rapport de stage ingenieur

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rapport de stage ingenieur
Karine LAFFONT
P02
Ecole des Mines de Paris
Octobre 2004
RAPPORT DE STAGE INGENIEUR
Stage effectué du 07-06-04 au 11-09-04 à
l’Institut de Recherche Limnologique, sous la
responsabilité du Dr Thomas Wolf
Remerciements
Avant de commencer ce rapport, je tiens avant tout à remercier
toute l’équipe de l’Institut für Seenforschung qui m’a si
gentiment accueillie, le Dr Thomas Wolf qui a encadré mon
stage et a fait preuve d’une grande disponibilité, et bien sûr Mr
Hans Wackernagel et Mr Pierre Chauvet pour leur aide et leurs
réponses à mes fréquentes questions concernant Isatis …
1
SOMMAIRE
Introduction
3
I.
4
II.
Présentation de l’ « Institut für Seenforschung der LFU »
1. L’Office de Protection de l’Environnement du Land de BadeWurtemberg
2. L’Institut
a. Histoire
b. Actions
c. Les locaux
d. Le personnel
4
Le contexte environnemental : le lac de Constance ou Bodensee
9
1. Description générale
a. Situation géographique et caractéristiques
b. Contexte politique
c. Intérêt économique
d. Intérêt écologique et scientifique
2. Un peu de limnologie…
a. Le milieu
b. Les organismes
c. Evolution des masses d’eau : Notion de trophie
3. Les recherches effectuées par l’Institut
a. Les divers domaines d’études
b. Quelques exemples d’études réalisées par l’ISF…
c. Données qui nous intéresseront par la suite
III.
Mon stage à l’Institut
1.
2.
3.
4.
Conditions de travail et rapports humains
Problématique du stage
Travail effectué
Difficultés rencontrées, discussion
Conclusion
Bibliographie
5
5
7
8
8
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53
ANNEXES : rapports en anglais
2
INTRODUCTION
Ce dossier constitue le rapport de mon stage ingénieur, effectué du 7 juin au 11
septembre à l’Institut de recherche limnologique de Langenargen, au bord du lac de
Constance, dans le sud de l’Allemagne.
Le dossier joint, rédigé en anglais, constitue lui le rapport qui a été rendu à l’Institut à
l’issu de mon stage, et qui présente les différents travaux effectués et les résultats obtenus.
Dans une première partie, je présenterai relativement rapidement l’Institut, son mode
d’administration, son histoire, son personnel et ses locaux.
Puis je décrirai le contexte de mon stage, c’est-à-dire le lac de Constance : quelles
sont ses caractéristiques, son intérêt économique et scientifique ? Quels sont les domaines
étudiés par l’Institut ? Je tenterai alors de donner quelques notions essentielles de limnologie
– que l’on peut définir ici comme « l’océanographie des lacs » - pour que le lecteur puisse
mieux appréhender le fonctionnement du lac de Constance dans son ensemble, en temps
qu’écosystème à part entière.
Dans une troisième partie, je présenterai le déroulement de mon stage (conditions de
travail, relations avec le reste de l’équipe…) et je résumerai les différents travaux effectués, en
me penchant sur les résultats obtenus et les difficultés rencontrées.
Bonne lecture !
3
I.
Présentation de l’ « Institut für Seenforschung der LFU »
Description un peu administrative et « officielle », les détails plus « humains » et relationnels
seront abordés dans la 3ème partie.
1. L’Office de Protection de l'Environnement du Land de Bade-Wurtemberg
ou LFU ( Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg )
L’Institut de Langenargen est géré par cet office crée en 1975.
Quelle est la mission de la LfU ? Voici tout d’abord un petit mot de la Présidente, Margareta
Barth :
« La protection de l'environnement et la préservation de notre cadre de vie sont parmi les
principaux objectifs socio-politiques de notre temps. Il est urgent que nous prenions
conscience de nos responsabilités et que nous nous engagions à préserver, pour nousmêmes et pour les générations futures, un environnement agréable. Il ne suffit pas pour cela
de considérer chaque composante de l'environnement à part, il faut au contraire considérer
l'écosystème comme un tout. »
L'Office de Protection de l'Environnement du Land de Bade-Wurtemberg a donc été crée en
1975 du fait de cette volonté d'une « approche globale de la réalité écologique ». Elle
rassemble sous une même bannière les thématiques liées au sol, à l'eau et à l'air d'une part, à
l'écologie d'autre part. La LfU assure des missions de conseil et d'assistance aux ministères et
aux administrations spécialisées du Land pour toutes les questions scientifiques et techniques
relatives à la protection de l'environnement. Elle entretient par ailleurs des relations avec la
recherche scientifique et les administrations de l'environnement, se positionnant ainsi comme
un relais entre la théorie et la pratique.
A l'époque de sa création, la principale mission de la LfU consistait à observer
l'environnement à l'échelle du Land. Des réseaux d'observation ont donc été élaborés pour
répondre à cet objectif. Ils jouent toujours un rôle important, notamment dans les secteurs de
l'air, de l'eau, du sol et de la radioactivité car les orientations de la politique environnementale
s'appuient souvent sur les données ainsi collectées. Ces dernières années, le rôle de
conseiller de la LfU a pris une importance grandissante, notamment pour des questions
conceptuelles et stratégiques : la LfU évolue en ce sens d'un " observatoire " administratif vers
un prestataire de services moderne. La plupart de ses missions relèvent désormais plutôt du
conseil et de l'assistance des ministères et des autres administrations de l'environnement.
Grâce à un travail d'équipe entre les différents départements, les multiples facettes de
l'environnement ne sont plus dissociées, et une approche interdisciplinaire prenant en compte
tous les milieux et l'écosystème dans son ensemble est possible. C’est cet état d'esprit qui
anime la LfU, dont la mission est résumée par la formule : « Observer, valider, conseiller ».
La LfU est accessible par Internet (http://www.lfu.baden-wuerttemberg.de) où elle fournit des
d'informations diverses et variées. Le public intéressé peut ainsi consulter gratuitement de
nombreuses informations scientifiques et techniques, des bulletins de mesures actuelles, des
listes de publications et de communiqués de presse. Pour les administrations spécialisées du
Land, le Système d'Information de l'Environnement et d'autres applications spécifiques
constituent des sources d'information supplémentaires en ligne.
4
Le siège de la LfU se trouve à Karlsruhe. Une partie du département informatique et systèmes
d'informations (Informationstechnisches Zentrum, ITZ) est délocalisée à Stuttgart. L'Institut de
Recherche Limnologique est implanté à Langenargen.
Au 1er janvier 1998, la LfU s'est dotée d'une nouvelle structure : elle compte désormais cinq
départements, eux-mêmes divisés en services et en cellules. L'organigramme ci-dessous
donne un aperçu de la structure de la LfU avec ses départements et ses services :
2. L’Institut für Seenforschung der LfU
L’ISF est situé dans le port de plaisance de Langenargen, au bord du lac de Constance, dans
le sud-est du Land de Baden-Württemberg.
a.
Histoire
Voici tout d’abord quelques mots sur l’Institut, de sa fondation en 1920 à aujourd’hui…
5
1919 Fondation de l’Institut pour la recherche du lac de Constance
par la ville de Constance (Max-Auerbach-Institut).
1920 Fondation du „VEREINS FÜR SEENFORSCHUNG UND
SEENBEWIRTSCHAFTUNG“ (Association pour la recherche
limnologique et l’exploitation du lac) et de l’Institut de
Langenargen.
1925 Inauguration des nouveaux locaux de l’Institut à Langenargen
(dans le centre)
1936 Admission dans l’Association du Kaiser Wilhelm pour l’aide à la
recherche (jusqu’à la fin de la guerre).
1960 Nationalisation de l’Institut.
1970 Réunion des Instituts de Constance et de Langenargen en tant
que „STAATLICHES INSTITUT
FÜR SEENFORSCHUNG UND SEENBEWIRTSCHAFTUNG“
(Institut National pour la recherche limnologique et l’exploitation
du lac)
1975 Fondation de l’Office de Protection de l'Environnement du
Land de Bade-Wurtemberg (LfU). Intégration de l’Institut
National pour la recherche limnologique et pour l’exploitation du
lac au « Département 5 » de la LfU en tant que INSTITUT FÜR
SEENFORSCHUNG UND FISCHEREIWESEN ( Institut de la
recherche limnologique et de la pêche).
1990 Réorganisation de la LfU Reprise de l’ »Institut de la recherche
limnologique et de la pêche» dans le département « Eaux »
nouvellement fondé, sous le nom « INSTITUT FÜR
SEENFORSCHUNG » (Institut de recherche limnologique)
1998 Nouvelle réorganisation de la LfU : l’Institut für Seenforschung
appartient maintenant au département « Eaux et Sols Pollués »
2000 Inauguration des nouveaux locaux (près du port de plaisance de
Langenargen)
6
b.
Actions
L’Institut für Seenforschung, puisque géré par la LfU, articule ses actions autour des 3 axes :
observer, valider, conseiller
Observer les différentes variables physiques, chimiques et biologiques du lac :
o Suivi de la température et des courants
o Recherches concernant les substances nutritives des plantes (phosphates,
nitrates…)
o Répartition de la chlorophylle et des pigments d’algues dans les eaux du lac
o Répartition et recensement du Phytoplancton
o Répartition et recensement du Zooplancton
o Répartition et recensement des bactéries
o Etude de la biologie des poissons (celle du lavaret en particulier)
o Recherche de polluants (hydrocarbures…)
o Observations avec la caméra sous-marine (observation du relief, des
sédiments…)
o Analyse des échantillons de sédiments
o Cartographie des fonds du lac par écho
o Evaluation de la qualité des eaux des plus gros affluents du lac de Constance
au niveau du Land de Baden-Württemberg
o Etude des plus petits lacs du Land de Baden-Württemberg
o Documentation des interventions réalisées sur les zones côtières
Toutes ces recherches sont archivées dans une banque centrale de données.
Valider les actions et études réalisées par d’autres organismes (IGKB, Institut pour la
Pêche…) :
o Contrôle de la réussite des assainissements
o Contrôle du succès des mesures prises dans le domaine de l’agriculture
o Pronostics pour des développements à long terme
o Contrôle de la réussite des mesures de renaturisation
o Evaluation du stock de poissons dans les zones peu profondes
o Répercussions de la charge en bactéries
o Développements trophiques des petits lacs
o Conséquences des changements climatiques
o Etat limnologique du lac de Constance
Conseiller sur les thèmes suivants :
o Développement limnologique du lac de Constance
o Potentiel à risque des apports anthropogènes de substances dans le lac
o Directives de l’IGKB pour la propreté du lac
o Prises de mesures sanitaires appropriées et applicables
o Réalisation du programme écologique
o Hygiène des zones côtières
o Calendrier de base pour la planification des côtes du lac
o Etablissement de la carte de propreté des eaux
o Possibilité d’avertissement à court terme en cas de catastrophe
o Développement des populations de poissons
o Bases pour une appréciation limnologique homogène
o Développement des concepts d’évaluation et de monitoring
o Programme d’action pour l’assainissement des lacs de Haute Souabe (la
Souabe c’est un peu le Dauphiné version Bodensee)
On verra un peu plus tard quelques exemples des études effectuées.
