ETUDIANTE

UNIUERSITE DE PARIS UII

[l, E, A, DE BIOMATHEMATIQUES

APPLICATION [l'UN MODELE D'ECOSYSTEME PELAGIQUE

AU CALCUL DES CONSEQUENCES ECOLOGIQUES

DU FONCTIONNEMENT D'UNE CENTRALE ELECTRIQUE

"ENERGIE THERMIQUE DES MERS" A TAHITI,

FRANCE COUSIN

RESPONSABL.ES Mrs ALAIN MENE5GUEN et YUES MONBET

Centre Oceanographique de Bretagne

nREMEI~ - Brest

Rapport de stage présenté en octobre 1986,

RESUME

A paf'ti f' d'un pf'emi ef' modèl e si mpl e

si mu1 ant 1 e mi 1 i eu tf'opi cal 01 i gotf'ophe, un second

modèle pef'met de pf'évoif' les conséquences d'un

rejet d'eau l"'iche en sels nutl"'itifs dans les eaux

côtièf'es envif'onnant le site d'installation d'une

centf'ale "E.T.M ".

Le pf'emief' modèle simule l.'évolution

tempof'elle du cycle de l'azote SUf' une colonne

d'eau f'epf'ésantée sous fOf'me d'un syst~me de

bo1tes tandis que le second est une f'epf'ésentation

tf'i-dimensionelle du site ETM f'epf'enant le même

pf'océdé.

IEREMER Centre de BREST S.D.P. B.P. 337 29273 BREST CEDEX ~l. ~ 98.45.80.55 Mex 940 627

AUIEOR(S) ;

COUSiN France..

DIRECTION ENVIRONNEMENT ET RECHERŒES OCEANIQUES

DEPARTEMENT ENVIRONNEMENr LITroRAL

CODE;

TITRE ApPL...ic.A'ioN :D'UN "10:DÈL....E ])' ECOSYST~ME

PE.LACiquE. AU CALCUL. .JlE.S c.oN'siqUENCt:.S

ECOLOc.iQUES .1)U FONCTtoN"/lfEMENT :J)'UI'fE. Tirage nb : 5

CEJfTRAL.E. "ENE.ItGrif THERMiquE. J)E...s MER.S" Nb pages ; C;3 ft TAHiTi Nb figures : 30

Nb photos ; 0

CON'IRAT (intitulé)

DIFFUSION Libre 0

N° Restreinte C8:l

------- Confidentielle 1 1

RESUME lln p~WIÀ~ lVtodi~ ~c..Y J...... 4(~ ~o.. <1bw.""Y-14.AL V"CAh'c..c.k. cL....

~'éCdl~t-~ p~eO-jÂ~""'- lAoP\W Ii!.t\. c-..J;n<Nv.\ 11<7\'\- P"h.lAe.tUl : A ..I.)l~

~ rCl.l\."'c..v.li~ 1(e. ,k ch J.2cflOf~ at.,tA\J1r VtM 80 --1()6", k p-toJl ... ~ à' J' ~~~""- .ck h ~~ ern. ~1v. ..... l-e.o ~O'\.I..!} J...o.... ~ w.r-LJ,·~ ~ ~~<..",,<l 1'V\.Qct.~ r~l"~ ct. .Ai I>\u..~ 1" peu- UM. -<l?t.:-....... J... -{,,,";'r<4 c.owvm..u-

~'-'\'e..?, ee rC>M.Ct~ ~~ ~..c &' e..o..u.. t-.:..:~ {~..}.e cL -50 m. pc.v... L C-U"-YA-~ _ k l'vLO~~ fU-,.n:io.r u......e. _;1nm.v.1o..+i.... ~c. _~ <h. p1-OckcJ.;....., ~·~N

ABSTRACT

Key v.ords ;

,'",

.-- ---r----------____ _ Itremer Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer IFHEMER • SD P Centre de BREST

Bibliothèque .. -==-"""""""""'~--.~

Il,11, 337 ~ 29273 BIIEST CEI)EX -~::-",-.~ .. ~-=-~~~

PLAN DU RAPPORT

INTRODUCTION

- 1 PRESENTATION DE E.T.M. ET DU SITE DE TAHITI

A. OU'EST CE OU'E.T.M.?

PT'i nei pe

2 HistoT'ique

3 E.T.M. POUT' quoi faiT'e ?

B. LE SITE D'INSTALLATION

GénéT'alités

2 Le lagon

3 Les aboT'ds extérieuT's du site

- II . MODELISATION DU MILIEU NATUREL

INTRODUCTION

A . DESCRIPTION DU MODELE

Représentation du syt~me

- vaT'i abl es i nteT'nes

- vaT'i abl es fOT'çantes

2 ) évolution tempoT'elle

- le syst~me d'équations

- le jeu de paT'am~tT'es

3 ) RepT'ésentati on spati al e :

- Le mod~l e en boîtes

- la diffusion tUT'bulente

- la sédimentation

4 ) La si mul ati on : descT'i pti on du log; ci el

B . RESULTATS OBTENUS

C ANALYSE DE SENSIBILITE

D CONCLUSIONS

III - MODELISATION DU REJET D'EAU FROIDE ET DE SON IMPACT

A - DESCRIPTION DU PANACHE

B - LE MODELE EN BOITES

C - RESULTATS

CONCLUSION

INTRODUCTION

Dans 1 e cadre de l' i mpl antati on d'une central e

"Energie Thermique des Mers" à Tahiti, une étude d'impact a été

entreprise afin de prédire les conséquences écologiques d'une . . telle instaliation sur le lagon et la frange océanique qui

entourent le site. En particulier, le rejet dans ce milieu

naturellement pauvre d'une eau riche en sels nutritifs peut

susciter un développement phytoplanctonique non négligeable.

Les tentatives de prédiction de l'effet d'un

enrichissement sur un écosystème déjà réalisées concernent

essenti ell ement l es zones d' upwell i ngs (Wal Shi 1971 -

Wroblewski,1977 ... ) et les estuaires (Thomann,1974 ... ).

Par ailleurs} quelques auteurs ont modélisé le milieu pacifique

oligotrophe (Jamart) 1977} 1979 - Vinogradov, 1973).

La présente étude aborde à la fois ces deux

th~mes : à partir d'un mod~le simple reproduisant 1 'écosyst~me

pl a n c ton iq u e t r 0 p i cal , el l e tente de pré v 0 i r l' a m p 1 e u r de

l' enri chi ssement provoqué par un upwell i ng arti fi ci el.

l PRESENTATION DE L'E.T.M. ET DU SITE DE TAHITI

A - OU'EST-CE- OU' L'E.T.M. ?

) PRINCIPE (Marchand, 1979)

En tant que machine thermique une centrale, E.r.M.

utilise la différence de température entre une source chaude et

une source -froide. La premi ère est fourni e par 1 es eaux

s u pel' fic i e 1 les t l'Op i cal e s (2 0 -- 2 .5 0 C) 0 u é qua t 0 ria les (2 ::: - 3 0 ° C ) .

La deuxi ème est ti rée de l' edU profonde d' ori gi ne antaT'ct-j que

( 4 0 C) que l' 0 n t l'OU v e à ces LATi T LI De:S

profondeur.

vers 100El III de

Dan S u.n s y t è ni e en c y cl e 0 uv e r t , 1 ' eau cha u d e pOol P é e en

surface passe dans un évaporateur à pression très faible (0,03

atm) où elle entre en ébullition. La vapeur entraîne alors une

turbi ne qui produi t de l' él ectri ci té. En sortie de turbine, la

vapeur se refroidit soit par mélange, soit par contact avec l'eau

froide qui alimente un condenseur, et ressort à une

température d'environ 20°C. Dans le cas d'un cycl e di t fermé,

'eau chaude transmet ses calories à un liquide intermédiaire,

'ammoni aq ue le pl us souvent, au travers d'un échangeur. La

vapeur d' ammoni aque entraî ne la turbi ne et se refro; di t au

contact de la paroi froide du condenseur. Le liquide est

récupéré et repart dans un nouveau cycle. Les figures 1 et 2

illustrent le fonctionnement de ces 2 cycles (O.T.E.C.,19:::Zl.

