Programme d intervention du CEVA en faveur de l action régionale et interdépartementale pour la maîtrise des phénomènes de marées vertes CIMAV 2011

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1 Centre d Etude et de Valorisation des Algues Presqu île de Pen Lan BP 3 / PLEUBIAN algue@ceva.fr Programme d intervention du CEVA en faveur de l action régionale et interdépartementale pour la maîtrise des phénomènes de marées vertes CIMAV 2011 RAPPORT SUR LE PROJET 5 (Phase I) APPLICATION DU MODELE ECOLOGIQUE TRI-DIMENSIONNEL MARS-ULVES A LA DETERMINATION DES OBJECTIFS DE QUALITE NITRATES/ULVES EN MILIEU VASEUX (SITE DE LA RIA D ETEL) ANNEE 2011

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3 SOMMAIRE 1- INTRODUCTION RAPPELS DES OBJECTIFS LE MODELE DE LA RIA D ETEL MISE EN PLACE DU MODELE MARS 3D SUR LE SITE VASEUX DE LA RIA D ETEL ET COUPLAGE DU MODULE BIOLOGIQUE AU MODELE HYDRODYNAMIQUE LES DONNEES DE FLUX DES RIVIERES : RECONSTITUTION DES DEBITS JOURNALIERS AUX EXUTOIRES, ANALYSE ET SYNTHESE PLURIANNUELLE DU FLUX TOTAL EN AZOTE INORGANIQUE DISSOUS COMPARAISONS SUR LES ANNEES METEO-CLIMATIQUE 2010 ET 2011 DES DONNEES MESUREES ET SIMULEES PAR LE MODELE ECOLOGIQUE MARS3D-ULVE Matériel et méthode Mesures en NO 3, NH 4, PO4, salinité et température Comparaisons mesures modèle Résultat des mesures réalisées par le Ceva en Suivi des paramètres abiotiques dans le lit de la rivière Suivi des paramètres abiotiques à proximité des berges Résultat des comparaisons entre les mesures et le modèle Année Année CONCLUSION DE LA PHASE I...28 REFERENCES

4 FIGURES Figure 1 : Emprise des modèles de rang 0 (résolution spatiale : 5.6 km), 1 (résolution spatiale : 1 km), 2 (résolution spatiale : 320 m) et 3 (résolution spatiale : 60 m)...5 Figure 2 : Bathymétrie du modèle intermédiaire de rang 2 (résolution spatiale : 320 mètres)...6 Figure 3 : Bathymétrie du modèle de détail de rang 3 centré sur la Ria d Etel (résolution spatiale : 60 mètres)...6 Figure 4 : Evolution du déphasage moyen et de l erreur relative moyenne sur la différence de marnage obtenus pour un point fixe situé au sud de l embouchure de la Ria d Etel (3.221 W, N) entre la solution du modèle et la solution estimée à partir des constantes harmoniques du fichier CST_France...7 Figure 5 : Localisation des stations de jaugeage et des 10 principaux cours d eau alimentant la Ria d Etel...9 Figure 6 : Evolution pluriannuelle du flux en NO3 (en tonnes d azote) apporté par la rivière de Pont Roch sur la période d avril à septembre de 2006 à Figure 7 : Evolution du flux total en NO3 (en tonnes d azote) apporté par les rivières de la Ria d Etel de mai à septembre pour l année hydrologique 2008 (figure de gauche) et 2010 (figure de droite)...10 Figure 8 : Localisation des 8 points fixes retenus pour la comparaison en surface et au fond des résultats issus du modèle MARS3D-Ulve avec les mesures Localisation du point de mesure «Mané Hellec» utilisé pour les comparaisons 2010 (données de température, salinité et sels nutritifs collectées auprès du S.M.R.E)...16 Figure 9 : Evolution de l abondance phytoplanctonique au cours de l année 2011 dans la Ria d Etel au niveau du point de prélèvement Mané Hellec (données fournies par le Syndicat Mixte de la Ria d Etel)...19 Figure 10 : Comparaison pour la température et la salinité des résultats du modèle avec les mesures effectuées en 2010 au moyen de la bouée instrumentée...21 Figure 11 : Zoom de la température prédite par le modèle et mesurée par la bouée instrumentée (emprise temporelle extraite du rectangle noir présenté à la Figure 10)...21 Figure 12 : Comparaison pour le nitrate et le phosphate dissous des résultats du modèle avec les mesures effectuées en 2010 par le S.M.R.E (les mesures entourées d un cercle signifient qu elles se trouvent au-dessus du seuil de détection de 0.1 µm pour le NO3 et 0.42 µm pour le PO4)...23 Figure 13 : Evolution au point fixe 5 des sels nutritifs (NO3, NH4, PO4), de la température, de la salinité et de la hauteur d eau mesurés en 2011 en surface (croix rouges) et simulés par le modèle (courbes bleues)...24 Figure 14 : Comparaison pour le nitrate et le phosphate dissous des résultats du modèle avec les mesures effectuées en 2011 par le S.M.R.E et le Ceva. Pour le PO4 : les mesures du S.M.R.E entourées d un cercle signifient qu elles se trouvent au-dessus du seuil de détection de 0.42 µm...25 TABLEAUX Tableau 1 : Description des conditions de marées dans lesquelles ont été effectués les prélèvements...12 Tableau 2 : Récapitulatif des caractéristiques des points d échantillonnage. Les lettres S et F associées aux points signifient que sur un même point, un prélèvement a été fait à la surface (S) et au faond (F). Lors de la première mission, le câble de la sonde ne permettait qu une mesure à 1 m de fond ce qui entraîne une différence entre la profondeur d échantillonnage d eau et la profondeur des mesures par la sonde. Ce problème a été résolu pour les deux missions suivantes ce qui permet d avoir des profondeurs d échantillonnage et de mesures identiques...14 Tableau 3 : Résultats des paramètres physico-chimiques mesurés dans le chenal en surface (S) et au fond (F). La localisation des points est rappelée sur la carte en bas à gauche (fond de carte Google Earth). Les concentrations en nutriments en dessous de la limite de détection sont mises en évidence en grisé...18 Tableau 4 : Résultats des paramètres physico-chimiques mesurés au niveau des banquettes vaseuses. La localisation des points est rappelée sur la carte en bas à gauche (fond de carte Google Earth). Les concentrations en nutriments en dessous de la limite de détection sont mises en évidence en grisé.20 Tableau 5 : Comparaison pour la couche de surface entre les mesures et le modèle aux 8 point fixes...26 Tableau 6 : Comparaison pour la couche de fond entre les mesures et le modèle aux 8 point fixes

