique et en utilisant les profils verticaux de température mesurés dans les différentes stations. Les profils mesurés seront également utilisés pour la validation du modèle thermique. Les données du modèle météorologique SAFRAN (Météo-France) seront utilisées pour le forçage météorologique.
Le bilan thermique sera analysé en détails dans les différentes régions du lac (Lake Heat flux Analyzer). Le niveau de turbulence dans les régions en eau libre et recouvertes par les herbiers sera caractérisé (nombre de Reynolds). Le métabolisme sera également estimé à partir des données d’oxygène et analysé (R Lake metabolizer). Les résultats de ces étapes permettront de caractériser les différences du fonctionnement thermique entre les régions étudiées et de les relier aux paramètres du modèle.
Ces étapes sont un pré-requis au développement d’un modèle, prenant en compte l’hétérogénéité des effets de la végétation afin de mieux représenter à terme leur impact sur l’écoulement et l’atténuation de la lumière. La modélisation 3D qui constitue l’objectif à plus long terme permettra de mieux comprendre les dynamiques de végétation et hydro-sédimentaires internes au lac et sera un préalable indispensable à d’éventuels projet de restauration.
Profil recherché et organisation du stage :
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• Master 2, stage de fin d’études avec des compétences et un goût pour l’analyse de données, la modélisation et la simulation numérique. Un intérêt et des connaissances en écologie seront appréciés.
• Un bon niveau en programmation est requis (R et/ou python et/ou matlab).
• Le stage aura pour localisation principale l’école des Ponts ParisTech (Leesu), en région parisienne. Des missions d’une à trois semaines sont prévues à Montpellier (Inrae Mistea) et à la Réserve de Grand-Lieu (Bouaye, 44) pour la connaissance du terrain et des campagnes de mesure.
• Durée de 4 à 6 mois à partir du début de l’année 2024
• Stage indemnisé (15 % du plafond horaire de la sécurité sociale, soit environ 620 €/mois, fonction du nombre de jours de travail effectifs)
• Ticket restaurant (8 € par jour travaillé) pris en charge à 60% par l’employeur
Renseignements :
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Brigitte Vinçon-Leite b.vincon-leite@enpc.fr
Céline Casenave celine.casenave@inrae.fr
Alexandrine Pannard alexandrine.pannard@univ-rennes1.fr
Jean-Marc Gillier jean-marc.gillier@snpn.fr
Bibliographie:
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1. A. Pannard, S. Massé, S. Llopis, M. Leitao, S. Morata, G. Bouger, J-M Gillier and C. Piscart (2023) Rooted floating-leaf macrophytes structure the coexistence of different phytoplankton assemblages within a shallow lake. Accepted in Hydrobiologia. In special issue « Trait-based approaches in micro-algal ecology ».
2. Le Moal M., Pannard A., Brient L., Richard B., Chorin M., Mineaud E. and Wiegand C. (2021) Is the Cyanobacterial Bloom Composition Shifting Due to Climate Forcing or Nutrient Changes? Example of a Shallow Eutrophic Reservoir. Toxins, 13(5), 351.
3. Piccioni, F., Casenave, C., Lemaire, B.J., Le Moigne, P., Dubois, P., Vinçon-Leite, B., 2021. The thermal response of small and shallow lakes to climate change: new insights from 3D hindcast modelling. Earth Syst. Dynam. 12, 439–456. https://doi.org/10.5194/esd-12-439-2021
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