Modélisation du transfert des radionucléides dans les réseaux trophiques en Méditerranée

Modeling Radionuclide transfer in the Mediteranean food webs

• Auteur / Autrice : Thomas Seyer
• Direction : Sabine Charmasson
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement: Océanographie
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-en-Provence ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRSN Cadarache
• Jury : Président / Présidente : Melika Baklouti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabine Charmasson, Marc MéTIAN, Paco Bustamente, Claude Estournel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc MéTIAN, Paco Bustamente

Mots clés

Mots clés libres

Radioécologie

Modélisation écotrophique

Ecopath with Ecosim

Césium 137

Radioecology

Ecotrophic modelling

Ecopath with Ecosim

Cesium 137

Résumé

Les accidents de Tchernobyl et Fukushima ont entrainé un regain d’intérêt pour la radioécologie de la part de la communauté scientifique mondiale et une volonté des instances du nucléaire d’être en capacité de modéliser la dispersion des radionucléides dans les écosystèmes susceptibles d’être exposés à des rejets maitrisés ou accidentels. Ce travail de thèse s’inscrit dans cette démarche, avec pour objectif de simuler le devenir du 137Cs dans le golfe du Lion (Méditerranée Nord-Ouest) dans le cadre de scénarios d’accidents nucléaires survenant le long du Rhône au travers d’une approche écosystémique. Pour ce faire, la suite de logiciels Ecopath with Ecosim, Ecospace et Ecotracer a été utilisée. Ecopath a permis de développer un modèle écotrophique du Golfe du Lion, baptisé GOLEM (Gulf Of Lion Ecopath Model). Particulièrement détaillé, notamment concernant les invertébrés, il est composé de 66 groupes vivants (68 en comptant les détritus et les rejets de pêche) représentant 99% de la biomasse dans la zone modélisée, à savoir le plateau continental du golfe du Lion entre 0 et 200m de profondeur. Les modules Ecosim et Ecospace ont été implémentés afin de produire un modèle dynamique et spatialisé et le module Ecotracer, dédié à l’étude de contaminants, a été paramétré pour le 137Cs. Chaque module, nécessaire au développement d’un modèle radioécologique, a produit des résultats intermédiaires d’intérêts. Notamment, l’étude des effets de l’arrêt des pêches, attendue en cas d’accident nucléaire, a montré que 10 groupes présentent des variations de biomasse supérieures à 10%, D. labrax et les baudroies étant les plus impactés. La simulation a montré des effets à long terme, même après la reprise des pêches. Une fois GOLEM opérationnel, 4 scénarios accidentels ont été simulés, différant par la période de rejet (été ou hiver) et la durée du rejet (courte ou longue). Ces simulations ont produit une grande quantité de données qui ont été analysées par le biais de divers indicateurs. Ils ont mis en évidence des mécanismes de grande échelle, comme l’influence de la saison du rejet sur le temps durant lequel les concentrations en 137Cs des groupes se situent au-dessus de certains seuils de contamination ou bien de la durée du rejet sur les concentrations maximales atteintes en 137Cs par les groupes de haut niveau trophique. Une légère biomagnification du 137Cs a été constatée en situation d’équilibre. L’étude de ces indicateurs a également permis de comprendre des phénomènes plus spécifiques, telle que l’influence des apports trophiques dans la concentration particulièrement élevée en 137Cs du microzooplancton en hiver et la dépuration lente des raies. GOLEM s’avère donc en mesure de simuler le devenir du 137Cs dans le golfe du Lion de façon crédible et détaillée. Néanmoins, des points peuvent être améliorés : certains par l’acquisition de données supplémentaires (biomasse et paramètres de transfert en particulier), et d’autres, plus complexes, nécessiteraient un travail conjoint avec les développeurs, notamment pour l’intégration de la dimension verticale. D’autres utilisations de GOLEM sont également envisagées, soit avec d’autres contaminants, soit pour des problématiques différentes, comme la gestion des pêches.

The Chernobyl and Fukushima accidents have led to a renewed interest in radioecology on the part of the international scientific community and a will on the part of nuclear authorities to be able to model radionuclides dispersion in ecosystems likely to be exposed to accidental or controlled releases. The ecosystem approach, with its ability to take into account the environment and all the organisms that make up the ecosystem of interest is particularly well suited to adress this issue. Despite its important need for data concerning the species and computing power, this method becomes more and more popular, promoted by advances in computing and sampling capacities. Therefore, the aim of this thesis is to simulate the fate of 137Cs in the Gulf of Lion (N-W Mediterranean) in the context of accidental discharge scenarios along the Rhône River. To achieve this the Ecopath with Ecosim, Ecospace and Ecotracer software suite was used to develop an ecotrophic model of the Gulf of Lion, known as GOLEM (Gulf Of Lion Ecopath Model). Particularly detailed, especially for invertebrates, it is composed of 66 living groups representing 99% of the biomass in the area of interest i.e. the 0-200m depth range of the Gulf of Lion’s continental shelf. The Ecosim and Ecospace modules were implemented to obtain a dynamic and spatialized model and the Ecotracer module, dedicated to the study of contaminants, was parametrized for the 137Cs. Each module, necessary for the development of a radioecological model, also brought intermediary results of interest. Notably, the study of the effect of a cessation of fisheries activities, expected in case of nuclear accident, has shown that about 10 groups present biomass variations greater than 10%, with D. labrax and anglerfish being the most impacted. The effects were long-lasting, even after the resumption of the captures. Once GOLEM was operational, it was possible to simulate 4 accidental scenarios differing in terms of release period (summer or winter) and duration (short or long). These simulations produced a large amount of data that was analyzed using various indices. They highlighted large-scale mechanisms such as the groups remaining above certain contamination thresholds in winter or the higher maximal concentration reached by high trophic level groups during the longer emission (same total amount). The study of these indices has also enabled us to understand more specific phenomena, such as how trophic transfers play a role in the particularly high concentration of microzooplankton in winter and the slow depuration of rays. GOLEM is therefore able to simulate the fate of 137Cs in the Gulf of Lion in a detailed and credible manner. Nevertheless, there are many areas for improvement, some are relatively straightforward, notably through the acquisition of additional data while others are more complex and would require joint work with developers, including the integration of the vertical dimension, essential for dealing with the fate of contaminants. Other uses for GOLEM are also discussed, either with other contaminants or for different issues such as fisheries management.