5 Tableau 7 : Moyenne des valeurs du modèle et des mesures aux 8 point fixes et sur les 3 missions pour la couche de fond et de surface...27 ANNEXES Annexe 1 : Description du modèle écologique MARS3D-Ulves développé en Ria d Etel...32 Annexe 2 : Elaboration aux principaux exutoires de la Ria d Etel des séries de débits journaliers...33 Annexe 3 : Comparaison en surface de l évolution en 8 points fixes de la Ria d Etel des mesures 2011 avec le modèle Mars3D-Ulve...34 Annexe 4 : Comparaison au fond de l évolution en 8 points fixes de la Ria d Etel des mesures 2011 avec le modèle Mars3D-Ulve

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7 Projet 5 Application du modèle écologique tri-dimensionnel MARS- Ulves à la détermination des objectifs de qualité nitrates/ulves en milieu vaseux (site de la Ria d Etel) (Phase I) 1- INTRODUCTION 1.1- Rappels des objectifs La définition de plans de maîtrise des flux de sels nutritifs pénétrant dans les masses d eaux de transition dégradées par le développement excessif de blooms macroalgaux à ulves et entéromorphes passe par la détermination d objectifs de qualité à l exutoire des principaux cours d eau alimentant les vasières (approche déjà pratiquée pour les sites sableux ouverts à marée verte du littoral breton). Dans la continuité de l action déployée en 2009 et 2010 visant à l exploitation du modèle Mars- Ulves dans sa version bi et tridimensionnelle au niveau de l estuaire du Blavet, le Ceva propose d exploiter le modèle 3D sur le site vaseux de la Ria d Etel. L élaboration de ce modèle est rendue désormais possible par l acquisition et le traitement de données topobathymétriques par les services du Syndicat Mixte de la Ria d Etel. Le recours à la version 3D du modèle Mars-Ulves doit permettre une meilleure prise en compte du relargage sédimentaire s établissant au niveau de la couche de fond ainsi qu une meilleure représentation des panaches de dessalure générés par les apports importants d eaux douces. Dans le cadre de cette étude, le Ceva a également proposé de réaliser des séries de mesures hydrologiques (mesures de sels nutritifs) dans le but de caler et de valider le modèle et de mieux cerner les principaux processus biogéochimiques jouant un rôle dans l eutrophisation du site de la Ria d Etel. En définitive, il s agit au moyen du modèle Mars-Ulves 3D de chiffrer la contribution relative des apports des principaux cours d eau à l alimentation de la marée verte au moyen de la technique des traceurs et d estimer l impact de divers scénarios de réduction de ces apports sur la production en ulves afin de dégager des recommandations opérationnelles dans le cadre de la DCE. 4

8 2- LE MODELE DE LA RIA D ETEL 2.2- Mise en place du modèle MARS 3D sur le site vaseux de la Ria d Etel et couplage du module biologique au modèle hydrodynamique L outil de modélisation utilisé dans le cadre de cette étude est le modèle MARS3D (3D hydrodynamical Model for Application at Regional Scale) développé par Ifremer (Lazure et Dumas, 2008). Ce modèle fonctionne en différences finies et est basé sur la résolution des équations de Navier-Stokes à trois dimensions d'espace. Il repose sur la séparation des modes barotrope et barocline et utilise le principe des emprises emboîtées sous forme gigogne. A Définition de l emprise géographique des modèles emboîtés et du modèle 3D de détail centré sur la Ria d Etel L objectif du modèle hydrodynamique tridimensionnel développé dans la Ria d Etel est de fournir les champs de courants et de hauteur d eau pour permettre le calcul des processus d advection dispersion des différentes variables d état du modèle biogéochimique et leur évolution biologique. L obtention des conditions aux limites du modèle hydrodynamique est obtenue par la technique des modèles emboîtés, qui a nécessité le développement de modèles 2D d emprises décroissantes et de résolution croissante. Le premier modèle (appelé rang 0) a une résolution de 5.6 km et s étend en latitude du milieu de l Espagne au nord de la Norvège et en longitude de l Islande à l Italie. Ce modèle est forcé aux frontières ouvertes à partir de huit constituants de marée diurnes et semi-diurnes. Le second modèle (appelé rang 1) a une résolution de 1 km et s étendant en latitude du sud de Noirmoutier jusqu aux environs de Concarneau. Il fournit les conditions en hauteur d eau à un troisième modèle intermédiaire (appelé rang 2) qui a une résolution de 320 m. Ce modèle fournit à son tour les conditions aux limites au modèle de détail de la Ria d Etel (appelé rang 3) qui possède une résolution de 60 m. Les bathymétries des rangs 1 et 2 ont été élaborées au moyen des données catalogues disponibles à l Ifremer Brest (modèle général de rang 0 construit par Ifremer). S agissant du modèle de détail de rang 3, le modèle numérique de terrain (MNT) récemment acquis par le Syndicat Mixte de la Ria d Etel a été utilisé. Ce MNT a été constitué sur la base de relevés topo-bathymétriques combinant des données Lidar et des mesures acoustiques par sondeur multifaisceaux. La Figure 1 illustre l emprise du modèle de rang 0 et des modèles de rang 1, 2 et 3. Les figures 2 et 3 illustrent les bathymétries des modèles de rang 2 et 3 Figure 1 : Emprise des modèles de rang 0 (résolution spatiale : 5.6 km), 1 (résolution spatiale : 1 km), 2 (résolution spatiale : 320 m) et 3 (résolution spatiale : 60 m) 5