Le cycle fermé exige de grandes surfaces d'échanges de

chaleur entre l'eau et l'ammoniaque (1 ha pour 1 MWe). Les

évaporateurs doivent rester rigoureusement propres pour maintenir

un fort coefficient d'échange. Il faut combattre le développement /- '~_. __ '--......

de b i 0 sa lis sur es, don c pré v 0 i l'un e pro c é d u f' e d,in tif 0 u 1 i n ~~ . ~----'~

Le cycl e ouvert doi t vei 11 el' à mai nteni l'le vi de dans la

centf'ale grâce à des désaéf'ateurs absof'bant l es gaz dissous

oxygène et dioxyde de carbone - susceptibles d'êtf'e libérés lOfTS

de l'évaporation de l'eau de mer. Il demande une turbi ne de très

gf'and diamètre, mais a l'avantage de pouvoif' fabf'iquef' de l'eau

douce lors de la condensati on de l a vapeur d'eau.

Dans l (~s 2 cas, l a central e est total ement autonome,

uti lisant à pei ne 1/3 de l' énergi e produi te au foncti onnement des

pompes d'eau. Mais contrairement aux autres centrales thermiques

qUl utilisent de grandes différences de température (100°C ou

plus), la centrale E.T.M. doit compenser une amplitude fa'jble

T=20°C) par de grands débits d'eau. A titre d'exemple, la

production de 100 MWe (1/10~ de la puissance produite par une

centrale nucléaire) exigerait 400 m3/s d'eau pour chacune des 2

sources chaude et froi cie (1 a val eur clu débi t moyen cie la 5e'j ne)

La product'jon jusqu' à Illaint(~nant ne dépasse pas 100 I(W (centf'ale

j aponai se).

Ce type de central es ,i mpose plusi eurs contrai ntes:

- l' ut i lis <'.1 t ion de gr 0 s t u y a u x (d i a m'~ t r e de 2 à 1.5 m) pou r

véhiculer de grands débits d'eau.

- l'emploi de tuyaux résistant à de fOf'tes contraintes

mécaniques, en particulier le tuyau d'eau froide (1 Km de long ou

davantage) qui doit pouvoir résister aux courants, à la houle, et

à l'action corrosive de l'eau.

L'histoire de l'E.T.M. montre que le principal obstacle

réside dans cette cheminée géante qui pose de g~OS probl~mes

d'i nstall ati on et de mai ntenance.

2 )HI5TORIQUE

L' idée d' expl oi ter 1 a di fférence entre des eaux de

températures di fférentes pour produi re de l' énergi e fut 1 ancée

par le physi ci en '[l' Arsonval en 1 ::::::1. Mais ce fut grâce à Georges

Claude que ce principe fut expérimenté en eau douce puis en mer.

Le premier essai eut lieu en 1928 en utilisant l'eau chaude

rejetée par un haut-fourneau à Ougrée et l'eau froide de la

Meuse. La production fut de 60 KW pour un T=20°C., et permit

de valider les hypothèses de G. Claude. Dans les années 30,

une ce nt T'a 1 e à ter r e à Cu b a et une ce nt ra 1 e f lot tan te au l a r g e

du Br é sil f 0 n c t ion n e n.t jus q u"à ce que lac 0 n d u i te d ' eau f roi de

cède sous l'action des houles et de la tempête. Un derni er

pT'ojet de G. Claude en 19.56 (~st reconnu économi quement vi abl e

mai s aVOT'te au pT'ofi t d' autT'es SOUT'ces d' énerg'j e

(hydroél ectf'i ci té, usi ne maf'émotf'i ce de l a Rance, pétf'ol e

,nucléaif'e).

Face à la Cf'lSe del'énef'gie, l'E.T.M. suscite aujouf'd'hu'j un

f'egain d'intérêt aupd~s de plusieurs pays (Massart, 191:13). Les

E. Us' attacherit SUf'tout à développeT' de gf'osses centT'al es en

cycle fermé. En 1979, MINI-OTEC (Ocean Thef'mal I:nef'gy Conversion)

a produit 10 KW. La Ff'ance a un pf'ojet similaiT'e en cycle ouvert

SUf' le littoT'al de Tahiti [les pays tels que la Hollande, la

5uèd(~, l es Phi l'j pp; nes, 'Inde, et SUf'tout le .Japon se tOUf'nent

égal ement vers ce type d' énef'g; e "nouvell e".

Tous T'echef'chent les matéT';aux aSSUT'ant le meilleuf' f'endement

et une techni.que de constf'ucti on et de" pose du tuyau d'eau fT'oi de

qui T'ési ste aux contT'ai ntes de l'océan.

Le pT'ojet fT'ançais consiste en une centT'ale de 5 MW en cycle

ouveT't . Un tuyau d'enviT'on 3Km pompe l'eau pT'ofonde à 1000m

Le rejet peut se faire en eaux mélangées (TO=20°c) ou séparées

(To=10°cl,le débit de sortie étant de 25 m3/s.

3 ) E.T.M. - POUR QUOI FAIRE?

Georges Claude voulait utiliseT' l'éneT'gie pOUT' pT'oduiT'e de la

gl ace et amél i OT'er ai nsi 1 es condi ti ons de vi e des pays chauds.

On s' OT'i ente mai ntenant vers des i ntéT'êts, pl us i ndustT'i el s:

- Implantée à teT'T'e,

local en électT'icité

à ses besoins.

une centT'al e peut al i menter un réseau

Ainsi, Papeete à Tahiti pourrait subvenir

- L'eau douce pT'odui te en cycl e ouvef't peut êtf'e di veT'sement

utilisée.

- Les eaux froides et T'iches en sels nutritifs peuvent servir

au développement de phytoplancton utilisé en aquacultuT'e.

- Les centrales flottclnte~ sont SUf'tout pf'évues pOUf' la

synthèse de pf'odui ts "énergétivof'es" tel s l' ammoni ac,

l ' cl l u min i u m,ou des c cl T' b u r cl n t<:> des y n t h è se.

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B . LE 5ITE [l' IN5TALLATION

) CARACTERE5 GENERAUX

Le si te choi si pour construi re 1 a central e se trouve au Nord

Ouest de l'île de Tahiti, à proximité de la ville Papeete.

( Fig 3

La géomorphol ogi e-

Les fi gures 4 et .5 i 11 ustrent 1 a topographi e du soi te : un 1 agon

peu profond (20 m) mais étendu (2 Km * 20 Km ). Le récif

barri~re est bien développé. Les récifs frangeants sont

interrompus au débouché des rivi~res. Le fond est recouvert

d'une couche de sédiments sablo-vaseux, d'orig-ine détritique.

Du côté de' l'océan, un plateau d'environ -500 m de longueur

s'étend jusqu'à une profondeur de 100 m où apparaît une rupture

de pente. Les fonds attei gnent 1000 m à 3 Km de l a côte.

Climatologie -

La Polynésie est située au nord de la ceinture

anticyclonique de hautes pressions, et soumise au régime des

al i zés de l' hémi sphère sud qui souffl ent général ement d'est-sud

est. Elle présente deux saisons distinctes:

- La saison humide de Décembre à Mai correspond à l'été

austral. A cette époque, l a convergence entre l es al i zés de NE

et de SE descend sur la Polynésie. Un couloir dépressionnaire

dirigé vers l'Est se forme, à l'origine de précipitations

fréquentes. Le temps est agité, avec grains violents et fortes

pl ui es. L'ai r est chaud (2_5-26°C).

- La saison sèche de Juin à Novembre (hiver austral) est

marquée par un renversement des vents. Le retour des alizé~ de

SE amène un temps calme, de faibles précipitations et une forte

insolation. Des cyclones parfois violents viennent perturber de

façon temporaire le régime hydrobiologique des eaux océaniques et

des lagons, présenté dans le~ pages qui suivent.