7
c.
Le personnel
28 personnes (10 docteurs, 16 assistant(e)s, 1 ingénieur et 1 technicien) travaillent à
l’Institut dans les 3 domaines suivants :
Hydrobiologie (Microbiologie, Etude du Phytoplancton, Ecologie des poissons)
Hydrochimie (Chimie de l’eau en général, Chimie des polluants)
Hydrographie (Physique limnologique, Sédimentologie)
Il faut ajouter à cela 2 capitaines (pour les bateaux de recherche), 2 informaticiens, 1
cartographe, 2 secrétaires et 2 responsables de l’administration, soit 37 permanents.
En général, il y a également au moins un stagiaire, plusieurs étudiants préparant un
« Diplomarbeit » (équivalent d’un travail de DEA je crois), 1 ou 2 doctorants (allemands ou
étrangers), et 1 ou 2 « volontaires » (en alternative au service militaire, ou par simple choix,
ces étudiants interrompent durant un an leurs études pour travailler à l’Institut et aider les
différents assistants). L’Institut entretient donc des liens étroits avec les diverses universités.
d.
Les locaux
Premier étage
Direction
Bibliothèque
Salle de réunion
Locaux techniques
Bureaux
(Chercheurs et
Administration)
Informatique
Mon bureau
Hydrographie
Hydrobiologie
Hydrochimie
Locaux techniques
Accueil du public
Hydrobiologie
Rez-de-chaussée
8
II.
Le contexte de mon stage: le lac de Constance ou
Bodensee
1. Description générale
a. Situation géographique et caractéristiques
Le lac de Constance, ou Bodensee, est situé à une latitude de et une longitude. Il appartient
donc à trois pays : l’Allemagne, la Suisse et l’Autriche.
Altitude par rapport au niveau de la mer :
395 m
Surface totale :
535 km²
Surface de l’Obersee :
472 km²
Surface de l’Untersee :
62 km²
Profondeur maximale :
254 m
Volume :
48,4 km³
Longueur de côte :
273 km
Dont : Baden-Württemberg
Bayern
Autriche
Suisse
155 km
18 km
28 km
72 km
Etendue maximale :
63 km
Largeur maximale:
14 km
Surface du bassin versant :
10 903 km²
Débit (moyenne annuelle)
372 m³/s
Principal affluent :
Alpenrhein (372 m³/s)
Ecoulement du lac :
Hochrhein (Haut Rhin)
Vue satellite du lac de Constance
9
Le lac de Constance est en fait composé de deux parties : le lac supérieur ou Obersee, et le
lac inférieur, moins profond, ou Untersee. Ces deux lacs communiquent au niveau de
Constance. Le Rhin (appelé alors Alpenrhein) arrive au Sud-Est de l’Obersee, et repart
ensuite par le Sud-Ouest de l’Untersee (on le nomme alors Hochrhein).
Morphologie du lac et affluents principaux (flèches vertes). Les zones en jaune clair correspondent aux
eaux peu profondes (moins de 10 m)
b. Contexte politique
A qui appartient le lac de Constance ?
La longueur de côte possédée par chacun des 3 pays bordant le lac est connue au
centimètre près… Mais en ce qui concerne la surface, c’est moins clair : les proportions
possédées par chaque nation sont controversées depuis plus de 500 ans, et les eaux du lac
sont donc plutôt considérées comme « tri-nationales » et n’appartiennent à personne en
particulier. Ceci a conduit à l’établissement d’une coopération internationale pour la gestion du
lac :
1883 : Fondation de l’IBKF et premières directives internationales pour la pêche dans
le lac de Constance
1920 : Début de la recherche lacustre à Langenargen
1959 : Fondation de l’IGKB (Internationale Gewässerschutzkommission für den
Bodensee = Commission internationale pour la protection des eaux du lac de
Constance )
Depuis, de nombreuses directives et mesures ont été prises, on en aura un petit aperçu
par la suite.
L’IGKB publie ses résultats et diverses informations sur le lac par différents biais :
10
Le « Seespiegel » : petite plaquette qui paraît 2 fois par an, disponible aussi sur
Internet : http://www.seespiegel.de , le numéro 19 étant sorti en juin dernier ,
Rapport annuel sur l’état limnologique du lac de Constance et autres rapports à thème,
Bilan annuel : « Etat actuel, facteurs, perspectives » (pour 2004, c’est un très beau
livre de 176 pages, également au format pdf sur http://www.igkb.org ),
Programme d’action édité sous la forme d’une brochure d’une vingtaine de pages.
c. Intérêt économique
Le lac de Constance représente un intérêt économique évident pour les 3 pays qui le
bordent, principalement la Suisse et l’Allemagne.
Ressource en eau
Le lac de Constance alimente près de 4 millions d’habitants en eau potable ! Ce qui
correspond à 173 millions de mètres cube par an, répartis comme suit :
o 132 M° (75%) sont distribué par le BWV ( Bodensee Wasserversorgung =
approvisionnement en eau du lac de Constance) jusqu’à près de 200 km au
Nord ( bien au-delà de Stuttgart),
o 10 M° sont destinés à l’alimentation en eau de St Galen (Suisse),
o près de 8 M° sont destinés à la ville de Constance
o le reste se répartit sur les diverses villes « côtières ».
Il est donc capital de surveiller la qualité de l’eau et de préserver le lac.
L’eau du lac est également utilisée pour l’irrigation, les circuits de refroidissement des
usines, etc…
Consommation en eau
3
potable en m /an (moyenne
1988-1997)
Autres utilisations (en l/s)
Irrigation
Eau utilisée « brute »
Utilisation thermique
Circuits de refroidissement
Exploitation de l’eau du lac de Constance en 2001
11
Pêche
Depuis 1990, environ 1200 t de
poisson sont pêchées chaque année sur
l’Obersee. 93% des prises sont effectuées
par 160 pêcheurs professionnels, les 7%
restants reviennent aux 10000 pêcheurs à
la ligne qui fréquentent le lac. Sur
l’Untersee, les 44 pêcheurs professionnels
attrapent en moyenne 200 t de poisson
par an.
Il y a environ 30 espèces de poisson
dans le lac mais peu d’entre elles ont un
intérêt pour les pêcheurs.
Ainsi, sur
l’Obersee,
les
principales
espèces
pêchées (90% des prises) sont le lavaret
bleu (Blaufelchen), la perche (Flussbarch)
et autres poissons de banc ; et sur
l’Untersee on peut rajouter à cela
l’anguille et le brochet.
Statistiques sur la pêche pour les périodes 91-95 et 96-00
Agriculture
50% de la surface du bassin versant du
lac de Constance est utilisée par l’agriculture,
et 28% correspond à une zone forestière. Les
prés, pâturages et alpages occupent en
moyenne
83%
des
zones
agricoles,
principalement en ce qui concerne la Suisse, et
dans une bien moindre mesure pour le BadenWürttemberg (35%).
Si l’agriculture dans les environs du lac
tire profit de cette ressource par le biais de
l’irrigation, tous les engrais qu’elle utilise
représentent avant tout un danger potentiel
pour les eaux du lac de Constance
(phosphates, nitrates...)
Tourisme, navigation
Avec 6 millions de nuitées et plusieurs dizaines de millions de visites journalières sur
l’année, le lac de Constance compte parmi les hauts lieux de tourisme d’Allemagne. La
période la plus touristique est bien sûr l’été, et les lieux les plus fréquentés sont situés sur la
côte Nord. Si le tourisme est un moteur du développement économique de la région, c’est
aussi une charge supplémentaire pour le lac et ses environs.
12
La navigation va de pair avec le tourisme : mis à part les bateaux de pêches ou de
transport de marchandise, les ferries, bateaux de plaisance (à moteur ou à voile) et bateauxmouches version Bodensee sont très nombreux : on dénombre aujourd’hui environ 50000
bateaux tous genres confondus, dont 5% de ferries et 25% de bateaux professionnels (pêche,
transport de marchandises…), le reste appartenant à des particuliers : 11% de voiliers et 59%
de bateaux à moteur ! Ceux-ci représentent un danger considérable pour le lac à cause du
rejet d’hydrocarbures, et différentes mesures ont été prises par l’IGKB pour réduire ces
émissions, notamment par le biais d’une réglementation décourageant l’usage de moteurs à 2
temps - qui polluent 10 fois plus qu’un moteur à 4 temps - et fixant des normes d’émissions
assez strictes...
d. Intérêt écologique et scientifique
Le lac de Constance est un écosystème riche qui se doit d’être préservé, autant d’un
point de vue écologique que scientifique.
Ecologique, car le lac est un lieu de vie irremplaçable et est l’habitat exclusif d’une faune
et flore très diversifiée (ceci sera décrit plus précisément dans le paragraphe suivant), en
constante interaction avec l’Homme.
Scientifique, car le lac de Constance est l’objet de nombreuses recherches et est, de par
ses dimensions, un terrain d’étude idéal pour chercher à mieux comprendre le fonctionnement
d’un lac, que ce soit au niveau de la sédimentologie, de l’étude du plancton, des plantes ou
des poissons…
Il est temps maintenant de décrire ce précieux écosystème et de définir et expliquer les
nombreuses terminologies et caractérisations constituant la « limnologie ».
13
2. Un peu de limnologie…
La limnologie est la discipline qui étudie les phénomènes hydrologiques et biologiques se
rapportant aux lacs en relation avec leur environnement. Elle s'intéresse à l'origine des lacs, à
leur morphologie, aux propriétés de l'eau tant physiques (propriétés optiques, thermiques,
etc.) que chimiques (problème de pollution, etc.) mais aussi à leurs propriétés biologiques
(plancton, poissons, etc.). Quelques notions sont nécessaires pour bien comprendre les
données qui m’ont été fournies lors de mon stage et la problématique posée par ces jeux de
données. Pendant la première semaine, je me suis donc plongée dans la lecture d’un énorme
livre (en français heureusement), intitulé « LIMNOLOGIE, L’Etude des Eaux
Continentales », écrit par B. Dussard en 1966. Je vais tenter d’en résumer les points
principaux, appliqués au cas du lac de Constance.