9 Figure 2 : Bathymétrie du modèle intermédiaire de rang 2 (résolution spatiale : 320 mètres) Figure 3 : Bathymétrie du modèle de détail de rang 3 centré sur la Ria d Etel (résolution spatiale : 60 mètres) 6

10 L évaluation de la qualité du modèle hydrodynamique de détail de rang 3 a consisté à comparer, en un point fixe localisé au sud de l embouchure de la Ria d Etel, les hauteurs d eau prédites par les données du fichier Shom avec celles calculées par le modèle. L évaluation a consisté à quantifier, à l échelle du cycle de marée, le décalage temporel et la différence de marnage entre le signal de marée fournit par le fichier Shom et celui fournit par le modèle (comparaison effectuée sur l ensemble des cycles de marée du mois de septembre 2010). La figure 4 présente les résultats de l évolution du déphasage moyen et de la différence de marnage moyenne. Figure 4 : Evolution du déphasage moyen et de l erreur relative moyenne sur la différence de marnage obtenus pour un point fixe situé au sud de l embouchure de la Ria d Etel (3.221 W, N) entre la solution du modèle et la solution estimée à partir des constantes harmoniques du fichier CST_France (moyenne réalisée sur la prédiction du mois de septembre 2010) Les résultats présentés en figure 4 montrent une tendance marquée à l augmentation (respectivement à la diminution) du déphasage et de la différence de marnage par rapport au marnage moyen en période de morte-eau (respectivement en période de vive-eau). L erreur relative moyenne de marnage sur l ensemble du mois de septembre 2010 entre la prédiction Shom et le modèle est inférieure à 1 % tandis que le décalage temporel moyen est de l ordre de 10 minutes. Etant donné l absence de données de mesures sur la vitesse du courant en Ria d Etel, les champs de vitesse calculés par le modèle en termes de direction et d intensité n ont pu faire l objet d une validation. 7

11 B Couplage du module biologique au modèle physique Une opération spécifique de couplage du module biochimique au modèle MARS3D (dans sa version V8.17) a été engagée. Au total, 8 variables d états reliées entre elles par les processus chimiques et biologiques exprimés sous forme d équations différentielles ordinaires du temps ont été retenues : - l azote minéral dissous sous la forme nitrate (N-NO 3 - ) et ammonium (N-NH 4 - ), la forme nitrite étant négligée, - le phosphore minéral dissous dans l eau (P-PO 4 3- ), - l azote et le phosphore sous leur forme détritique dans l eau, - l azote et le phosphore des ulves en dépôt sous leur forme organique (incluse dans la matière vivante), - la biomasse des ulves en dépôt. En plus des apports d origine terrigène et de ceux provenant de la limite marine, un apport en sels nutritifs par le compartiment sédimentaire (NO 3, NH 4 et PO 4 dissous) a été introduit. Les équations différentielles du modèle biochimique ainsi que le détail des processus modélisés incluant l opération de couplage de ce sous-modèle au modèle hydrodynamique MARS sont reportés en Annexe Les données de flux des rivières : reconstitution des débits journaliers aux exutoires, analyse et synthèse pluriannuelle du flux total en azote inorganique dissous L élaboration des données de flux des rivières alimentant la Ria d Etel en termes de débit et de concentration en nitrate, ammonium et phosphate dissous utilise les données fournies par le Syndicat Mixte de la Ria d Etel (S.M.R.E). Les dix principaux cours d eau retenus sont : Pont Roch, Demi- Ville, Moulin du Palais, Moulin St Georges, Lézévery, Calavret, Kerlino, Bisconte et Sac h (cf. Figure 5). L absence de mesures de débit journalier sur l ensemble de ces cours d eau a conduit le S.M.R.E à mener des corrélations entre les débits ponctuels mesurés aux exutoires et quatre stations de jaugeage gérées par la DREAL Bretagne que sont : Le Loch à Brech Le Blavet à Languidic (Quellenec) Le Coët-Organ à Quistinic (Kerdec) L Evel à Guerin D une manière générale, les corrélations obtenues montrent que c est la station de jaugeage du Loch qui est la mieux corrélée avec les cours d eau locaux de la Ria d Etel. Sur la base de ces travaux, le Ceva a dégagé, sur la période de développement des ulves d avril à septembre, des lois de régressions linéaires spécifiques à chaque cours d eau entre les données ponctuelles de débits mesurés par le S.M.R.E et la station de jaugeage du Loch à Brech. L ensemble des résultats est présenté en Annexe 2 et reprend pour l essentiel le premier document de synthèse fournie par le S.M.R.E. La reconstitution des données de débit journalier pour chacun des 10 cours d eau a permis le calcul du flux total en NO3 de 2006 à 2010 sur la période de développement des marées vertes (de mai à septembre). L absence de données de mesure en NO 3, NH 4 et PO 4 pour les cours d eau de Kerlino, de Bisconte et de Sac h sur 2009 et 2010 a conduit à utiliser pour ces deux années la moyenne des valeurs mensuelles établie de 2006 et

12 Figure 5 : Localisation des stations de jaugeage et des 10 principaux cours d eau alimentant la Ria d Etel Afin d illustrer la variabilité interannuelle des flux, la Figure 6 présente la synthèse du flux total en NO3 à Pont Roch entre 2006 et Un rapport de 2.5 entre le flux total de 2008 et de 2010 (flux intégré de mai à septembre) est observé. L année hydrologique 2008 pourra par conséquent être qualifiée comme une année de flux important (année humide) tandis que l année 2010 pourra être qualifiée d année sèche. Etant donnée le peu d années hydrologiques analysées pour cerner la variabilité interannuelle des flux, il paraît raisonnable de prendre des précautions sur le qualificatif «année humide» et «année sèche». Figure 6 : Evolution pluriannuelle du flux en NO3 (en tonnes d azote) apporté par la rivière de Pont Roch sur la période d avril à septembre de 2006 à

