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Mytiliculture écosystème côtier : modélisation intégrée de leurs interactions dans la lagune de Grande-Entrée (Îles-de-la-Madeleine, Québec)

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Guyondet, Thomas (2009). Mytiliculture écosystème côtier : modélisation intégrée de leurs interactions dans la lagune de Grande-Entrée (Îles-de-la-Madeleine, Québec). Thèse. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski, 247 p.

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Résumé

RÉSUMÉ : Dans le contexte de ressources marines surexploitées, l'aquaculture est appelée à
fournir une part croissante des besoins nutritionnels de la population mondiale. De plus la
culture de bivalves nécessite des techniques simples et des investissements restreints ce qui
explique son essor actuel. Le développement de cette pratique majoritairement en zone
côtière se heurte déjà à la question de la capacité de support des écosystèmes récepteurs. La
complexité de ce type de problème, qui fait intervenir aussi bien l' hydrodynamique de la
région concernée, les processus biogéochimiques régissant la production et la
consommation de la nourriture des bivalves et l'écophysiologie de ces mollusques,
nécessite le développement d'outils adaptés. La modélisation numérique fournit un cadre
adéquat pour la réalisation de ce type d'études.
L'objectif de cette thèse est de développer un outil numérique permettant d'intégrer
les trois aspects du problème de capacité de support et de considérer dans une même étude
les différentes échelles spatiales mises en jeu, ce qui faisait défaut jusqu'alors. Le modèle
ainsi développé sera mis à contribution pour étudier les interactions entre l'élevage
mytilicole et l'écosystème de la lagune de Grande-Entrée, Îles-de-Ia-Madeleine, Golfe du
Saint-Laurent.
Dans un premier temps, la modélisation numérique en éléments finis basée sur des
données de terrain est utilisée pour étudier la dynamique des circulations tidale et résiduelle
du système couplé de lagune "restreinte" et "coulante" des Îles-de-Ia-Madeleine. La lagune
de Havre-aux-Maisons (HML) est considérée comme "restreinte" et présente une
embouchure neutre en terme d 'asymétrie tidale. La lagune de Grande-Entrée (GEL) est,
elle, de nature "coulante" avec une dominance de jusant bien marquée au niveau de son
embouchure, due aux interactions directes entre les principales composantes astronomiques
de la marée. Le déséquilibre causé par les différentes caractéristiques d'absorption de
l'onde de marée des deux embouchures se combine avec l'asymétrie morphologique interne
du système pour produire un flux résiduel de HML vers GEL. La circulation résiduelle est
aussi caractérisée par de plus fortes valeurs aux deux embouchures, de très faibles courants
résiduels dans le bassin profond de HML et un dipôle de tourbillons résiduels couvrant les
zones profondes de GEL.
Dans la deuxième partie de cette étude un modèle biogéochimique, couplé au moteur
hydrodynamique mis au point précédemment, est développé pour étudier la dynamique de
l'écosystème de la lagune Grande-Entrée, qui abrite un élevage commercial de moules. La
calibration du modèle est basée sur la comparaison objective des résultats du modèle avec
les observations récoltées lors d'une campagne d'échantillonnage sur le terrain, à la fois en
terme de concentrations des variables d'état et de la magnitude des différents processus.
Une analyse de sensibilité est ensuite réalisée pour tester les capacités prédictives du
modèle. Les résultats du processus de calibration et de l'analyse de sensibilité établissent
clairement la capacité du modèle à reproduire avec précision la dynamique de l'écosystème
lagunaire, y compris les effets de l'élevage mytilicole. Cette dynamique se caractérise en
été par la dominance des processus de recyclage parmi les mécanismes d'apport en azote et
également par le rôle dominant du réseau microbien, en particulier le microzooplancton,
dans la détermination du niveau de productivité de ce système. L'activité mytilicole à son
stade actuel de développement ne semble pas exercer d'influences majeures sur la
dynamique du système à l'échelle globale.
Enfin, le modèle calibré physique-biogéochimique de la section précédente est
amélioré par l'ajout d'un modèle écophysiologique de type budget d 'énergie dynamique
(DEB) et est utilisé pour étudier les interactions entre la ferme mytilicole de GEL et
l'écosystème côtier qui l'abrite, aussi bien à l'échelle locale qu 'à celle du système au
complet. En utilisant un jeu de paramètres de la littérature pour le DEB, le modèle couplé
reproduit assez précisément la croissance locale des moules ainsi que sa répartition spatiale
sur toute la ferme. Les flux métaboliques des moules sont également bien reproduits, ce qui
autorise l'étude des relations moules/environnement.
Les résultats montrent l' importance des moules dans le cycle de l'azote à l'échelle
locale dans la zone d'élevage. Malgré l'influence réduite qu'exerce la ferme mytilicole à
l'échelle du système complet, elle possède toutefois la capacité de modifier la structure de
l'écosystème de la lagune de Grande-Entrée.
Selon les résultats du modèle couplé, le stock de moules en élevage pourrait être
considérablement augmenté avant d 'atteindre la capacité de production maximale de la
GEL. Toutefois, si l'aspect écologique est pris en compte les résultats obtenus utilisés
conjointement avec des critères objectifs tels que les empreintes de déplétion, montrent que
la capacité de support de la GEL est beaucoup plus restreinte. Cette estimation peut