I. Le milieu
Il faut tout d’abord caractériser le lac :
son origine, sa morphologie, mais aussi
tous les facteurs qui peuvent influencer
son état : soleil, précipitations, cours
d’eau,
agents
atmosphériques,
organismes…
a. Origine, forme
La forme primaire du lac de Constance
est apparue il y a environ 1 M° d’années
par érosion d’un bassin d’effondrement
apparu lors de la formation des Alpes.
Cette forme a ensuite été « redessinée »
par l’érosion glaciaire et fluviatile, et le lac
a ainsi acquis ses formes actuelles il y a
10000 ans. Ses côtes sont occupées par
l’Homme depuis près de 7000 ans.
Morphologie :
Le lac a une morphologie assez
particulière et est orienté NWSE. La forme générale de la
cuvette est donc fortement
anisotrope : Les lignes de
niveaux sont très espacées
dans le sens de la longueur,
très rapprochées dans le sens
de la largeur.
b. Action du soleil : éclairement et température de l’eau
Pénétration
14
L’intensité lumineuse perçue à la profondeur z est de la forme Iz = I0 e −η z , où η = ηe + ηs + ηd ,
avec :
ηe = coefficient d’extinction de l’eau pure
ηs = coefficient d’extinction des particules en suspension
ηd = coefficient d’extinction des particules dissoutes
En pratique, on mesure la transparence avec une sonde. On a alors la formule suivante :
Iz
transparence(%) z
=(
) avec z comptée positivement.
I0
100
Ce qui donne une courbe ayant l’allure suivante :
Rapport Iz/I0 déduit de la transparence mesurée par une sonde à la station MM le 17-05-02
On différencie ainsi une zone euphotique (du grec eu =
bien ou vrai, photos = lumière) et une zone oligophotique (du
grec oligo = petit) où les organismes photosynthétiques
peuvent respectivement prospérer ou au moins survivre, et
une zone aphotique où la lumière utile ne pénètre
pratiquement pas. Les profondeurs correspondantes ne sont
données qu’à titre indicatif puisqu’elles dépendent de la
transparence qui elle-même dépend de l’abondance de
plancton et d’autres facteurs…
Par ailleurs, le spectre transmis varie avec la
profondeur : le rouge ne persiste que dans les premiers
mètres, le bleu seul parvient aux grandes profondeurs.
0m
15 m
100m
Réflexion
La réflectivité de la surface dépend de l’angle d’incidence du rayon lumineux, mais aussi
de la présence ou non de vagues et vaguelettes.
Thermique
Température : La température du lac évolue comme suit au cours d’une année :
15
T e m p e ra tu r e n
°C
25
20
15
00,5m
, 5 mdeT prof.
ie f e
220m
0 mde
T iprof.
e fe
10
5
1. D e
z.
ov.
v.
Température de l’eau de janvier à décembre 2003, à 0,5m et 20m de profondeur
18. N
3 . No
kt.
20. O
6. Ok
t.
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4. Mr
z
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18 . F
4. F e
b.
.
8. Ja
n
21 . J
an.
0
Stratification thermique
Le lac de Constance est un lac monomictique chaud de
premier ordre, c’est à dire qu’il comporte une période de
circulation des masses d’eau en saison froide (fin de
l’hiver ou début du printemps) et une période de
stratification directe en saison chaude (commence fin
mars, finit à la fin de l’automne voire au début de l’hiver),
et que de plus sa température en profondeur reste
toujours voisine de 4°C. Le passage d’une période de
stratification à une période de circulation est appelé un
overturn.
En saison chaude, on peut donc différencier plusieurs
couches :
Une couche superficielle ou épilimnion (du grec
épi, dessus, et limné, eau stagnante), chaude, où
les courants produits par le vent en surface peuvent
librement se mouvoir et où le gradient de
température est faible quoique variable,
Une couche profonde, souvent épaisse, atteignant
le fond, froide, appelée hypolimnion (du grec hypo,
dessous), généralement assez calme.
Entre ces deux couches existe un métalimnion
caractérisé par une thermocline accusée, c’est-àdire une zone à gradient thermique très prononcé, qui, pour le lac de Constance, s’étend
de –5m à –30m environ
16
Hypolimnion
Métalimnion
Epilimnion
Thermoclines à la verticale du point le plus profond du lac, pour le 24 juin (on voit bien la stratification)
et le 29 octobre 2002. Les différentes terminologies de la stratification sont dessinées pour le mois de
juin.
Stabilité de la stratification
Dans un lac stratifié, le centre de gravité de la masse d’eau est situé plus bas que dans ce
même lac non stratifié, car les couches de surfaces, plus chaudes, sont plus légères. Pour
passer à une période de circulation, il faut donc relever le centre de gravité et vaincre une
sorte de « stabilité de la stratification ». C’est ce qui se produit au moment de l’overturn.
c. Action des précipitations
La pluie agit sur l’eau du lac en la diluant, mais contient également un certain nombre de gaz
et de solides dissous qui peuvent modifier momentanément la qualité de l’eau en surface.
d. Action des affluents et effluents : apport d’eau et de matière
L’affluent principal, l’Alpenrhein, apporte non seulement les eaux de pluies collectées sur
l’ensemble de son bassin versant, mais aussi les produits de la fonte de glaciers alpins. Or
l’été, la glace ne fond que le jour, l’Alpenrhein présente donc un débit régulièrement variable.
Mais cette perturbation est négligeable comparée à celle provoquée par l’utilisation du cours
d’eau pour la production d’énergie hydroélectrique.
17
Bassin versant du lac de Constance
Renouvellement
Avec un apport d’eau d’environ 11 milliards de m3 par an, il faut un peu plus de 4 ans pour
renouveler l’eau du lac de Constance.
Apports allochtones
Les affluents apportent avec eux beaucoup de matière :
Matières dissoutes (fonction du débit liquide)
Matériaux roulés
Matériaux en suspension.
18
Embouchure de l’Alpenrhein : les matériaux en suspension sont bien visibles
Sédimentation
Comment vont se sédimenter tous ces apports ? Ils vont se déposer selon le schéma suivant :
Les sédiments sont la mémoire du lac, car ils enregistrent dans une certaine mesure les
événements passés :
Hautes eaux de
1999
19
e. Action des agents atmosphériques : les courants
Apport d’énergie par le vent
Courants
provoqués par le vent (il y a alors accumulation d’eau à la côte « sous le vent »),
de convection thermique,
de marée (pratiquement indécelables).
Seiches et ondes internes
Le phénomène dénommé seiche est une oscillation stationnaire libre provoquée par une
dénivellation temporaire rapide, d’impulsion assez prompte (comme une variation brusque et
locale du champ de pression lors d’un orage) pour donner lieu à une série d’oscillations du
niveau de l’eau autour de sa position d’équilibre. On distingue les seiches transversales et les
seiches longitudinales. La seiche peut être amplifiée par un phénomène de mise en
résonance du bassin. Sa période peut être alors calculée par la formule T =
2l
gz
, où T est la
période en secondes, l la longueur (ou largeur selon que l’on étudie une onde longitudinale ou
transversale) du bassin lacustre entrant en résonance, et z sa profondeur moyenne (formule
de Mérian)
f.
Action des organismes
Photosynthèse et respiration : une influence sur la concentration en oxygène
Pendant la période de circulation, il y a correspondance étroite entre température et
oxygène. En effet, les organismes végétaux, animaux et bactériens créent par leur
métabolisme un gradient d’oxygène dissout fonction de l’éclairement. Le milieu est donc riche
en oxygène le jour près de la surface, et une partie importante de cet oxygène sera absorbée
pendant la nuit par les processus respiratoires. En profondeur, seuls les phénomènes de
respiration et de décomposition agissent dans la nuit relative, et il y aura donc toujours
absorption. Mais le phénomène physique de la circulation tendra à homogénéiser la
distribution de l’oxygène.
En période de stratification thermique, la turbulence des eaux n’est que partielle. La
zone hypolimnique, où les processus de respiration et de décomposition dominent, est alors
appelée zone tropholytique (2) (du grec trophein, nourrir et lusis, dissolution) et est isolée
jour et nuit de la zone épilimnique où se constitue et se synthétise la matière organique,
appelée zone trophogène (1).
La répartition de l’oxygène dans le lac de Constance en période de stratification
thermique est hétérograde négative.
20
1
2
Répartition du dioxygène dissous en fonction de la profondeur. La répartition hétérograde négative
est visible pour le mois de septembre
Métabolisme de transformation
Par leur métabolisme, les organismes influent sur le milieu, et ce selon plusieurs cycles : cycle
du carbone (avec une influence sur le pH), de l’azote, du phosphore, du fer, de la silice, du
soufre…
En voici 2 essentiels :
Cycle du carbone :
Photosynthèse : 6C02 +6H2 0+énergie solaire → C6H12O6 (matière organique)+602
Respiration : C6H12O6 +602 → 6C02 +6H2 0+38 ATP(énergie)
Fermentation : C6H12 06 → 2CO2 + 2C2H5OH + 4ATP(énergie)
Cycle de l’azote :
fixation
(cyanobactéries)
nitrification
(catalyse
enzymatique)
nitrification
N2 
→ NH4 + → NO2 − (nitrite) →
NO3 − (nitrate)
dénitrification (par l'intermédiaire de bactéries transformant la matière organique)
←

Après avoir étudié les diverses caractéristiques physico-chimiques du milieu, on peut
maintenant passer à la description des organismes qui le peuplent…
21
II. Les organismes
1. Classification
a. Les procaryotes (=cellules sans noyau)
Du grec pro, avant et caryon, noyau
Les Cyanophytes (leurs cellules contiennent de nombreux pigments)
Les Schizophytes ou bactéries, privées de chlorophylle : bactéries du cycle du soufre, de
l’azote, du carbone, du fer.
b. Les eucaryotes (=cellules avec noyau) végétaux
Les algues (rouges, vertes, brunes, calcaires et incrustantes)
Champignons
Bryophytes et Ptéridophytes (mousses, fougères)
Spermatophytes = plantes supérieures
c. Les eucaryotes animaux
Protozoaires = êtres primitifs
Spongiaires et Cnidaires
Vers et vermidiens
Mollusques
Arthropodes (Arachnides, Crustacés, Insectes)
Vertébrés (Mammifères, Poissons, Oiseaux… )
Métazoaires
2. Groupements et associations
Chaque organisme a un écotope, ou espace vital spécifique, qui lui est propre. On distingue
alors deux sortes de populations : les groupements et les associations. Les uns comme les
autres constituent dans le biotope étudié une
Biocénose (Wautier, 1949) (du grec ceno,
biocœnose, différente selon la zone du lac que
assemblée): communauté à structure
l’on étudie : le lac est en effet partagé en 3
hétérogène, caractérisée par une absence
parties, chacune étant caractérisée par des
d’interaction à l’échelle de l’ensemble et
cependant une interdépendance générale
biocénoses qui lui sont propres : zone littorale,
nuancée, résultant d’un certain équilibre
zone pélagique (du grec pelagos= pleine mer)
entre les faits de coopération et ceux de
zone benthique (du grec benthos = profondeur).
compétition.
