Evaluation de l'impact potentiel d'un upwelling artificiel lié au fonctionnement d'une centrale à énergie thermique des mers sur le phytoplancton

Evaluation of the potential impact of an artificial upwelling linked to the operation of a thermal energy plant of the seas on phytoplankton

• Auteur / Autrice : Mélanie Giraud
• Direction : Denis de La Broise, Marie Boye, Véronique Garçon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 01/02/2016
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer (Plouzané, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l’environnement marin (Plouzané, Finistère)
• Jury : Président / Présidente : Yves-Marie Paulet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves-Marie Paulet, Pascal Claquin, Nicolas Savoye, Eric Machu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Claquin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Upwelling

Centrales maréthermiques

Phytoplancton marin

Mots clés libres

Upwelling artificiel

Centrale à Energie Thermique des Mers (ETM)

Phytoplancton

Artificial upwelling

Ocean Thermal Energy Concersion (OTEC)

Phytoplankton

Résumé

Dans le cadre de l’implantation d’une centrale pilote à énergie thermique des mers (ETM) prévue au large des côtes caribéennes de la Martinique d’ici 2020, ces travaux de thèse visent à évaluer les impacts potentiels de la décharge d’eau profonde en surface sur le phytoplancton. La centrale pilote offshore NEMO conçue par DCNS et mise en oeuvre par Akuo Energy prévoit une production d’environ 10 MW. Les eaux froides et riches en nutriments pompées au fond et rejetées en surface par la centrale ETM avec un débit d’environ 100 000 m3.h-1 devraient enrichir les eaux de surface du site d’étude, particulièrement pauvres en nitrate et phosphate. Deux campagnes de mesures sur le terrain à deux saisons contrastées (saison humide en juin 2014 et saison sèche en novembre 2013) ont permis d’apporter une description des différents paramètres physiques et biogéochimiques susceptibles d’induire une modification de la communauté phytoplanctonique. Une variabilité saisonnière marquée de la stratification et des paramètres biogéochimiques a été mise en évidence avec en saison humide une forte influence océanique (advection d’eaux originaires de l’Amazone et de l’Orénoque) et atmosphérique (brumes des sables) enrichissant potentiellement la couche de surface en nutriments et en métaux traces. Des microcosmes in situ ont été développés afin de simuler le rejet d’eau de fond dans la couche de surface sous différents scénarios. De l’eau de surface prélevée dans le maximum de chlorophylle (45 m, où le phytoplancton est le plus abondant) et à la base de la couche euphotique (80 m, où le phytoplancton est présent en très faible abondance) a été enrichie avec un faible (2%) ou fort apport (10%) d’eau de fond (1100 m) et mise à incuber in situ pendant 6 jours. La production primaire a également été estimée dans le milieu naturel et dans les microcosmes. Ces expérimentations ont mis en évidence qu’un fort apport (10%) stimule le développement du micro-phytoplancton, des diatomées en particulier, au détriment des Prochlorococcus, tandis qu’un apport de 2% ne modifie que faiblement la communauté. La réponse des diatomées pourrait être liée à l’apport en nitrate et phosphate par les eaux profondes. La production primaire serait quant-à-elle dépendante de l’assemblage phytoplanctonique en présence, plutôt que de l’intensité de l’apport d’eau profonde. Enfin, les perturbations thermiques liées au rejet d’eau froide de fond ont été évaluées à partir du modèle numérique ROMS. Les seuils d’impact thermique de -3°C préconisés par la World Group Bank et de -0,3°C correspondant à 2% de dilution d’eau profonde ont été considérés. Même au seuil le plus bas (-0,3°C), la surface impactée sur les premiers 150 m de la colonne d’eau était trop faible pour être détectable par la simulation, quelle que soit la profondeur du rejet. L’impact thermique lié au rejet d’eau froide devrait donc être négligeable, et elle serait limitée à moins de 3 km2. Ces travaux constituent la première étape indispensable dans la compréhension de ce que pourrait être l’impact de ce rejet sur l’écosystème à plus long terme.

As part of the implementation of an Ocean thermal energy conversion (OTEC) pilot plant planned off the Caribbean coast of Martinique by 2020, this thesis aims to assess the potential impacts of deep seawater discharge at the surface on the phytoplankton. The offshore pilot plant NEMO, designed by DCNS and implemented by Akuo Energy anticipates production of approximately 10 MW. The cold and nutrient-rich waters that are pumped in the bottom and discharged at the surface by the heat engine with a flow of roughly 100 000 m3 h-1 should enrich surface waters of the study site, which are particularly poor in nitrate and phosphate. Two campaigns of field measurements in two contrasting seasons (the dry season in November 2013 and the wet season in June 2014) have allowed the description of different physical and biogeochemical parameters that may induce changes in the phytoplankton community. Marked seasonal variability in stratification and biogeochemical parameters occurred, with strong oceanic influences (advection of waters from the Amazon and Orinoco) and atmospheric influences (African dust) potentially enriching the surface layer in nutrients and trace metals during the wet season. In situ microcosms were designed to simulate the discharge of bottom waters into the surface layer under different scenarios. Surface water collected at the chlorophyll maximum(45 m, where the phytoplankton is the most abundant), and at the base of the euphotic layer (80 m, where the phytoplankton is present, but in very low abundance) was enriched with either a weak (2%) or strong (10%) input of bottom waters (1100 m), and incubated for 6 days. Primary production was estimated in both the natural environment, and in the microcosms. These experiments have shown that high input (10%) stimulates the development of micro-phytoplankton, especially diatoms, to the detriment of Prochlorococcus. The response of diatoms could be linked to the input of nitrate and phosphate by the deep seawater.Primary production would be dependent on the composition of the phytoplankton assemblage rather than on the intensity of deep water discharge. Finally, thermal disturbances linked to the discharge of cold water at the surface were assessed using a numerical model (ROMS), which considered the thermal impact threshold of -3°C as recommended by the World Bank Group, and -0.3 °C, corresponding to a 2% dilution with deep water. Even at the lowest threshold (-0.3 °C), the area impacted in the first 150 m of the water column was too low to be detected by the simulation, regardless of the discharge depth. The thermal impact of cold water should therefore be negligible and limited to an area of less than 3 km2. This work provides the first critical step in understanding how bottom water discharge may impact the ecosystem in the longer-term.