néanmoins être qualifiée de conservatrice puisqu'elle s'appuie uniquement sur la période
estivale où l'influence des moules est maximale.
L'outil numérique développé lors de ce doctorat offre la possibilité d 'estimer la
capacité de support écologique d'une région côtière pour l'aquaculture de bivalves en
incluant à la fois les processus à l'échelle locale et de toute la lagune. ABSTRACT : ln the context of over-exploited marine resources, aquaculture should provide an
increasing part of the food demand worldwide. Thanks to the simple technical level and the
low investments it requires, shellfish culture is developing rapidly. This development takes
place mainly in coastal areas where it already raises the question of the carrying capacity of
the receiving ecosystems. The complexity of su ch a problem, mixing aspects of the
hydrodynamics of the system, the biogeochemical processes influencing the production and
consumption of bivalve food and the ecophysiology of these molluscs, requires the set up
of adequate tools. Nwnerical modelling provides the ideal framework for this kind of study.
The main goal of the present thesis is to develop a numerical tool integrating the three
aspects of the carrying capacity problem and to consider the diverse spatial scales involved,
which is lacking from previous studies. The model will then be used to investigate the
interactions between the mussel farm and the ecosystem of Grande-Entrée lagoon,
Magdalen Islands, Gulf of Saint-Lawrence.
In the first part of the work, finite element numerical modelling based on field data is
used to study the tidal and tidally induced residual circulation dynamics of the coupled
"restricted" and "Ieaky" coastal lagoon system of the Magdalen Islands. Havre-aux-
Maisons Lagoon (HML) is of a "restricted" nature with a neutral inlet in terms of tidal
asymmetry. Grande-Entrée Lagoon (GEL) is of a "leaky" nature with a marked ebb
dominance at the inlet due to direct interactions between the main astronomical tidal
constituents. The imbalance caused by the different tidal filtering characteristics of both
inlets combines with the internai morphological asymmetries of the system to produce a
residual throughflow from HML to GEL. The residual circulation is also characterized by
strongest values at both inlets, very weak residual currents in HML deep basin and a dipole
of residual eddies over the deeper areas of GEL.
In the second step of the study, a biogeochemical model coupled to the hydrodynamic
model of the previous section is developed to study the dynamics of GEL's ecosystem
sheltering a commercial mussel aquaculture farm. The model calibration is based on the
objective comparison of model results and observations from a field sampling pro gram
both in terms of state variable concentrations and process rate magnitudes. A sensitivity
analysis is th en carried out to test the predictive ability of the mode!. The results of both the
calibration process and the sensitivity analysis strongly establish the capacity of the model
to accurately reproduce the lagoon 's ecosystem dynamics, including the effects of cultured
mussels. These dynamics are characterized in summer by the dominance of recycling
processes among inorganic nitrogen input mechanisms and the dominant role of the
microbial food web, especially the microzooplankton, in setting the productivity level of
the system. The mussel culture activity in its present state does not seem to exert any major
influence on the system dynamics at the global scale.
Finally, the calibrated fine resolution physical-biogeochemical model is improved
with the addition of a dynamic energy budget (DEB) and used to investigate the local and
system scale interactions between the mussel farm and the receiving coastal ecosystem.
Using a set of published parameters for the DEB, the coupled model reproduces both the
local mussel growth and its spatial repartition over the farm area quite accurately. Mussel
related process rates are also weil reproduced, allowing the study of musseVenvironment
interactions.
Results show the local importance of cultured mussels in the cycling of nitrogen
within the cultivation area. Despite the strongly reduced influence exerted by the mussel
farm at the scale of the entire system, the culture activity still has the ability to alter the
structure of Grande-Entrée lagoon's ecosystem.
The coupled model resuIts show that the mussel stock could be greatly increased
before reaching the maximum production capacity of GEL. However, when the ecological
aspect is accounted for, using model results along with objective criteria such as the
depletion footprint curve, the overall carrying capacity of GEL must be significantly
reduced.
The coupled fine scale numerical model developed for this study gives the
opportunity to assess the ecological carrying capa city of a coastal region for shellfish
culture accounting for both local and system scale processes.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Koutitonsky, Vladimir
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse : Grant, Jon
Information complémentaire : Thèse présentée à l'Université du Québec à Rimouski comme exigence partielle du programme de doctorat en océanographie. Publié aussi en version papier.
Mots-clés : Myticulture Aquaculture Aquiculture Impact Interaction Ecosysteme Cotier Modelisation Integre Iles-de-la-madeleine
Départements et unités départementales : Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 24 janv. 2011 19:47
Dernière modification : 24 janv. 2011 19:47
URI : http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/262

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