2 ) LE LAGON

La prox·j mi té de l a zone urba·j ne, 1 a constructi on d'une

di gue sur l a barri ère réci fal e, le dragage du chenal de Taunoa et

l a présence de deux rivières confèrent ~ ce lagon un

hydrodynami sme et une écol ogi e parti cul i ers.

L'étude courantologique laisse appara'tre une circulation

générale d'Ouest en Est de vitesse faible « 0,.5 I]1/S) qui peut

être contrariée en période calme (saison sèchel par une entrée

d'eau en passe de Taunoa et une sortie vers Papeete par le port

de Fare-Ute, En fonct·ion des houles, marées (~t vents ( I:jg b) (De Nardi et Al,19:nl.

Température et salinité sont relativement stables (To=2:::oC,

5=3.5,.5-361; l, un léger gradient existant entre la baie du Taaone

et le fond du lagon vers le porth

Pauvres en sels nutritifs, les eaux 1agonaires montrent des

fluctuations dues aux apports telluriques par les rivières du

fond de la baie, qui se manifestent au niveau de la frange

l·jttorale. Au moment des fortes pluies, la charge en seston est

parti cul i èrement é1 evée (10-11 mg/1) par rapport ~ ce11 e mesurée

dans les lagons voisins (Rougerie,19S4) et témoigne elle aussi df!.

l'importance des rejets continentaux et de turbulences provoquant

des remises en suspension du sédiment. "

Par con t r e, 1 est en e urs en Ch loI' 0 p h Y 1 1 e '·"a M n e son t pas sin g u l i ère s

(0,4-0,.5 mi crog/1), et 1 es val eurs maxi mal es sont observées dans

1 e secteur 1 e pl us confi né du 1 agon. 5i 1 e nombre de ce11 ul es

phytoPlanctonigues est assez faible, les espèces sont nombreuses,

1 es di atomées pennées et di nof1 age11 és prédomi nent. Certai nes

espèces d'eau douce et benthiques confirment l' i nf1 uence

continentale (Ricard, 19:::6).

La bi omasse moyenne en zoopl ancton est de 49, ::: mg/m3, pl us é1 evée

en surface qu'en profondeur.5a composition est représentative ~

la fois du milieu 1agonaire et océanique.

La fig.? résume les mesures de température,sa1inité et

pri nci paux composants.

Les mesures d' é1 éments po11 uants ont abouti ,3 la conc1 usi on

sui vante, qui résume assez bi en l' i ndi vi dual i té de· ce lagon

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?~OSr\-lAI'é..)J-.o.\-.9\~(~UQ.i=~) ~'OR.oP~\lE Il m\5)-M!> (W.~RH.J;i) Fi,P;. f- Sels nutritifs, seston et chloronhyl1e dans le laf-on nord-ouest

(De Nardi et Al,19:::3):

" La provenance et l a ci rcul ati on des eaux sont l es deux

param~tres qui régissent le fonctionnement de cet écosyst~me

fortement dégradé."

3 ) LES ABORDS EXTERIEURS DU SITE

Les prem'i~res campagnes océanographiques avaient déjà mis

en évi dence l a pauvreté des eaux tropi cal (~s océani ql.l(~'.; « 1 mg

Chla/m3) par rapport aux eaux tempérées (10mg/m3 dans la Manche,

4 0 m 9 / m 3 e n Z 0 n e d' u p w e l lin g) . Uns u i v id' une a n née ( Nov::: 2 - 0 ct::: 3 )

a permis de dégager le profil hydrobiologique des eaux face au

site E.T.M.(l<essler et Monbet, 19:::4). D'autre part, d(~s mesures

le long de la barri~re récifale indiquent l'effet de la décharge

lagonaire, la teneur en Chl a étant similaire à celle du lagon

(Charpy et Teuri, 19:::4).

Les propriétés physiques des eaux océaniques révèlent la

présence de 4 masses d'eaux distinctes (Fig ga). La circulation

dans l a zone qui nous intéresse est régi e essenti ell ement par 1 es

contours de Tahiti imposant un courant alternatif de direction

SW-NE, qui s'observe SUT' toute la colonne d'eau superficielle.

Sa vitesse en surface vaT'ie de 20 à 40 cm/s «10cm/s en

pT'ofondeu1"). Le marnage de type semi di urne ne dépasse pas 40cm.

La salinité de SUT' f a c ee s t directement dépendante des p h,é nom ~ n es (FIc,. '6 b ')

d' évaporati on et d' advecti on (peu d'apports d'eau douce). Ell e

fluctue entre 35,5 ~ en été austral et 36 ~ en hiver (S

moyenne=3.5,76~)(Rougerie et Al,19i3.5).La pé1"iode :::2-:::3 a été

ma1"quée par une anomalie climatique (pas de renverse du COU1"ant

équato1"ial sud) qui explique les fortes salinités de surface

observées au début de l'année 83 La salinité diminue jusqu'à

500 m envi1"on et se stabilise à 34,5~ dans la couche inférieure.

La tempé1"atu1"e à l'interface océan-atmosphè1"e (T moyen=27,6°C- T

ai 1" - meT' = 2°C) 0 sei 1 1 e avec une am pli t u de a n nue 1 l e d e 3 0 C entre

1 es 2 sai sons (Fi 9 :Jo...) et conce1"ne une mi nce couche de 50m en

dessous dE! l aquell e el1 e décroît régul i ~rement pour attei ndre 4°C

D1AGIl/\MJ\I E TEMP!::l!ATUltE-SA UNITE

22.

18.

16.

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12.

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Eva;::oraticn et Préci?itation

~_NOV.82

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Om

EAU SUPEnFICIELLE -150 111

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4 am. Trimestre

Precipitation mm

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le' 2em~ 3 f ~n t 4emG Trimestre

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Air(IOOOmb) 24

lU im. 4ème Irimestre

Fig.g(l.. Température ~byennes triJœstrielles (été - hiver'

Période 1979-1985

1<byenne armuel.le (H.A.)

Temperature(Oc)

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à 1000 m . Les vari ati ons sai sonni ères et i nter-annuell es sont

faibles (Fig. 3b ).

Le profi l verti cal des sel s nutri ti f~; sépar'e l a colonne d'eau en

2 couches : une superfi cj ell e très appauvri e du fa'j t cie la

consommation par le plancton, jusqu'à une profondeur de 300m OlJ

se trouve l a régi on cl' i nfl exi on de n'j trates, phosphates et

sil i ca tes (F i g 10 a, b , c) .

Les courbes cie chlorophyl le laissent appara'tre un maximum

sub-superficiel qui peut varier cie :::0 à 12El m, situé

au ni veau 6-7~ cie la l umi ère i nci clente. Cette i Illportante

vari ati on vr~rt'j cal r~ pourrai t ê.tre en rel ati on avec un phénomène

d'ondes internes parti cul i èrement intense dans cette zone. De

par leurs concentrations «= 0,75 mg/m3 chl a), ces eaux sont

01 i gotrophes tout en étant pl us ri che~ que l es eaux océani ques du

large (0,04-0,23 mg/m3 clans le gyre central pacifique - Eppley et

al ,1973). Les profi l s observés vari ent sensi bl ement au cours

dut e m p s (f i g ~1). LJ n e a b sen c e d e cor' r é lat ion e n t r' e les t e n e u r' sen

sels nutritifs et les concentr'ations de chlorophylle rév~le

une instabilité du système, pr'obablement entr'etenue par' des ondes

internes de période semi diurne (Monbet, comm. pers.) .Un effet

de masse i nsul ai re contr'i bwer'ai t égal ement à l' enr'j chi ssement en

chlorophylle(Ricard et Delesalle,19:::2 ).Le plancton est

représenté essentiellement par' de l 'ultr'aplancton et un nombr'e

important d'espèces (Ricard, 19B6).