Pour mieux les situer, il est d’abord nécessaire
de caractériser les autres zonations d’un lac.
Il existe plusieurs types de zonation : zonation limnologique, zonation géographique, zonation
biologique (voir figure suivante)
22
a. La zone littorale
Elle est essentiellement caractérisée par sa profondeur faible. Elle s’étend plus ou moins
suivant la pente, la transparence des eaux (et leur couleur), et l’exposition aux vents (donc
aux vagues et courants de dérive). Elle est colonisée par un grand nombre d’organismes
végétaux et animaux, et il existe une terminologie compliquée pour distinguer différentes
biocœnoses : rhizoménon, biotecton (=pecton + plocon), métaphyton, psammon,
endobenthon, pelon – que je ne détaillerai pas…
Je vais donc me contenter de donner un petit aperçu des diverses espèces occupant la zone
littorale :
23
Fig. Quelques occupants de la zone littorale…
a. Algues « en chandelier » se développant sur le littoral jusqu’à la limite de la zone trophogène, c’està-dire environ 15m
b. Algues vertes dans les zones peu profondes
c. Moule zébrée introduite dans les années 60
d. Ecrevisse
e. Canards et hérons
f. Oiseaux couvant dans les roseaux
g. Les eaux peu profondes sont les nurseries des poissons du lac : les alevins y passent tout leur été.
h. La perche est, avec le lavaret, le poisson le plus connu du lac. Il colle ses œufs aux tiges des
plantes des eux peu profondes.
b. La zone pélagique
Il existe 3 biocœnoses différentes dans la zone pélagique : plancton, necton et neuston.
24
Le plancton
Le plancton (du grec planctos = errant) est l'ensemble des organismes microscopiques
vivants qui flottent dans les eaux (organismes vraiment flottant ou dont la nage ne permet pas
de se libérer des courants normaux comme les vagues ou les courants de dérive). On
l'oppose ainsi au necton. On différencie le plancton végétal - le Phytoplancton (du grec phyto
= végétal), et le plancton animal - le Zooplancton. La très grande majorité du plancton est si
petit qu'on ne peut le voir qu'à l'aide d'un microscope.
Répartition
La répartition du plancton est encore relativement mal comprise, et sa distribution est
hétérogène. La densité de population planctonique dépend de la composition chimique du
milieu et de l’intensité du broutage. Il se constitue de cette manière des concentrations et des
zones appauvries au sein d’une même masse d’eau. De véritables nuées de plancton se
répartissent ainsi en strates horizontales dans une masse d’eau (essaims), et le passage
d’une strate à l’autre est induit par certains tropismes. Les causes de cette répartition sont
diverses :
o
exigences physiologiques primaires en énergie et en matière nutritive,
Energie
Les algues et organismes plus ou moins autotrophes doivent recevoir une partie de
l’énergie dont ils ont besoin sous forme de radiations, qui arrivent par la surface des eaux. Le
gradient d’assimilation est de ce fait l’inverse du gradient de désassimilation (respiration,
sécrétions, pertes), et à une certaine profondeur l’assimilation ne sera plus suffisante pour
équilibrer la perte de matière par désassimilation. Ceci montre la limite entre zone trophogène
( de 0 à 15 m environ) et zone tropholytique, dont on a déjà parlé. Dans la zone tropholytique,
seuls les organismes hétérotrophes peuvent donc survivre, si les conditions d’existence le
permettent.
De plus, on a pu mettre en évidence l’existence de migrations verticales du
phytoplancton : les algues planctoniques recherchent la lumière pendant la journée : à l’aube
et en fin de journée, elles se maintiennent à la surface, mais s’enfoncent de quelques
décimètres à quelques mètres dès l’apparition du plein jour, car une trop forte intensité
lumineuse peut entraîner la destruction de certaines enzymes. Puis elles se laissent
descendre pendant la nuit à une certaine profondeur. Ces migrations sont donc dictées par
l’éclairement et peuvent de ce fait être influencées par la météo (vent, nuages…) : les
migrations sont atténuées par temps orageux. Elles vont également induire des migrations
semblables chez le zooplancton puisque la majorité de celui-ci mange le phytoplancton !
Substances nutritives
La répartition horizontale et verticale du phytoplancton est sous la dépendance de la
distribution des matières nutritives : C, H, O, N et P. Le phosphore est un facteur limitant de
croissance. S’il y a excès de P (lors d’une pollution par exemple), N est alors le facteur
limitant.
Les organismes hétérotrophes (ici le zooplancton) vont eux chercher des zones où la
respiration est possible et où la nourriture leur est favorable.
o
o
o
o
effets de la cohabitation et de la prédation (causes physiologiques
secondaires),
facteurs de reproduction, taux et vitesse (causes biologiques),
facteurs physiques (température, courants),
variations du milieu (causes écologiques)…
25
Habituellement, le phytoplancton présente deux maxima de croissance : au printemps,
par suite de l’augmentation de la température et de la durée du jour, et à l’automne.
Le phytoplancton :
Le phytoplancton est constitué par des organismes appartenant à différents règnes
•
•
Procaryotes: Algues bleues = Cyanophytes
Eucaryotes végétaux:
o Algues vertes = Chlorophytes
o Algues rouges = Rhodophytes
o Algues jaune-vert et diatomées = Chrysophycées
o Algues brunes = Pheophytes
Dinoflagellés,
Prymnésiophycées…
Quelques sortes de phytoplancton présentes dans le lac de Constance
a. Ankrya
d. Attheya (algue brune)
b. Anabaena (algue bleue)
e. Fragillaria (chrysophycée)
c. Ceratium (procaryote)
f. Tabellaria (diatomée)
Le zooplancton :
On distingue 3 sortes principales de Zooplancton:
•
•
•
Les Rotifères ( environ 0,3 mm)
Les Copépodes, dont les Cyclopidées ( de 0,5 à 2 mm)
Les Cladocères, dont les Daphnies (de 2 à 5mm)
Selon les espèces, le zooplancton a une répartition verticale différente : si les Daphnées se
concentrent dans l’hypolimnion, les Cyclopidées ont une répartition plus étalée. Si certaines
espèces de Zooplancton ne mangent que du Phytoplancton, d’autres sont carnivores.
26
Quelques sortes de zooplancton présentes dans le lac de Constance
a. Bosmina
d. Keratella
g. Polyarthra
b. Daphnia
e. Copepoden-Nauplius
h. Diaphanosoma
c. Eudiaptomus
f. Bythotrephes
i. Cyclops
Le neuston : ce que l’on peut trouver à l’interface eau-air
Le necton : tout ce qui, vivant, est capable de nager librement et de déterminer ainsi sa
propre distribution spatiale au sein de la masse d’eau.
Les composants essentiels du necton sont donc les poissons.
Le poisson principal du lac est le lavaret bleu ou Blaufelchen. Le frai a lieu fin novembre début
décembre au centre du lac. Les œufs coulent ensuite au fond du lac où ils se développent
pendant 70 à 80 jours à une température constante de 4°C, et éclosent à la mi-février. Le
lavaret se nourrit essentiellement de plancton, alors que les perches et les truites se
nourrissent également d’autres poissons.
Blaufelchen et ses œufs
27
c. La zone profonde ou benthique
La biocœnose des profondeurs est appelée benthos ou benthon. Les organismes vivant dans
le sédiment sont alors prépondérants du fait de la formation sédimentaire (vase).
Sédiments et biocœnose des profondeurs
a. Fond à 100 m de profondeur
d. Bactéries
b. Fond à 200 m de profondeur
e. Bactéries
c. Cadavre de poisson
f. Vers tubulaire de boue
d. Petit récapitulatif des principales biocénoses d’un lac
Rhizoménon
Biotecton
Psammon…
PLANCTON
28
3. Biomasse et production
a. La biomasse « actuelle »
Matière vivante
Mesurer la biomasse vivant dans un écosystème donné, c’est évaluer la somme des
poids bruts (c’est-à-dire le poids d’un organisme frais mais débarrassé de l’excès d’eau retenu
ailleurs que dans les tissus) des différentes espèces récoltées dans un environnement donné.
Exemple du Phytoplancton
Depuis 1991, la biomasse moyenne de phytoplancton dans le lac de Constance est de
15g/m3. Comment cette biomasse est elle évaluée ? On peut bien sûr compter ou peser les
individus contenus dans un échantillon donné. Une autre méthode consiste à mesurer la
concentration en pigments. Le Phytoplancton est en effet une algue et contient de ce fait de la
chlorophylle et éventuellement des pigments caroténoïdes pour capter l’énergie solaire et la
transformer en matière organique grâce à la photosynthèse.
Quelles sont les propriétés de la chlorophylle et des autres pigments ?
•
Il n'y a pas une mais plusieurs chlorophylles. Les plus importantes sont la
chlorophylle a et la chlorophylle b :
Toutes les algues contiennent de la
chlorophylle a (de 0.5 à 2% du poids sec),
à de rares exceptions près.
Par définition les Chlorophytes (= algues
vertes) contiennent aussi de la
chlorophylle b.
Ces deux formes de chlorophylle ont des
pics d'absorption de la lumière différents
ce qui permet une optimisation de
l'utilisation du spectre :
•
Certaines algues contiennent également des
pigments caroténoïdes :
Plus de 60 pigments caroténoïdes différents ont été identifiés chez les algues (LiaaenJensen, 1977, 1979), mais seulement 4 ou 5 sont présents dans toutes les classes d'algues.
Les principaux pigments isolés dans les espèces constituant le phytoplancton du lac sont :
l'alloxanthine (chez les cryptophyceae
par exemple)
la zéaxanthine (algues bleues)
la fucoxanthine (algues jaunes-vertes)
la péridinine (dinoflagellés)
Pour exemple, les spectres d’absorption du betacarotène et de la fucoxanthine sont les suivants :
29
•
Evaluation de la biomasse
En limnologie comme en océanographie, la mesure de concentration de chlorophylle est
donc utilisée pour estimer la biomasse phytoplanctonique dans la mesure où la synthèse
organique d'origine végétale ne peut se faire qu'en passant par l'intermédiaire de la
chlorophylle.
Mais ces calculs de biomasse doivent aussi tenir compte de l'influence des pigments
caroténoïdes - comme la fucoxanthine chez les algues brunes ou la péridine chez les
dinoflagellés - sur la photosynthèse et la croissance cellulaire. En effet, certains pigments
caroténoïdes peuvent être les photorécepteurs majeurs pour certaines espèces du
phytoplancton; ainsi leur concentration peut permettre une évaluation plus précise de la
biomasse phytoplanctonique (Lehman, 1981) : Les pigments caroténoïdes ne sont pas de
meilleurs indicateurs de biomasse que la chlorophylle; mais ils donnent la possibilité de mettre
en évidence les variations saisonnières de la biomasse phytoplanctonique. Cette approche
permet donc une évaluation globale des constituants du plancton et, dans une étude plus fine,
de l'état physiologique de la plupart de ses constituants.