13 La synthèse par rivière des apports en NO3 pour l année hydrologique 2008 fait clairement apparaître sur la période de développement des ulves de mai à septembre la contribution importante au flux total en NO3 de Demi-Ville (38 %) et de Pont Roch (30 %). Sur 2010, Pont Roch contribue à hauteur de 44 % et Demi-Ville autour de 23 %. Ces deux cours d eau totalisent par conséquent 68 % sur 2008 et 64 % sur 2010 du flux total en NO3 apporté par les rivières de la Ria d Etel. Les cours d eau de Moulin du Palais, de Moulin St Georges et de Lézévery contribuent entre 5 et 12 % sur 2008 et Kerlino, Moulin du Cochelin, Bisconte et Sac h participent faiblement à l enrichissement en azote dissous de la Ria d Etel (entre 0.5 et 20 % sur 2008 et 2010) (Figure 7). Figure 7 : Evolution du flux total en NO3 (en tonnes d azote) apporté par les rivières de la Ria d Etel de mai à septembre pour l année hydrologique 2008 (figure de gauche) et 2010 (figure de droite) Par ailleurs, le flux total en ammonium apporté par Pont Roch et Demi-Ville totalise en moyenne entre 2006 et 2010 moins de 1 % du flux total en NID et peut donc être considéré comme négligeable. Un forçage en NH4 a toutefois été retenu dans le modèle sur la base des valeurs mesurées sur chaque rivière Comparaisons sur les années météo-climatique 2010 et 2011 des données mesurées et simulées par le modèle écologique Mars3D-Ulve Matériel et méthode Mesures en NO3, NH4, PO4, salinité et température Le présent rapport prévoyait l acquisition de mesures en 2011 et leur comparaison avec les résultats du modèle Mars3D-Ulve. Cependant, dans le cadre du suivi plancton, le S.M.R.E disposait sur l année 2010 au point de mesure «Mane Hellec» de données ponctuelles en NO3 et PO4 (idem sur 2011). Le S.M.R.E disposait également sur 2010 de mesures de température et de salinité provenant d une bouée instrumentée immergée à proximité du point de mesure de «Mane Hellec». Cette bouée instrumentée fournit une mesure de température et de salinité toutes les dix minutes permettant une confrontation fine avec les données 2010 issues du modèle. Au programme initial est donc venu se greffer un volet de comparaison de l ensemble des mesures mises à disposition sur 2010 par le S.M.R.E avec les résultats du modèle. Afin de clarifier la provenance des données de mesures, leur qualité et la longueur des séries disponibles, il est nécessaire de scinder leur présentation sur les deux années disponibles : 10

14 A Mesures hydrologiques 2010 collectées auprès du S.M.R.E : Comme évoqué précédemment, les données collectées auprès du S.R.M.E concernent en 2010 pour les sels nutritifs : le nitrate et le phosphate dissous au niveau du point de mesure de «Mané Hellec». Le laboratoire en charge des analyses est le laboratoire IPL santé, environnement durable Bretagne (seuil de détection pour le nitrate : 0.1 µm et le phosphate dissous : 0.42 µm). Sur la période de prolifération des ulves d avril à septembre, 10 mesures pour chacun des deux sels nutritifs ont été utilisés pour la comparaison avec le modèle. Les données de température et de salinité issues de la bouée instrumentée localisée à proximité du point de mesure de «Mané Hellec» ont permis l élaboration d une série de plus de points de mesures pour chacune des deux variables. Dans un premier temps, un filtrage des mesures aberrantes a été opéré. Les deux séries constituées s étalent du 27 avril au 14 mai 2010 et du 26 mai au 13 octobre Pour cause de maintenance de la bouée instrumentée, aucune mesure n a pu être collectée entre le 15 mai et le 25 mai B Mesures hydrologiques 2011 effectuées par le Ceva : Ces mesures sont destinées d une part à la validation de la physique du modèle et d autre part à l obtention d une connaissance plus précise des caractéristiques hydrologiques de la Ria d Etel. Les points d échantillonnage ont été choisis de façon à couvrir l ensemble de la zone, que ce soit au milieu du chenal ou sur les banquettes vaseuses. La Carte 1 présente la répartition des points d échantillonnage dans la Ria d Etel. Les points situés dans le chenal ont fait l objet d un échantillonnage en surface et au fond. Les points sur les banquettes vaseuses n ont fait l objet que d un échantillonnage en surface. Lorsque les conditions de marée le permettait (marée montante) et sur les points ne nécessitant qu un échantillonnage de surface, il a été choisi de se rapprocher au plus près de la berge pour effectuer des prélèvements par faibles profondeurs d eau. 11

15 Carte 1 : Localisation des points d échantillonnage dans la Ria d Etel. Les chiffres soulignés correspondent aux points situés dans le chenal et sur lesquels les mesures ont été effectuées en surface et au fond. Trois missions ont été effectuées sur la Ria d Etel en mai, juillet et septembre Le descriptif de chacune des missions est reporté dans le Tableau 1. Les missions des mois de mai et de septembre ont été effectuées par petit coefficient de marée et durant la marée montante. A l inverse, la mission du mois de juillet a été effectuée durant la marée descendante et par grand coefficient de marée. La progression sur la Ria d Etel a toujours été effectuée de l aval vers l amont de la rivière. Tableau 1 : Description des conditions de marées dans lesquelles ont été effectués les prélèvements N mission Date Coefficient de marée Heure de la pleine mer au Heures de prélèvement port d Etel Mission 1 12/05/ h29 9h00 à 14h37 Mission 2 05/07/ /86 08h26 9h00 à 12h55 Mission 3 07/09/ /46 14h35 8h50 à 13h37 12