La profondeur du maximum de chlorophylle est en concordance avec

les obser'vations faites sur' tout l'o'céan pacifique tropical,

et sans rapPor't avec la tempér'ature, la salinité ou la densité

(Venrick et Al, 1973). Il existe diverses explications de ce

maximum: l'absence de nour'r'itur'e suffisante en sUr'face

entra' nerai t une di mi nuti on de la fl ottabi lité des cell ul es tell e

que celles-ci sédimenter'aient jusqu'à une pr'ofondeur proche de la

ni tracl i ne où une al i mentati on suffi sante leur permettrai t

d'ajuster de nouveau leur' flottabilité (Steele et Yentsch,in

Ven r i c k e t Al, 1 973 ) . D'a u t r' es a u t e urs (E P P l e y e t Al, 1 9 7 3 )

a t tri bue n t c e m a x i m u m à" u n e;a.u g ni e n t a t ion d e lat e n e ur. e n C hl. a

. des ceÎl ul es, en réponse à de fai bl es intensités l umi neuses aux

niveaux où se trouvent les sels nutritifs, Mais tous s'accordent

à consi dérer l'azote comme pri nci pal facteur li mi tant la

croissance phytoplanctoniql.le (Eppley et Al ,"1979), Les faibles

concentrations observées face au site E,T,M, en témoign(~nt (Fig

:::a) , On n'observe apparemment pas de cycle saisonnierirnportant,

Ce phénom~ne serait 1 a conséquence de modifications hydrologiques

apportant des sels nutritifs en surface, Cette hypoth~se est

d'autant pl us vraisembl abl e que 1 a pycnocl i nr~ est peu marquée,

favorabl e à des mouvements verti caux i ndu"i ts en part"i cul"i el"' p,3r

1 es \)ents (Bi enfang et 5zyper, 19:::4).

CONCLUSION GENERALE

Les observations faites par différents organismes dessinent un

envi ronnement à l a foi s si mpl e et compl exe:

- le lagon de Taaone subit une inf)uence terrestre du fait

des apports telluriques,et il est fragilisé par la proximité de

zones urbai nes,

- la frange océanique au large du récif est fortement

01 i gotrophe, Sa structure verti cal e est déstabi l i sée par des

phénom~nes physiques tr~s variables au cours du temps,

VARIATI JNS VERTICALES DES TEN::::URS EN PHOSPH.\TES

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II - MODELISATION DU MILIEU NATUREL

Intf'oduction

Devant l a complexité des facteuf's intef'venant dans

'équi l i bf'e de l'écosystème étudi é, il a été choi si de dégdQef' un

schéma généf'al de foncti onnement du système tf'opi cal plus qu'une

modél i sati on détai 11 ée du si te. Les tr~rmes d' advecti on ser'ont

négligés en supposant le système homogène ddns l a dimension

horizontal e. De même les ondes int(?'f'n(?'s ~;lJr lesquc~ll(,~s on n(~

possède pas suffisamment d'infof'mation ont été négligées ..

Ce Illodèl e si mul e donc l' évol uti 011 tempopell e du cycl e d(~,

'azote SUT' une colonne d'eau à ld stat'jon L2 (Fig CS ).

A - DESCRIPTION DU MODELE

) RepT'ésentation du système

La fi gUT'e f'ésume les él éments qui composent 1 e

modèle,

- vaT'i abl es i nteT'nes

l' azote phytopl anctoni gue - Di atomées et di nofl agell és en sont

les pT'incipaux T'epf'ésentants et seT'ont les seuls considérés dans

le choix des valeuT's de paramètres, Des pT'ofils de Chl a mesuT'és

pendant 2 ans serviT'ont d'éléments de compaT'aison (Fig1~

Mal g T' é 1 es for tes f l u ct u at ion s ,on a t t end u n pT' 0 fil m 0 yen d e 0, 1

mg/m3 de chlof'ophylle en suface et de 0,4 mg/m3 au niveau du pic

de chloT'ophylle,Le rappOT't N/chla a été choisi égal à 16

(Eppley,1973 - Oudot,197:::).

l'azote m'j néf'al -; Sachant que 1 a cT'oissance pl anctonique est CI ... !")\. Cl r,-:_

e s sen t i e 1 1 e men t l'l::j:i~8:t;:.a...- dép end a n te, 0 n n é g 1 i g e f' ale S. R-'Ï-t.-p.-:i-:t:,E:-s-,

..a.!llJlLO..~-, p h 0 s p h a tes et sil i c a tes,

l'azote détT'itigue pT'ovient des éléments mOT'ts du

ph Y top 1 an ct 0 n ,L esT' é sul ta t s",o;d e ni es LI T' es d a ilS 1 e P a c i fi q LI e

occidental montT'ent que ces concentT'ations sont

propoT'tionnelles à celles du phytoplancton (X'3),(Oudot,197i::),

- vari abl es forçantes

l'i ntensi té lumi neuse : une moyenne mensuell e des flux

l umi neux de surface a été cal cul ée à parti r de données

météorologiques de Tahiti fournissant l'insolation joupnalièpe et

le flux lumineux atmosphép;que sup une période de 2 ans. Ses

variations au cours de l'année sont très faibles (Fig 13 ).

la tempépature : des mesures faites à diffépents mois

montrent que le ppof'il reste relativement stable tout au long de 1

l'année. Il en a été dégagé un profi l moyen. le~; val eurs à des

profondeurs i nter'médi ai f'es sont calculées pari nteT"pol ati on

(programme d'A. Menesguen). (FiG-,JLJ),

Si ces 2 facteurs ne vari ent pas dan.s le temps, on s' attend à

ce que le système simulé évolue vers un état d'équilibpe stable.

2 ) Evol uti on temporell e du systÈ~me

Elle s'exprime sous la forme de 3 équations diffépentielles

d Nphyto ------- = (CROISSANCE - MORTALITEP) * [N Phyto] dt

d N org

dt

d Nm i n

dt

CROISSANCE

MORTALITEP

= MORTALITEP * [ Nphyto ] - REMINERAL * [Norg]

- REMINERAL * [ Norg ] - CROISSANCE * [ Nphyto ]

taux de croissance phytoplanctonique

taux de mortalite " " REM 1 N E RA L : tau x de p e mi Il e r aTi sa t ion de l a III a t i ère 0 p 9 a n i que

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Nphyto

NOf'g

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concentf'ation en phytoplancton

azote detf'itique

azote mi nef'al di S~;()Us

Evol uti on du phytopl ancton

La cf'oissance phytoplanctonique peut se 'fof'mulef' ains'j

CROISSANCE - Gmax • FACTLUM • FACTNUT

Gmax -- taux de cf'oi ssance maxi mal e, 'foncti on exponenti ell e cie la

t e m p é f' a tUf' e ( E pp l e y, i n 1< f' e m e f' et Ni x 0 n , 1 97:::) (F i g \5 CL) .

Gmax = Gmax BOC • EXP ( ~. T)

a :taux d'augmentation des vitesses dû à la

tempéf'atuf'e

FACTLUM -- La lumi~re agit SUf' la photosynth~se selon la

'formul ati on cie Steel e, dans l aquell e i ntervi ent l' i ntensi té

optimale de croissance spécifique des individus ( Iopt ) (Fig \56)

Gmax = Gmax BOC • I

Iopt

i ntensi té l umi neuse i nci dente

'. EXP ( 1 -I

Iopt

La formule utilisée dans le mod~le est la solut'jon analytique de

l'intégration de l'équation de Steele en fonction de la

profondeur, lorsque I varie au cours du temps (Di Toro, in Kremer

et Nixon,197:::):

e . f I Gmax

k . z 'x' ( exp [ ( -

Iopt (~xP (- k.z)

I - exp ( - )

ropt f photopéf'iode

z pf'ofoncleuf' d'intégration

k coefficient d'extinction de la lumi~f'e

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Fig. 15 .A. lnd B. T ::m pt!f.J.t url:! respOGse ,"'1: :ly~o?lankton growlh rare, (AI Yf~a:juremenl5 of m,nimum s~cir . )wth rate in d'__ ,ags p<:r day for luboratory cultures Iu~gdy in c0ntinuou> light c ~c';y. 14721. S,'lid ,.·'e: hypothcucal max:mum Eq. lï) used in most simul:Hlùns. Dd,h~Ll :Ïllt!: uscd 10 ),)m~ runs nI' the modd (0 reprt!':ient a sè',.:nnJ. \\ 3nTI-'.1;'ater

spt......:ies-group. ; B 1 Oh~c!r;:ltlOn5 1)1' ':ipt:ciiic gro\veh rutè'S for :ive sçx-.:it;.'$ of unu:dlular algue JC:ffit.:'O:itr:lt!.ng tJuttèr~lS ul tth:rmul ùpuma \\.hidl unJçdie the hypt)(hcticu! muximunl