En pratique, la mesure de la concentration des divers pigments se fait par
chromatographie. Nous en reparlerons par la suite.
Matière inerte
Quantité de matière organique sous forme d’organismes morts, de déchets du métabolisme,
de grosses molécules en voie de décomposition.
b. Production, transformation
Production et productivité
Productivité : capacité à produire de la matière vivante dans les meilleures conditions (dites
idéales).
Production : quantité de matière vivante produite dans les conditions régnant réellement
dans l’écosystème, c’est en quelque sorte ce que devient la productivité quand seule la
géométrie du système est fixée arbitrairement, volume (ou surface) et temps.
Taux de production : bilan énergétique du processus d’accroissement de la matière
organisée dans l’écosystème étudié.
Notion de niveaux trophiques = niveaux de nutrition
30
5
4
3
ANIMAUX
=Consommateurs
VEGETAUX
=Producteurs
DETRITUS
2
1
SELS
NUTRITIFS
SEDIMENTS
MINERALISES
P (+ Fe + C )
0
AZOTE
ELEMENTAIRE
= BACTERIES
Les différents niveaux trophiques
Production primaire = production de matière organique grâce à l’activité des
producteurs.
Les producteurs sont les intermédiaires indispensables entre le monde inorganique et
les êtres vivants hétérotrophes. Si on excepte le monde des bactéries autotrophes dont on
connaît mal le rôle et l’importance, ce sont les végétaux seulement qui sont responsables de
cette transformation fondamentale de la matière, grâce au processus de la photosynthèse.
Cette production implique l’intervention de deux types de facteurs :
Facteur énergétique (énergie solaire, mais aussi la température qui peut
intervenir comme facteur de contrôle ou comme facteur léthal)
Facteur matière qui fournit les sels minéraux et ions indispensables à la
synthèse : CO2, N, P, oligo-éléments.
Production secondaire. Les consommateurs
La matière organique élaborée par les producteurs est utilisée en partie par les
consommateurs hétérotrophes qui s’en servent comme nourriture et s’entre-mangent. Les
facteurs essentiels de cette production secondaire sont la nutrition (acquisition de la nourriture
puis assimilation) et la reproduction. Toute une chaîne alimentaire va alors se développer :
{Phytoplancton, zooplancton, poissons, homme} par exemple…
31
III. Evolution des masses d’eau : Notion de trophie
Le milieu lacustre évolue sous l'effet d'actions physiques et biologiques périodiques et
apériodiques, à court et à long terme : la matière organique s'entasse au fond, où
s'accumulent, par ailleurs, les produits minéraux exogènes (sédiments, poussières) ou
endogènes (calcaires lacustres, silice par exemple). Dans les régions tempérées et
subtropicales, le cycle des saisons fait réapparaître, chaque année, les mêmes phénomènes
avec la même intensité, jusqu'au moment où des espèces influencées par les fluctuations
climatiques laissent la place à d'autres moins « difficiles », plus prolifiques, qui accéléreront
l'évolution de la masse, soit localement (baies en zone littorale, herbiers des hauts fonds), soit
dans son ensemble.
Pour classer les lacs en fonction de leur capacité à produire plus ou moins vite de la
matière organique, on a introduit la notion de trophie ; mais, depuis que les mécanismes de la
production en milieu aquatique sont mieux connus, cette notion ne permet plus que de situer
qualitativement les lacs les uns par rapport aux autres à un moment donné (dans le temps
géologique), alors qu'il faudrait pouvoir mesurer leur vitesse propre d'évolution.
a. L’oligotrophie
On parle d’oligotrophie quand un lac ne possède qu'une quantité insuffisante de
matériaux de base destinés à fabriquer de la matière organique. Ce sont souvent des lacs
« jeunes » ou situés dans des régions cristallines (lac de Belledonne par exemple !). Ils sont
parfois profonds et, leur productivité étant faible, leurs caractéristiques physiques sont
essentiellement une forte transparence, une teneur en oxygène relativement élevée, à toutes
les profondeurs et en toutes saisons, et des sédiments pauvres en matière organique en voie
de décomposition.
b. L’eutrophie
Quand les matériaux de base (azote, phosphore, carbonates, etc.) sont abondants, la
productivité élevée des eaux entraîne une série de modifications profondes du milieu qui le
rend eutrophe. Un lac eutrophe a généralement une faible transparence par suite de
l'abondance de ses éléments planctoniques ; ses eaux sont suroxygénées en surface le jour
et désoxygénées en profondeur, du moins pendant la saison chaude (période de
stratification). Les poissons et plantes aquatiques y sont nombreux. Les sédiments du fond,
riches en matière organique, sont le siège d'une activité bactérienne intense, tandis que leur
faune y est réduite à quelques espèces adaptées.
c. Evolution provoquée
L'évolution « trophique » d'un lac est généralement lente et inexorable à l'échelle du
siècle, voire du millénaire. Les variations de climat jouent un rôle important sur la vitesse de
cette évolution et même sur son sens.
Mais si l'homme introduit excessivement des substances nutritives telles les phosphates
ou les nitrates, qui sont alors « piégées » par les organismes producteurs de matière
organique, il y a pollution chronique (chaque humain riverain d'un lac y apporte annuellement
5 kg d'azote et 1 kg de phosphore sous forme de déchets !) et détérioration de l'équilibre initial
de la masse d'eau. L’eutrophisation du lac peut ainsi être provoquée.
C’est ce qu’à subit le lac de Constance dans les années 70 : une forte élévation de
l’apport de phosphates par les eaux usées et les eaux de ruissellement (voir figure suivante) a
alors provoqué une « explosion » de vie chez les algues, ce qui ne fut pas du goût de tout le
monde, notamment des touristes…
32
Taux de phosphore contenu dans les eaux du lac. Les bâtonnets représentent la concentration
moyenne annuelle en phosphore dans les eaux du lac en µg/l, la courbe représente la concentration
moyenne en phosphore pendant la période de circulation des masses d’eaux (début de l’année)
Quelques photos prises pendant l’eutrophisation du lac :
a. Fleurs de phytoplancton
b. Traînes d’algues bleues
Outre le fait que tout ceci ne soit pas très appétissant, le phénomène d’eutrophisation
représente un véritable danger pour le lac, car celui-ci peut s’asphyxier en oxygène, du fait de
l’altération du cycle du phosphore et parce que la dégradation de la matière organique issue
des organismes morts nécessite de l’oxygène. Toutes les biocénoses ont alors été plus ou
moins modifiées. Prenons l’exemple du phytoplancton :
Biomasse de phytoplancton et concentration en phosphore. Le développement du phytoplancton suite à
l’eutrophisation est clairement visible
33
eutrophisation
Mais la biocœnose du plancton n’a pas été
modifiée qu’en quantité, mais aussi en qualité :
pendant la période eutrophique, Stephanodiscus
a prédominé parmi les diatomées (catégorie de
phytoplancton), alors que d’ordinaire Cyclottella
est l’espèce la plus représentée.
Importances relatives
de deux Diatomées
L’IGKB a donc dressé un plan de bataille pour diminuer les apports d’origine
anthropique en phosphates : traitement des eaux usées grâce à la création de stations
d’épuration performantes, limitation de l’utilisation d’engrais et, depuis 1980, réduction voir
interdiction de l’utilisation de phosphate dans les lessives. Et ça a marché !
Très faible
Faible
Moyenne
Considérable
Haute
Très haute
Degré d’eutrophie des eaux littorales,
selon la répartition en Macrophytes : ces
plantes, dans des conditions d’éclairement
propices (eaux claires), se développent
jusqu’à 15 m de profondeur. Mais si le
phytoplancton est trop abondant, la
pénétration de la lumière diminue et les
Macrophytes ne se développent plus que
jusqu’à 8 m de profondeur…
Ce sont donc de bons indicateurs du degré
de trophie du lac.
Le lac peut maintenant être qualifié de « mésotrophe », mais ses eaux sont si claires qu’il
semble même se diriger vers une ré-oligotrophisation, ce qui déplait aux pêcheurs car leurs
pêches sont, selon eux, moins fructueuses… L’équilibre est donc difficile à trouver !
Conclusion :
Cette introduction à la limnologie s’achève ici, j’espère qu’elle n’a pas été trop longue ni trop
ennuyeuse, mais elle m’a semblée nécessaire à la compréhension des travaux effectués
pendant mon stage.
34
3. Les recherches effectuées par l’Institut
a. Les divers domaines d’études
L’Institut étudie l’écosystème du lac dans son ensemble, et effectue donc des recherches
dans les domaines suivants :
Poissons
Eaux
Zone côtière
Fond du lac
Benthon (+ sédiments)
Plantes aquatiques
Pour mener à bien ses recherches, l’ISF possède deux bateaux : un relativement petit, et un
plein de technologies merveilleuses (pilote automatique, treuils, radar très perfectionné,
cuisine intégrée…) : le Kormoran.
35
b. Quelques exemples d’études réalisées par l’ISF…
Si certaines mesures et études sont réalisées très régulièrement tout au long de l’année pour
observer et surveiller le lac (monitoring), d’autres études, plus exceptionnelles et bénéficiant
de plus de moyens, sont effectuées dans le cadre de projets en partenariat avec d’autres
instituts de recherche ou des universités.
Au cours de mon stage, j’ai eu l’occasion de passer une journée complète à bord du
Kormoran (celui-ci sort de 1 à 2 fois par semaine), et j’ai ainsi pu observer de plus près – et
même effectuer - les différentes méthodes de prélèvement d’eau et de plancton (les
échantillons sont analysés ultérieurement en laboratoire), ainsi que les mesures directes
réalisées par les sondes.
i. Etudes réalisées en laboratoire
•
L’abondance de plancton
o Prélèvement de l’échantillon
Pour le Phytoplancton : avec un filet très fin (maille de 30 µm) que l’on
descend jusqu’à 2 m environ ou un Summenschöpfer,
Pour le Zooplancton : avec 2 types de filets à plancton (mailles de 30
µm et 100 µm), pour les profondeurs 0-5m, 5-10m, 10-20 m, 20-30m,
30-60m et 60-100m.
Filets à plancton (descendus aux profondeurs voulues puis remontés à l’aide d’une manivelle…)
o Etude
Les différents organismes sont comptés mesurés à l’aide d’un microscope, puis classés en
fonction des espèces, et, pour le Zooplancton, également en fonction du stade de
développement.