16 Les mesures de température (± 0.1 C), salinité (± 0.1), oxygène (± 0.01 mg.l -1 et ± 0.1 %) et ph (± 0.01) ont été effectuées à l aide d une sonde de terrain WTW 1970 i (Photo 1). La première mission a été effectuée avec des sondes dont la longueur de câble était de 3 m. Il a été décidé par la suite de poursuivre avec des sondes de longueur de câble de 20 m pour pouvoir atteindre la couche de fond. Photo 1 : illustration de la sonde de terrain permettant d acquérir in situ les données de température, salinité, oxygène et ph. Les échantillons d eau de surface destinés aux dosages de nitrates (NO 3 - ), d ammonium (NH 4 + ) et d orthophosphates dissous (PO 4 3- ) ont été prélevés directement en plongeant le flacon à 20 cm sous la surface pour les prélèvements de surface et au moyen d une bouteille Niskin de 5 litres (Photo 2) pour les prélèvements d eau du fond. Photo 2 : Illustration de la bouteille fermante type Niskin utilisée pour les prélèvements d eau du fond Le descriptif de la hauteur d eau présente au niveau de chaque point de prélèvement et les profondeurs auxquelles les mesures ont été effectuées et les échantillons prélevés sont présentés dans le Tableau 2. 13

17 Tableau 2 : Récapitulatif des caractéristiques des points d échantillonnage. Les lettres S et F associées aux points signifient que sur un même point, un prélèvement a été fait à la surface (S) et au faond (F). Lors de la première mission, le câble de la sonde ne permettait qu une mesure à 1 m de fond ce qui entraîne une différence entre la profondeur d échantillonnage d eau et la profondeur des mesures par la sonde. Ce problème a été résolu pour les deux missions suivantes ce qui permet d avoir des profondeurs d échantillonnage et de mesures identiques Points Hauteur d eau (m) Mission 1 Mission 2 Mission 3 Profondeur Hauteur Profondeur Hauteur d échantillonnage/de d eau d échantillonnage/de d eau mesure (m) mesure (m) Profondeur d échantillonnage/de mesure 1S F 5.6 5/ S F / S F 3 2.4/ S F / S F 4.6 4/ S F / S F / S F / Pour tous les prélèvements, les flacons ont été rincés 3 fois à l aide de l eau d échantillonnage avant le prélèvement. Les échantillons ont été conservés en glacière jusqu au retour au laboratoire où ils ont été placés à une température de 4 C. Ils ont été filtrés sur un filtre de porosité 0.45 µm, 24 h maximum après leur prélèvement puis congelés à -80 C. A partir de ces prélèvements, les nitrates, orthophosphates et ammonium dissous ont été dosés (dosages effectués par l Institut Pasteur de Lille à un seuil de détection de 0.1 µm pour tous les éléments). 14

18 Comparaisons mesures modèle Pour ces comparaisons, il est important de préciser que le modèle a tourné avec le module biologie complet (cf. présentation en Annexe 1) afin de s approcher le plus possible des conditions environnementales de la Ria d Etel où la production primaire joue un rôle crucial dans l évolution des teneurs en NO3, NH4 et PO4. Les données réelles de météorologie et de marée ont été utilisées pour les simulations. Les données de forçage météorologiques utilisées pour chacune des années simulées proviennent du modèle Arpège de Météo France et concernent la vitesse et direction du vent, la température de l air, la nébulosité, l humidité de l air et la pression atmosphérique. Au moyen de ces données, le modèle Mars3D-ulve calcul ensuite à chaque pas de temps l insolation (rayonnement solaire exprimé en watt/m²) qui régit fortement l évolution de la température de l eau à l échelle saisonnière. Concernant les données de forçage en température, salinité et sels nutritifs (NO 3 -, NH 4 + et PO 4 3- ) utilisées aux frontières ouvertes du modèle, ces dernières diffèrent selon l année simulée en fonction des données disponibles. Pour l année simulée 2010, deux types de mesures ont été utilisés pour constituer des séries temporelles réalistes de forçage aux limites marines du modèle : Mesures SOMLIT 2010 à Estacade (capteur localisé au bout de la jetée de l embarcadère de l île de Batz). Les données récupérées et mesurées uniquement en sub-surface concernent les variables : NO 3 -, NH 4 + et PO Mesures issues du réseau REPHY 2010 au lieu de surveillance appelé «Pierres Noires» pour la température et la salinité (1 mesure par mois disponible). Pour l année simulée 2011, trois types de mesures ont été utilisés pour constituer les séries de forçage aux limites marines du modèle : Mesures SOMLIT 2011 à Estacade. Les données récupérées et mesurées uniquement en subsurface concernent les variables : NO 3 -, NH 4 + et PO Mesures REPHY aux lieux de surveillance appelés «Pierres Noires» et «Port d Etel» pour la température et la salinité. Etant donné qu aucune mesure n était disponible en 2011 en ces deux points de surveillance, des moyennes mensuelles ont été calculées sur la base des années disponibles afin de créer pour l année 2011 une série fictive mais représentative de l évolution moyenne de la température et de la salinité aux frontières ouvertes du modèle. Pour les mois d avril à décembre, la série moyenne ainsi constituée utilise les 76 valeurs mesurées entre 2005 et 2010 au Port d Etel (aucune mesure entre janvier et mars). Les données moyennées à Pierres Noires ont permis de compléter la série pour le tout début d année en particulier pour le mois de mars qui représente le début des simulations. L essentiel du signal de température et de salinité injecté aux limites marines est donc composé par les valeurs moyennes au Port d Etel. La Figure 5 permet de localiser les points utilisés pour les comparaisons entre les mesures et le modèle pour les années 2010 et Pour l année 2010, ces comparaisons ont été effectuées au niveau du site de prélèvement de Mané Hellec. Pour l année 2011, ces dernières ont été effectuées en 8 points fixes à la fois pour la couche de surface et de fond. Les points de mesures 2011 effectués en Ria d Etel sur les estrans par très faible épaisseur d eau n ont pas été retenus pour ces comparaisons. 15