IEqpit:y. 1~)72l

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LIGHT :~TENS:TY---;'

Fig. P. T;Jeoreticl! formulation ror th~ insranlaneous fh'O!ûSY!lt~;!:iis-light resp0nse of Fh)lo~"\;a.Gkton ISn:.:::le. :' ':2L Th\! ncr::::3.liz':!d E~. (1::' ~~1"Crs gr0wTh rdati ... ·e- tü lhl! ma'llillum as a fcoction of ~be ratio ol the inciè;"'!ll a..,d rht! c-ptirnum light intensüy. Il},, e

S0IDe I!xperimenG; obs~r'\'aDons dem0nstrate a ptateau wiÜt filtle 0rno hrg.h ijght inhibitio6. In su ch cases. a!'· ·.ner measure of lighl response may ~ '=d. with l, aç:Ïnd as tte

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: 1 ! ~or' .--------------. : 1--- 1.0 -/' :: o a:

'" NUTRIENT,/"q-at/L

Fig. 16 A and B. Il) pcrboilc rcsron>e of phyroplankton grO\\1h ta a lirruting DUlrlçnl Th, haif-saturation constants (K,) are d<flned as the concentration at which growth is one-baH the maximum. \'-nen ~rowth lS nOfTnahlCd tQ a maximum or 1.0. condusjür.s n~)(J{ rh.-!: reiatin: ç('m~til!ve 3d~':1nt:lge (lf sreCit~ may be ur.w:)frani .. ~d. Sf'e;':l~~ l,. ''\'nr. the:, ",\er }~r apfX'.:t!"s [()taily domir.am in !h~ n.Jrmalized rc.::pres.t:ntat)(lo tAI. Consldt;:!O(ln (If: ~ ar.:tU~l! grol,l. tb rates... ho\\.:ever. reve.1!s thut ~peCl~S': grc'A's f:.!....caer at nutrient Ir.!Ye!s :loove.~ :-:~·~{!1 \3,

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El }()'t O~)) Jq ,} <t ')

FACTNUT -- Les sels nutritifs ont un effet hyperbolique, que

Monod a formulé suivant la cinétique de Michael'js-Menten

( Fig 15 c... ) •

5 G = Gm ax x'

5 + Ks

5 concentration en sel nutritif

Ks: constante de df~mi saturat'j on pour le sel consi cléré

Ici, seuls les nitrates ont été pris en compte.

MORTALITI:P -- le taux de mortal'j té est une E~xponenti ell e cie

l a température. Ell e consti tue ici le terme de fermetuT'e

du mod~le en englobant tous les phénom~nes appartenant

aux niveaux supéT'ieurs.

MORTALITEP = MORTALITE 0°c * exp (b * T)

Evolution de la matièT'e oT'ganique

C' est l a quanti té de mati ère qui a été T'ej etée paT' les

niveaux précédents , ~ laquelle se soustT'ait une fT'action

T'enlÎ néral i sée.

Evolution de l'azote minéral

La remi néral i sati on est une exponenti ell e de 1 a température

REMINERAL - REMIN 0°C * exp (a . T)

Le jeu de paramètres

Bien que la biologie du plancton tropical soit peu

connue,plusieurs études ont c~pendant permis de dégager des

constantes spécifiques qui ont donc été choisies comme paramètres

d e bas e dan s 1 e s pre III i ère s sim u lat ion s . Une cal 'j b rat ion man u e l l e

nous a ensuite amenés ~ les modifier de façon ~ ajuster au mieux

################################################################################ # # #. PARAMETRES du MODELE TAHITI # # # # # # Parametres du Phytoplancton: # # =========================== # # # # 1.CONSTANTE DE MICHAELIS POUR L'AZOTE (microg/l) 2 # # 2.TAUX DE CROISSANCE MAXIMALE A OOc (/jour) .5 # # 3.TAUX D'AUGMENTATION DES VITESSES DU A LA TOC (/oC) .07 # # 4.COEFFICIENT D'EXTINCTION DE LA LUMIERE (/01) .032 # # 5.FLUX LUMINEUX OPTIMAL (w/m2) 78 # # 6.COEFFICIENT DE MORTALITE A OOc (/jour.oc) .86 # # 7 . TAU X DES E D H1 E N T A TI 1] t'j < m / j 0 ur) *':::\'~5i.0 J;1 ~,' :) ~ ": # # #

-# #

# P .3.r am e t. t'e du t'j min E' t' al: # # ====================== # # # # 21.TAUX DE REMINERALISATION DE L'AZOTE ORGANIQUE A 0°C (/jour) .018 # # # ################################################################################

Chlorophylle (mlcrog/l) CSJ . CSJ I\l w CJ1 ..

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1 e modèl e, (Tabl eau dans Fi g lb ),

Les condi ti ons i ni ti al es

Pour amorcer la simulation, les profils mesurés de Chla et

d'azote mi néral sont entrés comme val eurs ; ni t; al es des var; abl es

d'état,L'azote détritique est considéré comme nul au départ,

(Fig \b), Un programme d'interpolation (A,Ménesguen) permet

d' esti mer à parti r de ces profi 1 s 1 es val eurs à des ni veaux

i ntermédi ai res,

3 ) représentati 011 spat'i al e

Elle fait partie intégrante d'un logiciel de modélisation

développé par A. MENE5GUEN et peut se résumer ainsi:

La méthode consiste à découper la colonne d'eau en une série

de b01t~s dont le contenu est supposé homogène, La connaissance

des échanges possi bl es entre les b01tes permet d' établ il'" 1 e bi 1 an

des co m p 0 s a nt s dan s cha c une d' el les,

Ai nsi, 1 a colonne de 1200m a-t-ell e été comparti mentée en 10

b01tes de 20 m de hauteur dans la couche supérieure, là où

l'activité biologique est la plus intense, et 10 b01tes de 100 m

pour la couche aphotique ,Chacune a une section de 1 m2 (Fig no) Deux types d'échanges sont considérés:

échanges par diffusion turbulente

- échanges par sédimentation

a - la diffusion turbulente

L'existence d'un gradient ~o:f.'~m:- courantologique et

the r mi que en t r e' de u x pro f 0 n d e urs cr é e des· tu r b u 1 en ces f a v 0 rab 1 es

à des mouvements ascendants de matière, Aussi, sur 1 a base de

courants horizontau~ mesurés~à 5 profonde~rs différentes (20,

130, 330, 645, 950 m)sur une 'période de 5 jours représentative

du comportement moyen des masses d'eau, on a voulu conna1tre

l' ampl eur de cette di ffusi on en cal cul ant les coeffi ci ents de

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EL\ P \1 (Jil Q0 E

di ffusi on turbul ente moyens dans 1 es 4 couches dél i mi tées

précédemment,

Ce cal cul nécessi te 1 a détermi nati on des fl ux verti caux

turbul ents à parti r des nombres de Ri chardson de gradi ent Ri et

de fl ux Rf défi ni s par (Mellor et Yamada J inDu Penhoat, 1979):

g -)(. b .~ dT/dz Ri=

(d~;d~)i:-(dC;d~)2

b coefficient d'expansion thermique

g accél érat'j on de 1 a pesanteur

dT/dz gradi ent de température

du/dz gradi ent de vitesse dans une direction

dv/dz gradient de vitesse dans la direction perpendiculaire

2. -I}2.. Rf - 0,72.5 ( Ri + 0 J 1:::6 - (Ri - 0 J 316 Ri + 0 J 0346)

Les coefficients de diffusion turbulente sont donnés par

Km = L

Kh = L

e

e

Sm

5h

où - Sm et 5h sont des fonctions de stabilité dépendant de Rf.

