Modélisation de la dégradation de la matière organique

Modélisation de la dégradation de la matière organique

Les modèles de dégradation de la matière organique

Dans le premier groupe de modèles, nous retrouvons les approches employant une cinétique du premier ordre (Equation 4.1) qui considère que l’évolution de la concentration d’un substrat est une fonction exponentielle du temps. dt (4.1) Où, C k t ‘) concentration de la matière organique (g m- 3 vitesse de la cinétique (jour-1) temps (j°ur)  Cette approche est bien adaptée et peut représenter la dégradation de la matière organique de manière satisfaisante (Ohgaki & Wantawin, 1989) dans le cas des systèmes ayant une forte charge en matière organique facilement dégradable. De plus, elle présente l’avantage de permettre un calage et une validation du modèle avec un nombre raisonnable de données (J0rgensen, 1983). Cependant, l’emploi d’une cinétique de dégradation du premier ordre nous conduit à considérer les processus comme dépendant uniquement de la quantité de matière organique à dégrader. Or, ces processus sont également dépendants des organismes qui effectuent la dégradation, des nutriments nécessaires au métabolisme de ces organismes, des types de matière organique (labile, réfractaire), de leur forme (particulaire, dissoute), et des conditions du milieu (oxygène dissous, température, pH). Ces remarques ont amené au développement de modèles de cinétique du premier ordre dont la vitesse est limitée par plusieurs facteurs. Généralement, ce deuxième groupe de modèles utilise l’équation de cinétiques enzymatiques de Michaelis Menten pour représenter la limitation de la vitesse de dégradation. La vitesse k du processus subit une limitation conjuguée qui peut être représentée par la multiplication successive de l’équation de limitation de chaque facteur (Equation 4.2), où d, Cj et Ck représentent des substrats différents ou des nutriments comme l’azote et les phosphores. k = kmax Ci Cj Ck (4.2) max {C(i)a + Ci) (C(j)s + Cj) (C(k)s -H Ck) D’autres équations ont été proposées pour représenter cette limitation conjuguée mais le facteur multiplicatif est encore le plus répandu (O’Neill et ai, 1989; Morrison et ai, 1987). Les limitations par la température, l’oxygène, ainsi que par d’autres facteurs, peuvent également être ajoutées à cette limitation conjuguée. Lorsque l’intérêt pour la dégradation de la matière organique dépasse la simple étude de sa disparition dans le milieu, d’autres approches s’imposent. Elles permettent la description du cycle du carbone dans la chaîne trophique et son interaction avec les organismes décomposeurs. La croissance des décomposeurs peut elle-même constituer un flux important de matière organique (Kaushik k Hynes, 1971; Polunin, 1982; Mathews k Kowalski, 1969; Harrison k Mann, 1975). Ce troisième groupe de modèles utilise la cinétique de croissance bactérienne, développée à partir des études de Monod (Monod, 1949) qui considère que la vitesse de croissance dépend du substrat dégradé et qu’elle varie selon une équation hyperbolique (Equation 4.3).

Le modèle pour Tucurui

Selon les objectifs donnés à notre modélisation (voir introduction), nous devons envisager pour Tucurui un modèle simple permettant d’établir les conditions de la qualité de l’eau dans la retenue d’une manière dynamique. La démarche envisage un exercice de modélisation conceptuelle, qui consiste à tester différentes représentations du système. La modélisation mathématique envisage également un exercice, avec des allers et retours entre la vérification, le calage et la validation du modèle (Figure 1.2). Les prémisses La modélisation de la qualité de l’eau dans la retenue de Tucurui implique la prise en compte de la dégradation de la végétation terrestre immergée; ceci étant identifié comme l’un des objectifs de notre étude. Cette végétation représente une forte charge en matière organique (Annexe C) et, en raison des différences structurelles et chimiques des diverses parties (écorce, troncs, feuilles), nous proposons un modèle décrivant la dégradation de différents types de matière organique2 . De par les caractéristiques de la végétation citées ci-dessus, la dégradation rassemble diverses réactions où une grande variété d’organismes peut intervenir. Les décomposeurs existant sur les plantes continuent leur action après la mise en eau; certains ne s’adaptent pas à la vie sous l’eau et disparaissent. La participation des insectes, des nematodes et de certains champignons diminue considérablement après la formation du lac de retenue et les différentes espèces de bactéries deviennent les décomposeurs prédominants, surtout en conditions d’anaérobiose (Gunnison et ai, 1985; Saunders, 1976; Ruel & Barnoud, 1985). Dans une approche holistique, ces décomposeurs peuvent être pris comme un compartiment unique qui fragmente, dégrade et minéralisé la matière organique. Dans le cas d’une activité constante de ce compartiment, la variation d’une population spécifique ne modifie pas la dégradation effectuée par l’ensemble des décomposeurs. En outre, dans les systèmes comme Tucurui, avec une forte charge en matière organique, la biomasse de décomposeurs peut ne pas représenter une source importante de matière organique. Ainsi, dans un premier temps, nous proposons d’utiliser une cinétique du premier ordre pour décrire la dégradation de la végétation immergée dans la retenue de Tucurui.

Les variables d’état

Pour aboutir à la modélisation proposée, un certain nombre de variables doit être pris en compte. L’aspect physique et les phénomènes de transport sont essentiels dans la simulation d’un milieu naturel. Dans la mesure où la température est responsable des changements de densité de l’eau et donc des processus de stratification thermique, qui interviennent dans le transport des substances, elle se présente comme une variable primordiale du modèle. En outre, elle influence les métabolismes biologiques et les réactions chimiques. L’oxygène dissous peut être indiqué comme une deuxième variable primordiale en raison de son importance pour la qualité de l’eau et de son influence sur tous les processus de dégradation que nous proposons de simuler. L’oxygène dissous est, parmi les variables chimiques, celle qui contrôle dans une large mesure les interactions entre les substances (chimie) et l’activité du 2. La production primaire ne sera pas l’objet de notre étude.  biote (biologie). La simulation de l’oxygène nous permettra d’établir des considérations sur les conditions chimiques et biologiques de la retenue. En relation directe avec notre objectif, la matière organique doit également être simulée. Nous nous trouvons alors face à un problème souvent rencontré dans la modélisation de systèmes naturels: la confrontation des objectifs du modèle et des données disponibles. La matière organique n’est pas directement mesurée à Tucurui (Annexe D). Nous avons les estimations de la végétation immergée, les mesures de DBO5 (demande biologique en oxygène) et de DCO (demande chimique en oxygène).