19 Point de mesure «Mané Hellec» Figure 8 : Localisation des 8 points fixes retenus pour la comparaison en surface et au fond des résultats issus du modèle MARS3D-Ulve avec les mesures Localisation du point de mesure «Mané Hellec» utilisé pour les comparaisons 2010 (données de température, salinité et sels nutritifs collectées auprès du S.M.R.E) Le forçage en M.E.S (Matière En Suspension) provient d une climatologie réalisée par Ifremer sur l ensemble de la Bretagne. Une extraction en un point fixe situé au niveau de la limite sud du domaine de modélisation a été opérée. Dans le modèle, la valeur interpolée en M.E.S à chaque pas de temps est donc affectée à l ensemble des mailles de calcul. 16

20 Résultat des mesures réalisées par le Ceva en Suivi des paramètres abiotiques dans le lit de la rivière Une évolution saisonnière de la concentration en nutriments a été mise en évidence avec un enrichissement des eaux en phosphore et en ammonium au cours de la saison (Tableau 3). Les concentrations en phosphore, indétectables lors de la première mission, ont atteint une valeur moyenne de 0.64 µm lors de la dernière mission. Les concentrations d ammonium ont été en moyenne multipliées par 2.5 entre le début et la fin de l été. Cette évolution saisonnière est liée à la diminution de l activité des producteurs primaires au cours de la saison estivale couplée à une augmentation de la reminéralisation de la matière organique par les bactéries. Les survols aériens effectués par le CEVA en mai, juillet et septembre 2011 ont permis d établir que le maximum de surface algale avait été atteint en mai. Le suivi phytoplanctonique effectué en 2011 (données fournies par le Syndicat Mixte Ria d Etel) a montré que le maximum avait été atteint début juin avec près de cellules.l -1 (Figure 9). La matière algale produite (microalgues et macroalgues confondues) est une source importante de matière organique qui, par dégradation bactérienne, est reminéralisée, enrichissant à nouveau le milieu en nutriments biodiponibles. Le suivi de la concentration en oxygène et du pourcentage de saturation en oxygène dans l eau confirme que ce sont bien les phénomènes biologiques qui sont à l origine de la saisonnalité observée. La diminution de l activité des producteurs primaires (producteurs d oxygène par la photosynthèse) couplée à la dégradation bactérienne (consommatrice d oxygène) aboutit à une saturation moyenne de 71.3 % au mois de septembre contre des valeurs moyennes supérieures à 100 % lors de la première et de la seconde mission. Un autre paramètre permettant le suivi de l activité biologique est le suivi du ph. En effet, la photosynthèse, de part la consommation du CO 2 présent dans l eau, modifie le ph en le rendant plus alcalin (Axelsson, 1988). Entre la première mission et la dernière le ph est passé de 8.5 en moyenne à 8.0 confirmant une activité photosynthétique supérieure lors de la première mission. A l inverse des orthophosphates et de l ammonium, les nitrates deviennent indétectables au cours de la saison. Les quelques concentrations en nitrates détectables au mois de mai se retrouvent dans les échantillons les plus en amont, situés dans l embouchure des deux cours d eau participant le plus aux flux azotés à savoir la rivière de Demi Ville et la rivière de Pont Roch. Les nitrates étant à la fois consommés par les producteurs primaires, peu renouvelés par l apport des rivières dont les flux diminuent en période estivale et dilués dans la masse d eau, cela explique les faibles teneurs présentes au cours des différentes campagnes de terrain. Les températures de l eau ont été plus ou moins variables au sein d une même mission. Elles ont été comprises entre 17.0 et 18.3 C au mois de mai, entre 16.7 et 19.7 C au mois de juillet et entre 17.8 et 18,6 C au mois de septembre. Les températures les plus élevées ont généralement été enregistrées aux points situés en fond de ria. Aucune stratification verticale n a été enregistrée. Concernant la salinité, les valeurs sont proches de celles de l eau de mer. Elle a été comprise entre 32.7 et 34.0 en mai, entre 33.6 et 34.2 en juillet et entre 31.5 et 33.7 en septembre. 17

21 Tableau 3 : Résultats des paramètres physico-chimiques mesurés dans le chenal en surface (S) et au fond (F). La localisation des points est rappelée sur la carte en bas à gauche (fond de carte Google Earth). Les concentrations en nutriments en dessous de la limite de détection sont mises en évidence en grisé. Points 1 NO3 (µm) PO4 (µm) 4 NH4 (µm) MISSION 1-12/05/ Salinité 7 Teau ( C) 19 ph O 2 O 2 (%) (mg.l -1 ) 1S 0.15 <0.10 < F <0.10 < S F 0.25 <0.10 < S 0.14 <0.10 < F <0.10 < S <0.10 < F <0.10 < S <0.10 < F <0.10 < S 5.4 < F S 0.61 < F 0.49 < S <0.10 < F <0.10 < Points NO3 PO4 NH4 (µm) (µm) (µm) Salinité Teau O ph 2 ( C) (mg.l -1 ) (%) 0.14 < < < < <0.10 < < <0.10 < <0.10 < <0.10 < <0.10 < < < < < NO3 (µm) PO4 (µm) MISSION 2-05/07/2011 MISSION 3-07/09/2011 NH4 (µm) Salinité Teau ( C) ph O 2 O 2 (%) (mg.l -1 ) 1S < F < S < F < S < F < S < F < S < F < S < F < S < F < S < F O 2 18