- el' énergi e ci néti que turbul ente détermi née par

- L

e du'!..

= Sm . ( -- +

1.. dv

dz dz - g , b , sh ,

échell e de longueur cal cul ée par

1 e ,1 z 1 dz L = 0

J1 .~

e , dz

dT

dz

Ces for 01 u les 1< met K h n es' a p pli que Il t que dan s 1 e cas den 0 m b r e s

de Richardson < 0 J 23. E11 es s' uti 1 i sent en général SUf' des

épaisseuf's assez faibles ( qq 01 à qq dizaines de 01). Dans notre

cas, le calcul de Ri fouf'nissant des va1euf's tf'ès gf'andes (6 < Ri

< 3 0 0 ) J ces f 0 f' mule s ont servi à cal cul e f' un K m 0 c 0 f' r e s p 0 n dan t à

un Ri nul (1 e Qf'adi ent de tempéf'atuf'e est supposé nul), à parti f'

duquel le coefficient de diffusion I(m a été estimé paf'

Km = Km0 .

avec al plia = 3

1 + alph,3 Ri -~ . . ) (Patp1ce Kle1n, com. peps.)

et p =2.

Les coupants au large de Tahiti sont fortement dépendants des

marées, les vitesses étant le plus souvent < 30 cm/s, aussi les

coeffi ci ents de di ffusi on turbul ente obtenus sont-i l s tres

faibles:

prof. (m) 1 7.5

Km (cm2/s) 1 ,7::1

230

0, .5 0,021:1

1 797,.5 , ,

0,01.5

L'échange par di ffusi on,.entre deux Gellul es l et J est donné

paT' :

( Ci - Cj) Qij = K . 5 .

dx in Lepetit,1979)

k coeffi ci ent de di ffusi on

5 sUT'face d'échange

C concentration d'un élément donné dans les boîtes l et J

dx distance entT'e les centT'es des 2 boîtes

b - La sédimentation

On sait que les particule~ sont soumises à un phénomene de

sédimentation. Le phytopl ancton tropi cal est de taille tres

réduite et son coefficient de sédimentation vaT'ie de 0 à 40cm/j.

(Bienfang, 191:1.5). DifféT'entes valeuT's intepmédiaires seT'ont

considépées(10,20,30,40).Au sein de chaque boîte, la quantité de

consti tuant peT'due ou rentrée s' obt; ent par 1 e cal cul d'un fl LlX à

tT'aveT'S la sUT'face du fond.'

4) La simulation descf'i pti on du log; ci el

Le système est si mul é gr'âce à un log; ci el développé paf' Mf'

Al ai n MENE5GUEN. Dans un pr'em'j er' temps, les descr'i pteuf's du

système sont enf'egi stf'és SUf' des fi chi er's (paf'amètf'es, vaf'i abl es

fOf'çantes, définition des b01tes et échanges,conditions aux

limites et initiales dans chaque boîte ). L'utilisateur' doit

cf'éef' un sous- pf'ogf'amme de définition du sytème difféf'entiel A /

par'tif' de ces données, le logiciel pf'ocède à l'integf'at'jon

spatio-tempof'el l e des équations paf' une méthode de Runge-Kutta à

pas vaf'iable et calculc~ les échanges entf'e bo1te<;.Les <:.;imulat·jons

SE~ déf'oLil ent SUf' Llne pépi OdE~ vaf'i abl e condi ti onnée par'

l'aboutissement à un état d'équilibf'e stable. Le pas de temps

maximal est fixé par' l 'utilisateuf'.Les f'ésultats obtenus sont

vis u a lis é s 9 f"â c e à un p f' 0 9 f' am me cl e t pa c é . d e cou f' b es.

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B - RESULTATS OBTENUS

Dans un premier temps, on a voulu comprendre le fonctionnement du

syst~me biologique seul, sans intervention des facteurs physiques

(sédimentation, diffusion).

Une premi ère si mul ati on fi xe 1 es vari abl es forçantes comme

constantes dans le temps: 1 a température par le profi l moyen

(Fi g '4 ), 1 a l umi ère par un fl ux moyen journal i er i nci dent de

227 W/m2 ~ la surface de l'eau pour une photopériode de 12h.

La couche d'eau s'équilibre au bout de:3 mois environ ~3ur un

profi l représentati f du mi lieu trop-i cal (Fi g \'3 ). La chl orophyll e

s'étend sur une épaisseur de 140m et possède un maximum

subsuperfi ci el entre :::0 et 100111. L.es eaux sont cl ai res et

l'auto-ombrage i-nexista"nt. Aussi les c'ellules phytoplanctoniques

se développent-elles plus profondément. La quantité

de chlorophylle « 0.25 mg/m:3) s'apparente aux observations

faites dans les eaux avoisinantes et dans d'autres régions

tropicales. (Gundef'sen et Al,1976 - Oudot,197l::).

Il faut f'emarquer cependant qU'en dessous du pic d'abondance ,la

chlorophylle disparaît beaucoup plus vite dans la simulation.

L'azote minéral consommé en subsuf'face se trouve en quantité

infime dans la couche euphotique «0.1 matg/m3) tandis que le

profil en profondeur reste inchangé. Ces valeurs de sUf'face sont

aussi pl us fa i b l es que ce que l ' on 0 b se f' v e général e men t .

L'azote détritique est abondant du fait d'une forte mOf'talité

planctonique.Son profil épouse celui de la chlorophylle.

Ces résul tats i 11 ustrent le comportement des mi lieux

01 i gotrophes. le développement de pl ancton dépend de la

dis p 0 nib i lit é e n nit f' a tes. L are min é r a lis a t ion est rel a t ive men t

lente et l'azote minéf'al est consommé au fur et à meSUf'e de sa

pT'oducti on 1 l imi tant ai nsi les potenti al i tés de croi ssance

phytopl anctoni ques.

L' i ntroducti on desvaf'i ati ons sai sonni ères de la l umi eT'e

modifie légèrement le profil qui se stabilise sur une

trajectoiT'e sinusoïdale d'ampl-itude faible permettant de négligeT'

l'effet saisonnier dans les simulations ultérieures (Fig 113 ).

CS)

CS) !\l

Chlorophylle Cmicrog/l)

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.25

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. 22

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........................................................................................................................................................ , ..................................... , .......................................... . TErlPS --

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?f2DFbN 'Dt"UY2. =- OD...ll.P-

La prise en compte des phénom~nes physiques introduit une

perturbation importante de cet équilibre très sensible à

l' i ntensi té rel ati ve de la sédi mentati on et de la cli ffusi on

turbulente.

Les condi t'i ons i ni ti al es étant fi xées par le profi 1 cl' éq ui libre

biologique, on observe une diminution de phytoplancton dans

les couches de surface et un renforcement du pic de chlorophylle

en t r e ::: 0 et 1 00 m. Lep f' 0 fil de vie nt plu s po i nt u . ( E )(, llCr 2.u) Parr,3ll È~l ement, l es ni trates s'i tués IJef'S ,500-60(~ m de profondf~uf'

m'i grent vers l a surface sous l'effet de l a di ffusi on ver"ti cal (~ et

sus ci t e nt a i n s 'i une Cf' 0 i s s a Il c e a c' cru eau n ive a u clu m cl x i ni U m . ( t x' il ér LU')

Une diffusion tf'ès forte homogénéise la masse d'eau en azote

minéf'al et induit une fOf'te cf'oissance planctonique.(Fig 20).

Dans le cas !=lui nous inter.esse, la diffusion verticale est très

faible, mais suffit à faif'e f'emontef' lentement les nitrates cie la

couche i ntermédi ai re (Fi g -2-:1. ). L'apport de nourri ture en surface

favof'ise la croissance. Bi en que les coeffi ci ents de di ffusi on

soient tr~s faibles, leur effet se fait sentir du fait d'une

"avidité" f'elative du plancton vis à vis cie l'azote minéral.