36
•
La concentration en pigments
o
Prélèvement de l’échantillon
L’échantillon est prélevé grâce à un Summenschöpfer (ou « échantillonneur-intégrateur »). Ce
récipient prélève de l’eau de la profondeur –20m jusqu’à la surface de telle façon que
l’échantillon résultant représente exactement la moyenne de la couche 0-20 m, si
l’échantillonneur est remonté à une vitesse constante spécifique (donnée par le constructeur).
Summenschöpfer
o
La chromatographie
Evaluation de la biomasse de Phytoplancton par chromatographie.
Merci à Barbara pour toutes ces explications et pour le schéma !
Après avoir passé une nuit au réfrigérateur (pour stopper la croissance des algues),
l’échantillon d’eau prélevé avec le Summenschöpfer est tout d’abord filtré grâce a une pompe
à vide. Les particules retenues par le filtre (i.e. les algues que l’on veut étudier) sont ensuite
plongées dans un flacon contenant de l’acétone pour que les pigments contenus dans les
algues se dissolvent. Pour accélérer cette mise en solution, le flacon est chauffé au bainmarie. On prélève ensuite plusieurs échantillons de ce mélange en le filtrant préalablement,
car les capillaires du chromatographe (appareil très très perfectionné et coûtant dans les
150000€) sont si fins qu’il ne doit rester aucune particule dans la solution.
Après cela, le protocole est complètement automatisé : l’appareil prélève lui-même les
différents échantillons dans les diverses pipettes et réalise pour chacun une chromatographie
HPLC sur colonne en phase liquide (HPLC : High Pressure Liquid Chromatography), les
pigments étant séparés en fonction de leur taille. Il n’y a plus qu’à attendre que les résultats
soient analysés par l’ordinateur…
Une fois le chromatogramme apparu sur l’écran, on repasse en mode « manuel » : il
faut identifier les différents pics, trouver à quels pigments ils correspondent et mesurer leur
37
flèche. Cette identification se fait en comparant le chromatogramme expérimental à un
chromatogramme standard, un pic étant identifié soit par son temps de rétention, soit par
l’allure de son spectre d’absorption. Une fois que l’on a identifié le constituant, on peut déduire
sa concentration initiale à partir de la flèche du pic, le rapport étant simplement proportionnel.
Chaque pigment étant associé à une sorte d’algues (voir schéma suivant), la
chromatographie permettra ensuite d’évaluer la population de Phytoplancton (biomasse et
parts respectives des diverses sortes d’algues) en différents points du lac, et ce pour la
profondeur moyenne de 0-20m (domaine échantillonné par le Summenschöpfer).
426nm
660nm
Gymnodinium
Pic N°.6 : Spectre de la Chlorophylle a
„Biomasse du Phytoplancton“
Scenedesmus
falcatus
Chromatogramme des
pigments ioniques
461nm
470nm
4
645nm
5 6
3
1 2
Pic N°.1
Spectre de la
Péridinine
Dinoflagellés
Temps de
rétention en min
Asterionella
formosa
Cryptomonas
ovata
443nm
447nm
477nm
Pic N°.2
Spectre de la Fucoxanthine
Algues jaune - vert
Pic N°.3
Spectre de
l’Alloxanthine
Cryptophyceae
Pic N°.5
Spectre de la
Chlorophyll b
Algues vertes
Aphanizomenon
flos-aquae
448nm
473nm
Pic N°.4
Spectre de la
Zeaxanthine
Algues bleues
Caractéristiques d’un chromatogramme type
38
•
Autres paramètres biologiques (bactéries…) ou chimiques (pesticides,
phosphates…)
Ils sont étudiés à partir d’échantillons prélevés par différents Wasserschöpfer à des
profondeurs précises : 0, 5, 10, 15, 20, 30, 50, 100 et 150 m.
Wasserschöpfer tout simple
•
Wasserschöpfer „high-tech“: les 6 différents réservoirs s’ouvrent quand
on leur demande, le tout (assez lourd) est manœuvré avec un treuil
Les sédiments
o Prélèvements
Le fond du lac étant, pour les premiers mètres, essentiellement composé de vase et de
boue, il est très facile de le carotter si l’instrument (« multicorer ») est suffisamment lesté.
o
Etudes
Une bonne partie de l’histoire du lac peut se « lire »
dans les sédiments : périodes de hautes eaux,
d’eutrophisation…
39
ii. Les mesures directes
•
Le disque de Secchi
Ce disque est un instrument très simple pour
mesurer la limite de visibilité : on le plonge dans
l’eau et on le fait doucement descendre jusqu’à le
perdre de vue – on a alors atteint la limite de
visibilité. Lors de ma sortie sur le Kormoran, cette
profondeur était de 4,80 m sur l’Obersee, et 2,50m
sur l’Untersee (où le plancton est bien plus
abondant).
Disque de Secchi
•
Les sondes
Les sondes réalisent des mesures en continu, de la surface au fond
du lac, des paramètres suivants :
Pression (dbar)
Température (°C)
Transparence (%)
Chlorophylle A (µg/l), mesurée par fluorescence
Conductivité (µS/cm)
Oxygène (en % et en mg/l)
Lors que la sonde est extraite de l’eau, elle est reliée à un ordinateur
et il est alors très facile d’acquérir toutes les données et de les
convertir en un fichier Excel.
•
Sismique réflexion
Cette technique permet d’étudier la morphologie du lac et de chercher des épaves par
exemple.
Sonar « Sidescan »
Epave repérée grâce au Sidescan
40
C’est avec un appareil semblable qu’en janvier 1994
l’Institut a aidé le land de Baden-Wurtemberg à
retrouver un avion de tourisme Cessna qui s’était
écrasé et avait sombré dans le lac, alors que l’on
présumait que du Césium se trouvait à bord (70kg)…
L’avion a semble-t-il été retrouvé sans trop de
difficulté, il n’y aurait ainsi pas eu d’impact radioactif
sur le lac, si tant est qu’il y ait vraiment eu du
Césium dans cet avion ! Mais la menace radioactive
s’est depuis lors ajoutée aux autres menaces qui
pèsent sur le lac : pollution par les huiles rejetées
par les bateaux, par les phosphates, les pesticides…
• Hydroacoustique
Grâce au principe de l’hydro-acoustique, on peut étudier la répartition du zooplancton ou des
poissons… Les poissons se différencient du planton par l’intensité de leur « écho » en dB, il
est également possible de déduire la taille, voire l’espèce, du poisson à partir de cet écho.
Pour les poissons : SIMRAD EY500
50m
10 000m
Etude nocturne de la répartition des poissons. Seule la zone encadrée en rouge peut être considérée
comme fiable (loin du bord, entre 10 et 50m de profondeur).
Pour le Zooplankton : ADCP
41
Etude de la répartition du plancton, notamment des rassemblements en nuages à –30m.
c. Données qui nous intéresseront par la suite
• Contexte
Ces données ont été rassemblées dans le cadre d’un projet nommé « Felchenproject », ou
« Projet Lavaret », sur lequel quelques biologistes de l’ISFet de l’Institut pour la Pêche
travailleront à partir d’octobre 2004.
Pourquoi ce projet ? Depuis quelques années, les pêcheurs de l’Obersee se plaignent de
pêches moins fructueuses, en comparaison avec celles des années 70 notamment (période
d’eutrophisation), et mettent en cause des eaux trop propres. Cela peut-il être prouvé ? L’ISF
et l’Institut pour la Pêche se sont donc engagés à étudier ce fait. Est-il vrai que les poissons
grandissent moins vite depuis la dernière dizaine d’années car les eaux ne sont plus assez
riches en plancton ? Y a-t-il encore assez de plancton pour nourrir les poissons ? Telle est la
problématique de ce projet.
•
Les 6 principales stations de mesure
42
LEGENDE
Frontières
Lac de Constance
Milieu urbain
Station de mesure
Point de départ/ d’arrivée
Profil
•
Données
Les données concernent des paramètres physiques, chimiques et biologiques. Tous les jeux
de données sont sous la forme de tableaux Excel.
Voici un bref inventaire des données qui seront utilisées pour le « projet Lavaret »:
Période 1995-2002 (Pour cette période, seule la station FU a été étudiée)
.
o
o
o
Données physico-chimiques relevées le long d’un profil vertical, allant de la
surface au fond, à la station «Fischbach-Uttwil» seulement, à l’aide de sondes :
Pression (dont on déduit la profondeur)
Concentration en Chlorophylle
Transparence
Température
Conductivité
Concentration en oxygène
Concentrations en matière nutritives mesurées en laboratoire sur des
échantillons prélevés grâce à des « Wasserschöpfer » : Fe, Mn, PO4 et
Phosphore total, NO3, Si, Na.
Données biologiques :
Zooplancton (espèces représentées, nombre d’individus, biomasse)
contenu sur les 6 intervalles 0-5m, 5-10m,10-20m,20-30m,30-60m et
60-100m
Phytoplancton (espèces représentées, nombre d’individus, biomasse)
présent dans les premiers mètres sous la surface
Données de capture sur la population de poisson (âge du poisson lors
de sa pêche, taille, poids, espèce…)
Année 2002
o Données physico-chimiques relevées le long de profils verticaux, allant de la
surface au fond, en 6 points donnés (stations), à l’aide de sondes :
43
o
Pression (dont on déduit la profondeur)
Concentration en Chlorophylle A
Transparence
Température
Conductivité
Concentration en oxygène
Données biologiques :
Zooplancton (espèces représentées, nombre d’individus, biomasse)
contenu sur les 6 intervalles 0-5m, 5-10m,10-20m,20-30m,30-60m et
60-100m, et ce aux 6 stations classiques, mesures effectuées en
laboratoire sur les échantillons prélevés avec les filets à plancton.
Phytoplancton (espèces représentées, nombre d’individus, biomasse)
présent dans les premiers mètres sous la surface, aux 6 stations,
mesures effectuées en laboratoire sur des échantillons prélevés avec
un filet à plancton et avec un Summenschöpfer
Données hydro-acoustiques sur le nombre de poissons présents le long
de 11 profils
Données hydro-acoustiques sur l’abondance et la répartition du
Zooplancton
Nous verrons dans la partie suivante comment ces données auront été traitées et exploitées.
44
III. Mon stage à l’Institut
1. Conditions de travail et rapports humains
Les conditions de travail étaient idéales : j’avais à ma disposition une pièce lumineuse,
au rez-de-chaussée, donnant sur le jardin, équipée d’un immense bureau, d’un ordinateur
avec accès à Internet et d’un téléphone… Mon nom était même marqué à côté de la porte !