22 Abondance phytoplanctonique (cellules.l -1 ) janv.-11 févr.-11 mars-11 avr.-11 mai-11 Figure 9 : Evolution de l abondance phytoplanctonique au cours de l année 2011 dans la Ria d Etel au niveau du point de prélèvement Mané Hellec (données fournies par le Syndicat Mixte de la Ria d Etel) Suivi des paramètres abiotiques à proximité des berges juin-11 juil.-11 août-11 sept.-11 oct.-11 nov.-11 déc.-11 Pour les prélèvements faits au niveau des banquettes vaseuses par faibles profondeurs, l évolution saisonnière concernant la majorité des paramètres est la même que celle observée dans le lit de la rivière ( Tableau 4). Les principales différences portent sur : - la concentration moyenne en ammonium. Elle est restée stable au cours de la saison (1.7 µm en mai, 1.7 µm en juillet et 1.4 µm en septembre) et est supérieure à celle mesurée dans le lit de la rivière, notamment en mai et juillet. Les travaux d Azandegbe (2010) ont mis en évidence que la présence d ostréiculture induisait l augmentation du flux d ammonium provenant du sédiment. De plus, en étant dans de faibles profondeurs, les concentrations sont moins diluées. - les températures. Elles ont été supérieures à celles mesurées dans le lit de la rivière du fait des plus faibles profondeurs (maximum de 20.9 C en mai, 19.8 C en juillet et 21.3 C en septembre). - les concentrations en oxygène. Elles ont été supérieures à celles mesurées dans le lit de la rivière. Sur les points les plus en amont, la saturation en oxygène a atteint %. De manière générale, les zones avec les plus fortes concentrations en oxygène étaient celles dont le substrat était fortement colonisé par les algues vertes (Ulva, Enteromorpha, Chaetomorpha). 19

23 Tableau 4 : Résultats des paramètres physico-chimiques mesurés au niveau des banquettes vaseuses. La localisation des points est rappelée sur la carte en bas à gauche (fond de carte Google Earth). Les concentrations en nutriments en dessous de la limite de détection sont mises en évidence en grisé. MISSION 1-12/05/2011 MISSION 2-05/07/2011 Points NO3 (µm) PO4 (µm) NH4 (µm) Salinité Teau ( C) ph O 2 (mg.l -1 ) O 2 (%) NO3 (µm) PO4 (µm) NH4 (µm) Salinité Teau ( C) ph O 2 (mg.l -1 ) O 2 (%) 2 <0,10 <0, <0,10 <0, <0,10 <0, <0,10 <0, <0,10 <0, <0,10 <0, <0, <0,10 <0, <0, <0,10 <0, <0,10 <0, <0,10 <0, <0,10 <0,10 <0, <0, <0, <0, <0, <0, <0, <0,10 <0, <0, <0,10 <0, <0,10 <0, <0, <0, <0,10 <0, <0, MISSION 3-07/09/2011 Points NO3 (µm) PO4 (µm) NH4 (µm) Salinité Teau ( C) ph O 2 (mg.l -1 ) O 2 (%) <0, <0, <0, <0, <0, <0, <0, <0, <0, <0, <0, <0, <0, <0,

24 Résultat des comparaisons entre les mesures et le modèle Année 2010 L évolution de la température et de la salinité au niveau de Mané Hellec est illustrée sur la Figure 10. Le modèle reproduit correctement d un point de vue quantitatif et qualitatif le signal de température mesuré. Les fortes oscillations de température liées au va et vient de la marée sont finement reproduites (cf. zoom en Figure 11). En revanche, un écart significatif augmentant avec la saison est observé sur le signal de salinité. Après inspection des données de salinité mesurées, il s avère que ces dernières paraissent douteuses en raison de l absence d oscillations marquées à l échelle de la marée sur la période juillet-août-septembre. Sur cette période apparaît clairement au niveau des mesures des pics de dessalure importants mais l absence d oscillations est surprenante. Dans ces conditions, la comparaison entre les mesures et le modèle est rendue difficile. Figure 10 : Comparaison pour la température et la salinité des résultats du modèle avec les mesures effectuées en 2010 au moyen de la bouée instrumentée Figure 11 : Zoom de la température prédite par le modèle et mesurée par la bouée instrumentée (emprise temporelle extraite du rectangle noir présenté à la Figure 10) 21

25 Concernant les sels nutritifs, le modèle affiche une diminution progressive de la teneur en nitrate tandis que les mesures font apparaître une chute drastique de la concentration entre avril et début mai. Les deux principales hypothèses permettant d expliquer l écart entre le modèle et les mesures sont : - Données de flux erronées. Le flux journalier en azote inorganique dissous déversé par chacune des dix rivières de la Ria repose sur la multiplication du débit théorique journalier (donnée reconstituée) par la concentration du sel nutritif considéré sachant que la forme nitrate se trouve largement dominante par rapport à la forme ammonium (cf. 2.3). Or, la méthode de reconstitution des débits théoriques journaliers décrite en ANNEXE 2 (corrélation entre quelques mesures ponctuelles menée sur les 10 rivières avec les données de débit journalier du Steir) n est pas parfaite et génère intrinsèquement un biais particulièrement difficile à quantifier. S agissant de la concentration des rivières en NO 3, son faible échantillonnage (en général 1 mesure disponible par mois) introduit également une source d erreur dans le flux total journalier injecté par le modèle en Ria d Etel. D une manière générale, le paramètre NO 3 intervient de manière secondaire par rapport au débit dans le calcul du flux journalier du fait de sa plus grande stabilité durant la saison de prolifération des ulves et d une année sur l autre. Cependant, en Ria d Etel, les mesures en NO 3 montrent un comportement différent de ce paramètre en fonction du cours d eau et de l année hydrologique considérée. Pour la rivière de Pont-Roch, la teneur moyenne en NO 3 de mai à septembre est de 31.5 mg.l -1 pour 2008 et 32.2 mg.l -1 pour 2009 quand le débit moyen est de 0.43 m3/s pour 2008 et 0.23 m3/s pour L écart relatif entre 2009 et 2008 en concentration est donc faible (autour de 2.3 %) tandis que l écart relatif sur le débit moyen journalier s avère important pour cette rivière (46.5 %). Pour Demi-Ville, il en va tout autrement pour la concentration moyenne en NO 3 avec un écart relatif entre 2009 et 2008 très important (49 %). L écart relatif pour le débit moyen journalier (52 %) se trouve logiquement dans la même gamme de valeur que celui de Pont-Roch du fait de la méthode de reconstitution des débits. - Absence dans le modèle d un compartiment phytoplanctonique qui pomperait en partie le nitrate provenant des rivières. Les mesures 2011 effectuées par le Ceva ainsi que les mesures pluri-annuelles effectuées par le S.M.R.E dans le cadre du suivi planctonique témoignent d une activité phytoplanctonique importante en Ria d Etel sur la saison de développement des ulves. Si l ajout d un compartiment phytoplanctonique génèrera mécaniquement l apparition d un terme source en azote dissous, préférentiellement sous la forme NH4, lié à la reminéralisation de la matière organique provenant du phytoplancton détritique, l effet global devrait se traduire dans le modèle par un abaissement moyen de la teneur en NO3. S agissant du phosphate dissous, la comparaison d un point de vue quantitatif s avère délicate dans la mesure où la quasi-totalité des mesures se trouve en deçà du seuil de détection de 0.42 µm. Toutefois, les résultats du modèle paraissent cohérents avec les mesures car les teneurs simulées sont inférieures au seuil de détection. 22