(Fig .2.-1 ). La sédimentation intervient comme facteuf' négatif en entra'nant

le plancton vers le fond où il meurt et se trouve converti en

azote minéral, d'où une augmentation de celui-ci vef'S 300-400 m.

(Fig . .2Z,).Combinée avec la diffusion el l e

prédomine en début de simulation, puis se trouve masquée ensuite

par la diffusion. On observe alors une croissance régulière de

chlorophylle, plus ou moins lente suivant l'intensité de la

sédimentation. La pente est d'autant plus forte que la

sédi mentati on est fai bl e.

Le phénom~ne est très lent et ne paf'vient pas à un état ln&- 2.;' '),

d'équilibre au bout de 38 ans. Afin de connaître f'apidement

cel ui'-ci, on a i ntrodui t en val eurs i ni ti al es le prof; l de

c h l 0 r 0 p Il y l l e a t t end u, cel u i dI-a z 0 t e d é tri t i que c 0 f' f' e s p 0 n dan t

Chl a ,x' 3 ) et le prof; l d'azote mi néral obtenu au bout de 3:::

ans de simulation. On obtient alof's en 2 ans un équilibf'e stable.

Celui de la chlorophylle est d'autant plus accentué que la

Nphyto ~

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N 151 151

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-151 151 151

N mineral (microatg/l)

U1

'. '.

var i a b les = .J A COB l E N

D: matf'ice (N'X'M) des dépivées des vapiables pal' T'appopt aux

papametpes

On peut donc esti mep la sensi bi lité de la vari abl e x; au

paT"ametT"e Pk au voisinage de l'équililJT"e pal'

-1 D = - .J R

b Xi La matI'; ce [J obtenue est normal; sée en mul ti pl i ant les ---- .....

il Pk pal'

Pk

Xi pu'j s en di v; sant toute la matf'i ce pal' l' él ément Di 1< le pl us

fOT"t en valelJT' absolue.

[J ans l e cas .d' uns y ste m e f e f' m é e n é q u ,. lib T" e, las 0 m m e des

équations est nulle. L'une des Fi doit donc êtf'e négligée et

remplacée par l'équation de feT"meture du systeme.

Pour cette équation

dF /'of - t7~ V,' - ~~ ....

d Xi et

=Masse total e d'azote dans le système.

dF N ----- = 0 d Pk

Cet algoT"ithme a donc été appliqué à notre système, l'équation de

variation de l'azote détritique étant remplacée par la relation

de fermetuf'e.

La sensibilité a ainsi été calculée à 3 profondeurs: en surface,

au niveau du maximum de chlof'ophylle et au fond de la zone

eu p hot i que .--1 Llo _ J Go nn ). (F i g .u, a , b J C ).

Deux types de tableaux sont donnés pour chaque profondeup.Le

premier fournit la sensibilité relative des paf'amètres,

c.a.d.f'apPof'tée à l'élément l'e plus fOT"t qui est mis à H10. le

deuxi ème permet de juger del' importance de la sensi bi 1 i tégl ob al e

de chaque vari abl e, et des papamètres l es pl us détermi nants. Les

21 val eurs du 1 el' tabl eau sont rangées par of'dre décroissant

d'importance Cl pour le plus important, 21 pOUf' le moins

13,0

W l8WT. i - G,2 ~,'1 - ~,9 3)S 1,f,::S 0, 'S~ 1 -10,2

-_.---'-~

IN ni!J82AL Ub,i- _ 9'j ~,b - '38 l, - 19:.,2. 100 2) 01

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15 30. 59·

important) et le tableau est construit de façon ~ remarquer les

paramètres les plus importants ~ gauche (somme III plus faible)

et les moins importants ~ droite,

Résultats

En surface, 1 es vari abl es sont sensi bl es au taux de croi ssance

phytopl anctoni que, au coeffi ci ent de mort al i té et ~ 1 a constante

de Michael'is, c,a,d, des facteurs ayant un rapport avec l'azote

mi néral (hormi s 1 e coeffi ci ent de mortali té), Les ni trates sont

pl us touchés du fai t de 1 eurs 'fai bl e concentrati on, Par contre

1 (~s paramètres concernant 1 es vari abl es forçantes restent

"muets", Température et 1 umi ère sont forts en surface,

Au niveau du maximum de chlorophylle, la lumière joue un rôle

important avec le coe'Ffi ci ent d' exti ncti on de 1 a 1 umi ère, Le taux

de croi ssance phytopl anctoni que est important, sensi bl e à 1 a

lumière ~ cette profondeur. C'est encore l'azote minéral qui est

1 e pl us affecté par' 1 a vari abi 1 i té des paramètr'es,

LOr'squ'on passe en profondeur, les sensibilités changent car

l'environnement n'est plus le même, Il est très limitant,

La température exer'ce sa pression par' l'intermédiaire du

coefficient de var'iation des vitesses, Le phytoplancton est très

sensi bl e au coeffi ci ent d' exti ncti on de 1 a 1 umi ère qui est très

atténuée à cette pr'ofondeur, Les variables fOr'çantes néfastes au

développement sont tr'ès limitantes, C'est le phytoplancton qui

est cette foi s 1 e pl us sensi bl e,

Il est ~ noter qu'on retrouve le coefficient de mortalité ~

chaque profondeur', Or il résume à lui seul tous les niveaux

trophiques supér'ieur's, celui du zooplancton en particulier, Il

reflète évidemment assez mal les relations du phytoplancton avec

les autres niveaux et devraif donc être remplacé,

Il est i nteressant de voi r 1 es vari ati ons de sensi bi 1 i té selon

l'environnement dans lequel se trouve le système, Les facteur's

qui conditionnent son comportement sont bien mis en évidence.

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Concl usi on

Cette étude permet de discerner la part du rôle joué par les

facteurs physiques et biologiques sur ce syst~me un peu

particulier. En particulier on peut voir que la d'iffusion

turbul ente est tres importante pu; sq u' ell e renforce la croi ssance

pl anctonique par apport de nourriture.

Une connaissance plus précise de la dynamique des masses d'eau et

des valeurs de sédimentation est donc nécessaire.

L'étude de sensi bi lité rend bi en compte du comportement du

phytopl ancton soumi s à des contrai ntes envi ronnE~mental e.s

différentes selon la profondeur où il se trouve.

D'autre part l e mod~l e peut être amél i oré:

- i ntroducti on d'une sédi mentati on vari abl e sur la

. profondeur pour le phyto~lancton.

- vari ati on du rapport N / Chl a' avec l a profondeur.

sédimentation propre à l'azote détritique.

- mortalité fonction de la quantité de nourriture.

-prise en compte des ondes internes

-intr'oduction du niveau zooplanctonique. Une tentative a été

faite, mais n'a pas donné de résultats satisfaisants, les

rr~l ati ons phytopl ancton/zoopl ancton étant di ffi ci l es à

appréhender. De plus les données de terrain concernant

les bi omasses de zoopl ancton étai ent i nsuffi santes.

- amélioration des profils de nitrates trop faibles dans

notre cas.

