Modélisation de I'écosystème du Lac de Pareloup avec les modèles ASTER et MELODIA

Modeling of the Lac de Pareloup Ecosystem with the ASTER and MELODlA Models

¹ Electricité de France, Direction des Etudes et Recherches, Département Environnement, 6 Quai Watier, F-78401 Chatou Cedex, France
² Laboratoire d'Hydrobiologie, Université Paul Sabatier, 118 Route de Narbonne, F-31062 Toulouse Cedex, France

Résumé

L'effort de recherche mené durant quatre ans sur le lac de Pareloup, réservoir hydroélectrique d'Electricité de France, a permis une meilleure compréhension du fonctionnement de cet écosystème, tant sur le plan biologique que sur le plan hydrodynamique. Les modèles de simulation, développés lors de cette étude, ont permis de proposer un outil d'aide à la gestion de l'eau. La première étape a été l'élaboration du modèle ASTER. C'est un modèle biologique (deux groupes de phytoplancton, trois groupes de zooplancton, matière détritique, PO₄ et SiO₂), basé sur une structure physique simple (modèle bicouche). L'importante base de données disponible a permis de caler ce modèle et de s'assurer qu'il simule correctement I'évolution saisonnière de chacune des variables pendant cinq ans (1983-1987). Ce modèle a permis de mettre en évidence les mécanismes prépondérants dans I'évolution des variables biologiques. La grande sensibilité de I'écosystème à l'hydrodynamique nous a conduits à la seconde étape, l'élaboration du modèle MELODIA. C'est un modèle de simulation d'un écosystème de réservoir résultant du couplage du modèle biologique bicouche (ASTER) au modèle vertical hydrodynamique et thermique (EOLE) qui simule I'évolution de la stratification thermique en prenant en compte les échanges d'énergie à l'interface air-eau ainsi que les entrées et sorties d'eau. Ce modèle a permis de simuler, à l'échelle journalière, la dynamique verticale de I'écosystème pendant les cinq années de mesures de la base de données. La comparaison des profils calculés et mesurés pour chacune des variables montre une assez bonne représentation de cet écosystème, à la fois pour la dynamique verticale et pour I'évolution saisonnière. De plus, les fluctuations interannuelles de I'écosystème sont bien représentées et les simulations ont montré à quel point la réponse de I'écosystème est sensible à la structure hydrodynamique. Le modèle a été ensuite utilisé pour simuler différents scénarios de gestion de la retenue. Appliqué à une plus longue période, 1976-1987, il a permis de mettre en évidence les fluctuations interannuelles dues aux conditions hydrométéorologiques en signalant les périodes où le risque de perturbation est grand. Cette étude a permis de mieux comprendre le rôle joué par la diatomée A. formosa, dominante au printemps. Cette diatomée, non consommée par le zooplancton, disparaît par sédimentation, immobilisant ainsi une quantité importante de nutriments, jusqu'à la période d'isothermie hivernale. Elle se comporte comme une épuratrice en phosphore du lac. Si un phénomène vient perturber son développement, la quantité de PO₄ disponible l'été est plus importante, favorisant une forte croissance algale estivale. Si les perturbations printanières sont liées aux conditions météorologiques, elles dépendent également de la gestion hydraulique. C'est ce qu'a mis en évidence l'étude des scénarios de gestion. Enfin, cette étude a permis de montrer la puissance d'un travail pluridisciplinaire ainsi que la nécessité d'une approche globale pour bien représenter un écosystème. Si tous les efforts ont convergé vers l'outil de modélisation, dépositaire de cette connaissance commune, cet outil n'existe que grâce à l'investissement à long terme de chacun, dans des domaines de compétence très variés. C'est, à n'en pas douter, le plus bel enseignement de ce travail.

Abstract

A four-year research project conducted at Pareloup lake, an Electricité de France hydroelectric reservoir, improved understanding of the dynamics of the ecosystem in both biological and hydrodynamic terms. The simulation models developed during the project enabled the proposal of a tool to aid in water resource management. The first phase was development of the ASTER model. This is a biological model (two phytoplankton groups, three zooplankton groups, detritus, PO₄ and SiO₂) with a simple physical structure (two-layer model). The sizeable data base available enabled calibration of the model and ensuring that it correctly simulated seasonal evolution of each of the variables over a five-year period (1983-1987). Thanks to this model, the preponderant mechanisms in the evolution of biological variables were highlighted. The great sensitivity of the ecosystem to hydrodynamic factors prompted us to undertake the second phase, which was development of the MELODIA model. This is a reservoir ecosystem management model obtained by coupling the two-layer biological model (ASTER) with a vertical hydrodynamic and thermal model (EOLE) which simulates the evolution in thermal stratification and takes into account energy exchanges across the air-water interface, as well as inflow and outflow. This model enabled simulation on a one-day scale of the vertical dynamics of the ecosystem for the five years of measurements in the data base. Comparison of the calculated and measured profiles for each of the variables indicates quite good representation of the ecosystem, both in terms of vertical dynamics and in terms of seasonal evolution. Furthermore, year-to-year fluctuations in the ecosystem are well represented, and simu- lations showed the extent to which the ecosystem is sensitive to the hydrodynamic structure. The model was then used to study different reservoir management modes. Applied to a longer period of time, 1976-1987. it pointed up the year-to-year fluctuations due to hydrometeorological conditions and identified periods in which the risk of eutrophication is great. This study provided deeper understanding of the role played by the diatom A. formosa, which is dominant in spring. This diatom is not consumed by zooplankton, but disappears by sinking, trapping a large proportion of nutrients until winter mixing. It acts as a "purifier" of phosphorus in the lake. If some phenomenon disturbs its development, the amount of PO₄ available in the summer is greater, thereby fostering strong summer algal growth. While such disturbances in the spring are related to meteorological conditions, they are also dependent on the hydraulic management mode. This was highlighted in a study of management scenarios. Lastly, this project underscored the benefits of multidisciplinary research, as well as the need for a global approach if the ecosystem is to be represented well. While Our efforts converged in the development of a modeling tool, which is now the repository of Our common knowledge, this tool must actually be seen as the fruit of the long-term personal investment on the part of each in the team, in widely varying fields of competence. There is no doubt that this is the most important lesson to be learned from our project.