J’ai été très agréablement surprise le premier jour en découvrant tout ça…
L’ISF et le port
Mon bureau
L’Institut en lui-même est un lieu de travail très agréable, du fait de sa construction
récente. Le hall d’entrée est très lumineux, spacieux, avec un aquarium contenant les divers
poissons du lac. Y sont également disposés 4 cubes noirs d’environ 1m de haut, au sein
desquels sont dissimulées des écrans de télévisions diffusant des images de la surface du lac
avec petits bruits de clapotis et cris de mouettes à l’appui pour accueillir les visiteurs ! De ce
hall partent les divers couloirs, peints en bleu… bref tout ça crée une atmosphère agréable et
détendue.
Le hall d’entrée
La mascotte de l‘ISF : une vielle carpe !
Et l’ambiance générale est très appréciable : tout le personnel est très accueillant,
sympathique, tout le monde se connaît, s’apprécie plus ou moins, et tout le système
fonctionne très bien. Tous les rapports humains de l’Institut gravitent autour de la salle
commune, ou Sozialraum. C’est LA pièce de l’Institut : d’une part, on y trouve la machine à
45
café (qui fait de délicieux expressos à volonté, pratique pour se réveiller le matin), et d’autre
part, la Sozialraum est une cuisine génialement équipée (frigo, lave-vaisselle, fours, plaques
de cuisson, ustensiles divers…et bien sûr les inévitables 5 poubelles différentes pour faire le
tri) où tous ceux qui le désirent peuvent se faire à manger le midi (il y a de la place pour une
vingtaine de personnes), sans oublier ensuite de nettoyer... La Sozialraum est donc en totale
effervescence à 9h - pour l’indispensable pause café, et à partir de midi - pour le déjeuner,
ces 2 moments sont l’occasion pour chacun de discuter avec ses collègues, et pour moi de
tenter (avec plus ou moins de succès) d’améliorer mon Allemand catastrophique. Il arrive
même parfois (6 fois pendant mon séjour) que quelqu’un fête son anniversaire - ou son départ
à la retraite - à la pause de 9h, et alors là c’est l’orgie de pain, de Bretzels, de fromage, de
saucisses (au petit déjeuner, j’ai vraiment eu du mal à m’y faire), de charcuterie, de gâteaux,
de champagne… et de bière bien sûr ! Tout cela dure pendant une bonne heure voire plus,
avant que quelqu’un ne fasse remarquer qu’il serait peut-être temps de se mettre à travailler…
Outres les petits-déjeuners, la vie de l’Institut est marquée par quelques évènements et
moments forts. Je ne parlerai que de ceux que j’ai vécus, c’est-à-dire de juin à début
septembre.
Le match de foot annuel entre l’Institut für Seenforschung et l’Institut de pêche de
Langenargen, mi-juin. Cette année l’ISF a lamentablement perdu 3 à 7. Heureusement
tout cela se finit dans la bonne ambiance générale en un barbecue sur la plage, arrosé
bien sûr de beaucoup de bière...
La « Sommerfest » ou fête de l’été, le 1er juillet. De 14h à 21h tout l’Institut se réunit
autour d’un banquet où chacun a amené quelque chose, et tout le monde boit (de la
bière), mange et discute …
Les conférences (environ une par mois) d’intervenants extérieurs, où les doyens de
l’Institut aiment à intervenir et à débattre
Les paris ! En effet, les paris sont de rigueur à l’Institut. Ils concernent les événements
sportifs importants : l’Euro 2004 pour le foot, la Formule 1, le Tour de
France…Chacun, sous un pseudonyme plus ou moins obscur, et moyennant une
inscription de 10 euros, peut effectuer des pronostics, espérant ainsi rapporter une
partie de la cagnotte et un repas au restaurant. Le grand et intransigeant maître du jeu
est Robert Obad (du service de la cartographie), et le repas de midi est souvent le
siège de réclamations quant aux plus ou moins bien fondées et très contestées règles
du jeu…
Que dire des horaires de travail ? Le quota est de 8h par jour, mais les horaires en euxmêmes sont flexibles. Pour ma part, j’ai donc décidé de travailler de 8h à 16h30, en me
réservant une pause d’une demi-heure à 12h30 pour manger.
En conclusion, il était bien agréable de travailler dans ces conditions, et la bonne
ambiance fut salvatrice pour compenser l’ennui provoqué par le traitement d’environ 500 000
lignes de tableaux Excel...
46
2. Problématique du stage
Quelles furent les questions posées au vu des jeux de données ?
Pour l’année 2002 (je ne me suis intéressée qu’à cette période là):
o
Statistiques et études préliminaires
Comparaisons entre les paramètres physico-chimiques des 6 stations :
différences systématiques, corrélations…
Corrélations entre le Zooplancton et le Phytoplancton au niveau de
chaque station (abondance, variations…)
Corrélations entre Zooplancton et les paramètres physico-chimiques
(répartition verticale, horizontale, variations…)
o
Une fois ces comparaisons effectuées, et selon les corrélations trouvées, on
effectuera :
Des cartes verticales (projections sur le plan vertical pour être plus
correcte) pour :
- Chaque paramètre physico-chimique, notamment la chlorophylle
A, reflet de l’abondance de Phytoplancton.
- Le Zooplancton, en réfléchissant à l’efficacité d’un co-krigeage
avec des paramètres physico-chimiques comme la température.
Des cartes horizontales pour :
- Les lavarets, à partir des données hydro-acoustiques
o
On réfléchira ensuite à la représentativité d’une mesure
Comment définir la portée d’un phénomène, son anisotropie ?
Combien de mesures sont-elles nécessaires, quel doit être leur
emplacement ?
En exploitant les capacités du co-krigeage, est-il possible de se passer
de certaines mesures coûteuses en les remplaçant par la mesure moins
onéreuse d’un autre paramètre ? Quelles données seraient alors
concernées ?
o
Enfin, on pourra aborder la question de la régularité de la répartition horizontale
et verticale
Du Phytoplancton
Du Zooplancton
Existe-t-il un lien entre le niveau d’irrégularité de cette répartition, le
vent et l’ensoleillement global ?
Je n’ai malheureusement pas eu le temps de traiter les 2 derniers points.
47
3. Travail effectué
Vous trouverez en documents joints les rapports (et le sommaire de ces rapports),
rédigés en anglais, que j’ai remis à l’Institut au cours de mon stage. Je m’excuse pour les
nombreuses répétitions entre les différents rapports, mais ceux-ci devaient pouvoir être traités
indépendamment par des chercheurs ne connaissant rien à la Géostatistique, c’est pourquoi il
y a intentionnellement beaucoup de redites…
Comment mon stage s’est-il organisé ?
La première semaine a été relativement studieuse : j’ai lu divers livres et articles, en
français ou en anglais, pour acquérir quelques notions de limnologie et avoir ainsi les
capacités nécessaires pour comprendre les jeux de données et les diverses techniques
utilisées pour mesurer ces données. Vers la fin de la semaine, j’ai enfin pu télécharger ces
jeux de données depuis le réseau, tous aux formats Excel, rangés plus ou moins bien dans
une vingtaine de dossiers différents, souvent redondants, et portants tous des noms assez
obscurs en allemand.
J’ai donc consacré la semaine suivante à la classification et à l’étude de ces données.
J’ai tout d’abord sélectionné les tableaux les plus pertinents et les mieux rangés, et je me suis
créé mon propre dossier, bien ordonné cette fois, avec des noms clairs en anglais, et j’ai fait
une liste de toutes ces ressources… Puis j’ai rassemblé et compacté différents tableaux pour
pouvoir utiliser plus facilement les fichiers avec Isatis, en utilisant dès que possible des
macros avec Excel pour me faciliter la tâche… mais cette étape fut tout de même relativement
pénible et ennuyeuse ! Pour le Zooplancton notamment il fallut faire la somme des différentes
espèces, et pour les paramètres physico-chimiques, convertir la pression en profondeur…
Une fois toutes les données bien rangées, j’ai effectué les travaux suivants :
•
Statistiques préliminaires pour mieux comprendre les différents jeux de données et
chercher d’éventuelles relations simples entre les paramètres physiques, chimiques et
biologiques (végétal ou animal)
•
Etude de la répartition horizontale du lavaret pour les mois de septembre 2002,
novembre 2002 et février 2003, avec ISATIS
•
Etude de la répartition verticale du zooplancton, en essayant diverses techniques :
krigeage ordinaire, cokrigeage, simulations…
•
Etude des données sur le Zooplancton mesurées par hydroacoustique et tentative
d’utilisation de ces données pour améliorer la précédente étude sur le Zooplancton.
•
Etude de la répartition verticale de la chlorophylle A et recherche d’une relation entre la
concentration en chlorophylle A et la biomasse de Phytoplancton
48
4. Difficultés rencontrées, discussion
Les différentes études ont bien sûr été ponctuées de quelques difficultés…
Première difficulté, que j’ai déjà citée : faire le tri parmi toutes les données ! Et donc
apprendre à apprivoiser Excel, et faire connaissance avec les macros… avec quelques
aspirines et beaucoup de café ! Mais cette étape fastidieuse était nécessaire.
Les quelques statistiques qui ont suivi n’ont pas été beaucoup plus passionnantes,
puisque je n’ai pas trouvé de corrélations miraculeuses entre les paramètres physiques,
chimiques et biologiques. Je pense néanmoins qu’une corrélation « instantanée » est difficile
à trouver : les divers paramètres interagissent les uns les autres sur la durée, avec certains
déphasages, mais je n’avais vraiment pas les compétences ni des notions de limnologie
suffisante pour analyser ces possibles interactions ! J’ai donc laissé le soin aux biologistes
éventuellement intéressés d’analyser toutes les courbes que j’avais pu tracer, ceci pourra
éventuellement servir lors du « Felchenproject ».
Difficulté suivante, à l’occasion de l’étude de la répartition horizontale du lavaret : réaliser
ma première étude complète avec Isatis ! Heureusement, j’ai pu m’aider du manuel d’Isatis,
très complet grâce aux études de cas notamment, et si une trop grosse difficulté se présentait,
Mr Chauvet et Mr Wackernagel étaient là pour répondre à mes questions. L’étape la plus
pénible fut en fait de constituer le fichier ASCII correspondant au pourtour du lac pour définir
le domaine à estimer… Mis à part cela, rien d’insurmontable, du moins j’espère avoir fait un
travail correct, et les cartes que j’ai réalisées sont très semblables à d’autres cartes qui
avaient été précédemment établies à partir des même données, mais utilisant un autre logiciel
qu’Isatis : Surfer.