II - MODELISATION DU REJET D'EAU ET DE SON IMPACT

[Ji fféf'ents schémas de f'ej et des eaux uti l i sées paf' la centf'al e

ont été pf'oposés, côté mef' ou côté lagon, en eaux mél angées ou

sépapées, Dans ce def'nief' cas, l'impact f'isqur~ d'êtT'e minime caT'

l'eau ff'o'j de s' écoul eT'a SUT' le fond j usq u' à une pf'ofondeuT'

d' i sodensi té, pT'obabl em(~nt en dessous de l a zone euphoti que,

La modélisation va pOT'teT' SUT' le cas d'un T'ejet d'eaux mélangéE!s

côté mep, le lagon n'ayant pas été étud'jé dans la ppemièT'e

paf'tie,

Le tuyau posé à 50 m de fond (Fig,2~) T'ejette hOT'izontalement

une eau d e f 0 T' t e den s i t é (I\l= 2 3, T 0 = 2 1 0 c) dan sun mil'j e u moi n s

dense (22,.5),· Le débit de T'ejet est de·Z.5 m3/s, La masse d'eau

ai nsi T'ej etée fOT'me un panache dont la fOf'me dépend de la

physique ambiante, en paf'ticulieT' du pT'ofil de densité (Fig,,z1 '-

et des cou T' a nt s (e s sen t i e l lem e nt l e bal a n c e men t des maT' é e.s a

Tahiti),

A - DESCRIPTION DU PANACHE

Il se caT'actéT'ise paT' 3 zones:

- Le champ pT'oche où les effets de jet et de densité sont

pT'épondéT'ants, et inclut le champ de gT'avité dans lequel 'eau

s'enfonce paT' son pT'opT'e poids. Au COUT'S de ce tT'ajet, le panache

subit un mélange dO à la difféT'ence de vitesse entT'e le jet et

l'eau ambiante, mélange qui 1'écluit les diffé1'ences de vitesse et

de densi té, et di lue les consti tuants de l' effl uent,

Il atteint assez f'apidement une pT'ofondeu1' d'isodensité où la

di ffé1'ence de vi tesse avec le mi lieu ambi ant est t1'es fai bl e.

- Le champ inte1'médiai1'e . Pa1'venu à sa p1'ofondeuf' d'équilib1'e,

l ' e f f lue Il t d i l u é f 0 f' m e une cou che min c e i nt e f' 01 é dia i l' e à l a que l l e

les mouvements ambiants impos~nt un tf'anspopt passif qui éla1'git

le panache et dispe1'se les constituants,

- Le champ loi ntai n, L' effl uent est entf'aî né paf' l'eau

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envi ronnante. l'étal ement et l a di ffusi on devi ennent assez

fai bl es. La d"i ffusi on turbul ente régi t l a di spersi on.

Des méthodes de calcul basées sur des expérimentations (Paddock

et Ditmars, 19:=.:3) permettent cl' estimerl' évol ution d'un

consti tuant et l a forme de l' effl uent. La fi gurr~ clessi ne clone la

confi gurati on possi bl e du pclnache cl' eau face au si te E. T. M.

Rej etée clans une masse d'eau homogène en densi té, l'eau s'étal f!

rapi dement en conservant une traj ectoi re hori zontal e. CE~ n'est

que lorsque sa vitesse se réduit fortement qu'il s'enfonce de par

son propre poids jusqu'à une profondeur cie 60m Ol.l il est freiné

par le gradi ent de densi te. Il trouve alors sa profondeur

d'équilibre vers 73 m. Ila déjà parcouru 240 m. A paptip cie

cette di stance ils' en va. ppogpessi vement veps le large en

constituant urie veine cI'eau qui s'élapgit peu.

Au cours de ce trajet, ses constituants subissent une dilution

très forte dans le champ proche (d= 3.5) mais qui est très lente

par la suite. Le suivi d'un traceur conservatif contenu dans le

rejet montrera"it que le panache est visible jusqu'à plusieurs Km

de distance de la côte.

Dans ce cas préc; s le rej et conti ent essenti ell ement des

nitrates et leur concentration est nettement supérieure à celle

du milieu ambiant (6 microatg/l contre 0.1-0.5 ).

On a donc cherché à modéliser la dynamique de ce panache et voir

si ell e peut conclui re à un enri chi ssement du mi lieu en

phytopl ancton.

B - LE MODELE EN BOITES

Sur l a fi gure 25 est représenté 1 e modèl e en boîtes qui a été

construi t. La di ffusi on verti cal e nous a sembl é négl i geabl e dans

le champ proche par rapport aux mouvements horizontaux .Aussi

cette zone n'est pas entourée de boîtes. Par contre les échanges

verticaux seront sans doute importants dans la zone éloignée.

Les mouvements d'eau au se"in d'une boîte sont simulés sous forme

de "rejet" (entrée d'eau dans une boîte), de "prise" (sortie) et

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de "dér'ivr~" (passage d'eau d'une boîte dans une autf'e.

Ai nsi, la cli l uti on est-ell e entendue commr~ une entr'ée d'eau dans

le panache.

C - RESULTATS DE LA SIMULATION

Le systeme se stabi lise en moi ns cie :3 JOUf'S. Les concentr'ati ons

àl ' i nt é r -j e u 1"' d e cha que b 0 î tes 0 nt i n d i q u é (~ s sUr' l Q fig u r (~ - .:30

pour chaque var'iable.

L'inter'pr'étation de tels r'ésultats est difficile à fair'e. Par'

manque de temps, il n'a pas été possible d'approfondir' le

pr'obl eme. Le model e est très gr'ossi er .. Le maxi mum de chl or'ophyll e

n'y est pas repr'ésenté. Or il est cer'tain que des échanges

doivent avoir' lieu avec le panache qui se trouve juste au dessus

(en supposant notre estimation vr'aie). Les temps de résidence à

l' i ntéri eur' de chaque boîte sont très vari abl es, r'endant la

si mul ati on dél i cate..

Cependant, les résultats ne sont pas totalement irréalistes. Le

champ proche est relativement dépouillé de phytoplancton, fait

que l'on pourrait attribuer' aux débits importants qui chassent

rapidement l'eau, ne laissant pas au pl~ncton le temps de se

développer.De ce fait, l'azote minéral ser'ait abondant puisqu'il

n'est pas consommé.

Par contre, dans l es champs i nteT'médi a-j r'e et loi ntai n, on obseT've

une augmentation sensible de phytoplancton (* 2) qui ser'ait due à

la pT'ésence d'azote minér'al en concentration plus fOr'te que la

normal e ( de l'or'dr'e de 1 mi cT'oatg/l d' apr'ès 1 es données de

di 1 utï"on) .

Cette anal yse n'a r'i en de SÛr' et il ne nous est pas per'mi s à ce

stade d'en conclur'e quoi que ce soit SUT' l'impact éventuel

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CONCLUSION GENERALE

La modélisation s'imple de l'écosysteme planctonique tT'opical a

peT'mis de compT'endT'e ceT'tains mécanismes de sa stT'uctUT'e de

fonctionnement.

Bi en que fT'ei née en sUT'face paT' une caT'ence en azote mi néT'al, 1 a

cT'oissance phytoplanctonique est favoT'isée veT'S 80-100 m de

pT'ofondeuT'. Le systeme biol()wiquE~ seul explique le caracter'e

oligotrophe ~ ces latitudes.

La diffusion veT'ticale spécifique du site et la sédimentation

jouent un rôle essentiel dans la dynamique du systeme. Leur

action conjointe renforce le pic de chlorophylle paT' apport de

nourritupe en provenance du fond riche en nitrates.

Il serait cependant intéT'essant de mieux T'endre compte du

compronlÏ s effectué par le pl ancton entT'e les besoi ns en lumi eT'e

et en nourpiture. De plus, la pp;se en compte du zooplancton

faisant intepvenip gpazing, pespipzation et excpétion appoptepait

une meilleupe connaissance de l'azote détpitique en particulier.

Les résultats concepnant l'impact de la centpale doivent êtpe

considépés avec beaucoup de péseT've. Le cas d'un T'ejet dense ~ la

supface d'une masse d'eau stpatifiée a été papement abopdé

aupapavant et l'estimation de la fopme du panache est

td:!s apppoximative. De plus,elle découle d'hypothèses qui sont

papement vépifiées dans la natupe. Cette apppoche révèle donc la

nécessité d'une étude physique plus précise du panache.

Il impopteT"'ait également d'abopdep l'étude du lagon et le cas d'

un T"'ej et de ce côté-ci.

Cetpavai l, s' i ln' a T"'i en de défi ni ti f peT"'met cependant d' OT"'i enteT"'

les p e che p che s v eT"' sun e é t.u d e p l LI S pou s sée d u pô l e des p h é nom è n es

physiques SUI' le comportement-biologique, et met en évidence le

b es 0 i n d' une é tu d e -p 1 LI S sol ide d LI PT"' 0 b l è 111 e de 1 a dis p ers ion d' un

pejet dense en l11ep stT"'atifiée.

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