26 Figure 12 : Comparaison pour le nitrate et le phosphate dissous des résultats du modèle avec les mesures effectuées en 2010 par le S.M.R.E (les mesures entourées d un cercle signifient qu elles se trouvent au-dessus du seuil de détection de 0.1 µm pour le NO3 et 0.42 µm pour le PO4) Année 2011 La Figure 13 présente l évolution au point de mesure 5 des teneurs mesurées et simulées par le modèle pour les variables NO 3, NH 4, PO 4, température, salinité et hauteur d eau (uniquement pour la couche de surface). L ensemble des graphes d évolution est reporté en Annexe 3 pour la couche de surface et Annexe 4 pour la couche de fond. Le Tableau 5 (couche de fond) et le Tableau 6 (couche de surface) proposent en chaque point fixe une comparaison quantitative entre les 3 séries de mesures (mai, juillet et septembre) et les résultats du modèle. Le Tableau 7 est une synthèse aux 8 points fixes et sur les 3 missions de la valeur moyenne obtenue par le modèle et les mesures. 23

27 Figure 13 : Evolution au point fixe 5 des sels nutritifs (NO3, NH4, PO4), de la température, de la salinité et de la hauteur d eau mesurés en 2011 en surface (croix rouges) et simulés par le modèle (courbes bleues) 24

28 S agissant des variables physiques (température, salinité et hauteur d eau), les ordres de grandeur obtenus par les mesures et le modèle sont proches (cf. Tableau 5, Tableau 6 et Tableau 7). En moyenne sur l ensemble des 8 points de mesures et des trois missions, l écart relatif entre les mesures et le modèle est de 1 % pour la température, 0.12 % pour la salinité et proche de 0 % sur les hauteurs d eau. Cet indicateur de précision doit cependant être relativisé dans la mesure où l on raisonne en moyenne sur l ensemble des missions et des points de mesures et que des écarts non négligeables sont observés en certains points fixes entre les mesures et le modèle. Pour les variables liées aux éléments nutritifs (NO 3, NH 4, PO 4 ), les écarts entre les mesures 2011 effectuées par le Ceva et le modèle sont nettement plus importants en particulier pour le nitrate (3.42 µm en moyenne pour le modèle contre 0.86 µm pour les mesures). Pour l ammonium, la teneur moyenne est de 1.22 µm (PO4 : 0.19 µm) pour le modèle contre 1.58 µm (PO4 : 0.92 µm pour) pour les mesures. Dans un contexte hydrologique où le gradient de NO3 est particulièrement élevé entre le point de rejet (supérieur à 500 µm) et le point utilisé pour la comparaison qui varie globalement dans une fourchette 0.5 à 40 µm sur la saison, le modèle parvient toutefois à restituer la dilution importante s opérant dans la Ria d Etel. De la même façon que pour l analyse de la comparaison des mesures effectuées en 2010 avec le modèle, l hypothèse la plus probable permettant d expliquer l écart entre les mesures et le modèle (en particulier pour la variable NO3) est l absence de prise en compte d un compartiment phytoplanctonique dans le modèle biologique. Une meilleure adéquation entre les mesures et le modèle est obtenue avec les mesures 2011 du S.M.R.E pour le nitrate (cf. Figure 14). A l exception du pic mesuré début août, le modèle suit assez fidèlement les teneurs mesurées en NO3. Un écart significatif est donc observé entre les mesures provenant du S.M.R.E et celles du Ceva aux points 4 et 2. Concernant le phosphate dissous, 9 mesures sur 12 provenant du S.M.R.E sont en deçà du seuil de détection ce qui rend difficile la comparaison avec le modèle qui affiche toutefois des teneurs inférieures au seuil de détection. Pour ce qui est des mesures Ceva, ces dernières sont globalement cohérentes avec les résultats du modèle. Figure 14 : Comparaison pour le nitrate et le phosphate dissous des résultats du modèle avec les mesures effectuées en 2011 par le S.M.R.E et le Ceva. Pour le PO4 : les mesures du S.M.R.E entourées d un cercle signifient qu elles se trouvent au-dessus du seuil de détection de 0.42 µm 25

29 Tableau 5 : Comparaison pour la couche de surface entre les mesures et le modèle aux 8 point fixes date point de NO3 (µm) NH4 (µm) PO4 (µm) Température ( C) Salinité (p.s.u) Hauteur d'eau (m) mesure modèle mesure modèle mesure modèle mesure modèle mesure modèle mesure modèle mesure 12/05/ < /07/ /09/ < < /05/ /07/ < < /09/ < < /05/ < /07/ < < /09/ < < /05/ < < /07/ < < /09/ < < /05/ < < /07/ < < /09/ < < /05/ /07/ < < /09/ < < /05/ /07/ /09/ < /05/ < < /07/ < < /09/ < <