La deuxième étude, analysant la répartition du Zooplancton, fut un peu plus coriace, car
seulement 36 points avaient été échantillonnés sur tout le lac. Pour être plus précise, la
concentration de Zooplancton avait été mesurée sur 6 intervalles verticaux différents, et ce en
6 points distincts du lac. Etant donné que ces 6 derniers points étaient pratiquement situés sur
une même ligne orientée dans la direction principale du lac, il m’a semblé évident qu’une
étude en 3 dimensions n’était pas adaptée. J’ai donc crée un nouveau système de
coordonnée à l’aide de la droite de régression passant par ces 6 points, et ai ensuite fait une
étude verticale en 2D. Mais malgré cette restriction à une étude en 2D, 36 points de donnée
c’était peu, et les cartes krigées étaient totalement affreuses, il m’a été difficile de réaliser
quelque chose de réaliste, car krigeage et Zooplancton sont pour ainsi dire incompatibles ! Le
krigeage lisse, ce qui avec mes malheureux 36 points produisait un effet catastrophique, alors
que le Zooplancton a une répartition spatiale plus qu’irrégulière, avec une agglutination en
nuages de taille plus ou moins variable…Je me suis alors lancée dans les simulations, et, une
fois la méthode (plus ou moins) comprise, les résultats ont été bien plus satisfaisants…
J’étais alors très fière de ces résultats et avais de beaux rapports colorés, mais au cours
d’une journée sur le bateau de recherche, pendant laquelle j’ai moi même pêché le
Zooplancton, je me suis rendue compte que j’avais mal interprété les données… Horreur !
Tout était à refaire… En effet les données qui m’avaient été données étaient des
concentrations en Individus/m2 pour des colonnes d’eau de hauteurs différentes : 0-5m, 510m, 10-20m, 20-30m,30-60m et 60-100m. Ce que j’avais pris pour une moyenne était en fait
une somme ! Et je n’avais pas du tout pensé à reconvertir toutes ces valeurs en Individus/m3
pour pouvoir exploiter ces données correctement. Après une bonne matinée de
découragement, j’ai donc refait toute l’étude - en passant rapidement sur les cartes krigées je
l’avoue, puisque je savais que le résultat ne serait pas terrible – mais en travaillant vraiment
les simulations, qui donnaient avec ces nouvelles données des résultats encore plus
réalistes !
49
A l’issue de l’étude, j’ai beaucoup discuté des résultats avec Thomas Wolf : 36 points,
c’était peu pour dresser une carte réaliste sur tout le lac, même avec des simulations, et le
krigeage avec dérive externe ou le cokrigeage avec une variable densément échantillonnée
comme la température n’avait rien donné pour cause de corrélation insuffisante… Thomas a
donc eu l’idée d’utiliser des données mesurées par hydroacoustique, qui n’avaient jusqu’à
présent pas vraiment servi… J’ai donc passé quelques jours sur l’études de ces données,
mesurées sur des profils verticaux très denses.
Premier problème : le système de coordonnée n’était pas le même ! Toutes mes
précédentes données étaient exprimées dans le système Gaus-Krüger 9, genre de système
UTM allemand. Mais les données mesurées avec l’ADCP étaient exprimées en longitude et
latitude ! Et une longueur en °, ce n’est pas très parlant… Il a donc fallu que je demande à
Robert (le « cartographe ») de me convertir au moins les coordonnées des extrémités des
profils pour me faire une idée de leur étendue et de leur positionnement sur le lac. J’ai alors
pu analyser la taille approximative des nuages de Zooplancton à –30m de profondeur, quand
un tel comportement se présentait.
Mais à part cette étude qualitative, il m’était difficile de faire plus : cette étude par
hydroacoustique avait été effectuée à des dates totalement différentes de celles de ma
précédente étude, et sur des profils beaucoup plus courts et d’orientations différentes. L’issue
la plus évidente, suggérée par Mr Chauvet, fut d’utiliser l’information apportée par
l’hydroacoustique (extension des nuages) lors de la modélisation des variogrammes de mon
étude basée sur les 36 points d’échantillonnage. J’ai donc réalisé de nouveaux modèles, en
ajoutant des structures cubiques dont la portée était déduite de l’hydroacoustique, et les
résultats des simulations furent plutôt satisfaisants, car relativement irréguliers, avec des
petites formations en nuage, qui présentaient même parfois beaucoup de similitudes avec les
images formées par hydroacoustique.
En attendant un nouveau jeu de données mesurées encore une fois par
hydroacoustique, je me suis attelée à l’étude de la Chlorophylle A, qui est un bon indicateur de
la concentration en Phytoplancton… Les données utilisées avaient été mesurées par
fluorescence grâce à la sonde, le long de 6 profils verticaux correspondant aux 6 stations
d’échantillonnage du Zooplancton, et ce aux mêmes 12 dates. Encore une fois il a fallu créer
un nouveau système de coordonnées pour réaliser une étude en 2D et non en 3D, puis je me
suis rendue compte en peu tard que les profondeurs avaient été définies positivement et que
j’avais estimé des cartes « à l’envers », ce qui ne plairait pas trop aux biologistes. J’ai donc
refait rapidement l’étude pour obtenir des cartes dans le bon sens.
Je me suis également intéressée au calibrage de la sonde, qui me semblait parfois
douteux (valeurs négatives à partir d’une certaine profondeur !) - et ai pour cela obtenu auprès
de Barbara des valeurs mesurées par chromatographie, puis j’ai cherché à quantifier la
corrélation Phytoplancton/chlorophylle A. Ma conclusion fut que les valeurs mesurées par la
sonde étaient sans doute fiables pour les 20 premiers mètres, et qu’alors elles étaient bien
corrélées avec la concentration en Phytoplancton, mais que pour les profondeurs supérieures,
rien n’était sûr… mais je n’ai rien pu établir de plus précis ! J’ai donc redessiné des cartes
représentant la concentration en chlorophylle pour les 30 premiers mètres seulement, ce qui,
de plus, permettait de n’utiliser que les valeurs positives, avec une dérivé verticale moins
marquée.
Après cela, retour à l’hydroacoustique, ou comment se débrouiller quand on a trop de
données à analyser! En effet, les nouveaux profils que m’avait fournis Thomas (5 profils
verticaux et parallèles, répartis sur l’ensemble du lac, dans le sens de la largeur du lac) étaient
si denses que je ne pouvais même pas calculer un variogramme. Or il fallait que je simule la
concentration en zooplancton (par le biais des données hydroacoustiques) sur l’ensemble du
lac, en 3 dimensions, j’avais donc besoin de variogrammes solides…La ruse a été de projeter
ces données sur une grille, le calcul des variogrammes était ainsi bien plus rapide. Mais
50
nouveau problème : la présence de valeurs égales à 1000 voire 1020 fois celles d’un écho
propre au zooplancton. La cause de ces valeurs problématiques qui bouleversaient tous les
variogrammes : le fond du lac, ou les poissons, tout simplement, mais qui portaient donc une
information totalement contradictoire vis à vis de l’écho caractéristique du Zooplancton… Il a
donc fallu faire le tri dans ces données plus que denses : ne conserver que les 25 premiers
mètres, et supprimer « à la main » les valeurs qui ne collaient pas, c’est à dire de fortes
valeurs isolées des nuages de zooplancton.
Hormis ces quelques difficultés, mon travail s’est très bien déroulé, sans temps mort, les
différents chercheurs ont toujours été disponibles pour répondre à toutes mes questions et ont
eu l’air satisfait des études que j’ai effectuées… Pendant ce stage, j’espère avoir appliqué
correctement mes connaissances en géostatistiques et avoir utilisé efficacement ISATIS, pour
que les résultats alors obtenus soient suffisamment fiables pour pouvoir être utilisés
ultérieurement par l’Institut.
Cependant, je crois qu’il me reste encore à approfondir mes acquis en Géostatistique
pour être plus sûre de moi lors de la réalisation d’une étude complète, et il y a encore de
nombreux modules d’ISATIS que je ne maîtrise pas, des résultats que j’ai parfois du mal à
comprendre (artefacts sur les cartes krigées par exemple…), des méthodes que j’aimerais
mieux appréhender et contrôler (simulations).
51
CONCLUSION
Ce stage à l’ « Institut für Seenforschung der LFU » m’a donc énormément satisfaite, et
m’aura beaucoup apporté, d’un point de vue linguistique bien sûr, mais également en ce qui
concerne l’expérience personnelle. En effet, désirant m’orienter plus tard dans le secteur de la
recherche, je voulais découvrir le fonctionnement d’un centre de recherche, et l’ISF a en cela
répondu à toutes mes attentes. Je suis bien sûre consciente du fait que cet Institut, avec ses
locaux tout neufs, sa bonne ambiance, son équipe motivée et accueillante, et ses moyens
relativement importants, est vraiment exceptionnel, et qu’il est difficile de trouver de si bonnes
conditions de travail dans tous les centres de recherche, publics du moins. Mais ce stage m’a
donné envie de persévérer dans cette voie, et j’espère donc, par la suite, pouvoir m’orienter
dans le secteur de la recherche.
Par ailleurs, j’ai été vraiment très intéressée par la découverte de la limnologie. Cela n’a
bien sûr pas été très facile au début, et je pense avoir encore beaucoup de lacunes dans ce
domaine, mais il était vraiment agréable de découvrir un sujet autre que les maths et la
physique, de faire à nouveau un peu de biologie et d’écologie ! L’étude d’un phénomène
environnemental m’a réellement passionnée, et j’avoue que le fait de pouvoir appliquer des
théories mathématiques et statistiques au traitement d’une variable concrète, presque
palpable, était vraiment très enthousiasmant ! Et cette impression a été renforcée par ma
sortie en bateau sur le lac, où j’ai pu observer, et même réaliser, les différentes mesures et
méthodes d’échantillonnage et ainsi découvrir ce que c’est que prélever soi-même des
données... De plus, voir que les chercheurs du centre étaient intéressés par ce que je faisais
(même si tout cela leur paraissait assez obscur) était plutôt motivant, et j’espère que mon
travail leur servira par la suite, notamment en ce qui concerne le « Felchenprojekt ».
Pour conclure, je suis vraiment très contente de mon stage à l’ISF, où tout s’est très
bien déroulé, sans stress ni temps mort, et j’espère avoir communiqué mon enthousiasme à
travers mon rapport.
52
BIBLIOGRAPHIE
Ouvrages
« Limnologie, l’étude des eaux continentales », B. Dussard, 1966
Bilan 2004 de l’IGKB : „Der Bodensee: Zustand - Fakten – Perspektiven“
Ressources Internet
Site de l’ISF : http://www.lfu.baden-wuerttemberg.de/lfu/abt4/isf/, Intranet…
Site de la LfU : http://www.lfu.baden-wuerttemberg.de/
Site de l’IGKB : http://www.igkb.de/
Encyclopaedia Universalis (http://www.universalis.fr)
« Rôles et transformations des pigments caroténoïdes dans les réseaux trophiques
marins »
(http://users.info.unicaen.fr/~giguet/java/textes/pigments.html)
53

Documents pareils