Influence of hydrodynamics on phytoplankton behaviour in lakes in urban areas through high-frequency measurements and three-dimensional numerical modelling. Application to Lake Champs-sur-Marne (France) and Lake Pampulha (Brazil) - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Access content directly
Theses Year : 2020

Influence of hydrodynamics on phytoplankton behaviour in lakes in urban areas through high-frequency measurements and three-dimensional numerical modelling. Application to Lake Champs-sur-Marne (France) and Lake Pampulha (Brazil)

Influence de l'hydrodynamique sur le comportement du phytoplancton dans les lacs des régions métropolitaines - Suivi à haute fréquence et modélisation numérique tridimensionnelle du Lac de Champs-sur-Marne (France) et du Lac Pampulha (Brésil)

Abstract

The main objective of this thesis is to characterize the hydrodynamics of shallow urban lakes to better understand its influence on spatial and temporal variability of cyanobacteria biomass through high-frequency measurements and three-dimensional numerical modelling. To achieve this objective, two experimental study sites were investigated: Lake Champs-sur-Marne, a small and shallow urban lake in France, and Lake Pampulha, a medium-sized and shallow urban reservoir, in Brazil.In the French lake, a three-dimensional hydrodynamic and ecological model was calibrated using high-frequency measurements of chlorophyll-a, temperature and water velocity. The water temperatures were measured at surface (0.5 m), middle (1.5 m) and bottom (2.5 m) depths. The chlorophyll-a was measured at 1.5 m depth. The velocities were measured with a depth range of 0.45 m from the surface to 2.7 m at the bottom. After the model calibration it was verified to scenarios with different nutrient concentration.The research carried out in Lake Champs-sur-Marne showed that: - High-frequency monitoring enables an analysis of the high temporal variation of biomass in the lake and the influence of different external forces on hydrodynamic behaviour; - Alternation and duration of mixing and stratification conditions and the complex hydrodynamic functioning of the lake could be represented by the three-dimensional model; -The three-dimensional model Delft-3D was useful in the analysis of the influence of lake hydrodynamics on phytoplankton concentrations and spatial heterogeneity; - The three-dimensional model can help to improve lake monitoring design, highlighting regions with different behaviour;- Mathematical modelling is a great tool to simulate different scenarios in cases where there are field data gaps;In the Brazilian lake, the three-dimensional hydrodynamic model Delft3D-Flow was calibrated and validated using high-frequency temperature measurements. The calibration period lasted 18 days, from 16 May to 03 June 2016, corresponding to 440 hourly data for each one of the four respectively depths: surface (0.5 m), 2.5 m, 5.5 m and bottom (9.5 m). The validation period lasted 11 days, from 03 June to 14 June 2016, corresponding to 273 hourly data also for each of the same four depths. A second validation period lasted 88 days, from 15 May to 10 August 2015, corresponding to 2107 hourly values for surface (0.5 m) depth was also simulated. The research carried out in Lake Pampulha showed:- The main sensitivity parameters to calibrate the thermal behaviour of the lake are the Wind factor and Dalton coefficient;- The influence and importance of lake morphology and wind intensity and direction in temperature stratification;- The impact of water inflow and its relation with the thermal conditions of the lake on the temperature behaviour at the bottom of the lake.This research shows that a calibrated three-dimensional hydrodynamic model and an ecological model using high-frequency monitoring are essential for understanding shallow lakes hydrodynamic and the temporal and spatial behaviour of phytoplankton and cyanobacteria. Therefore, these results are promising to help in assessing the distribution and resuspension of nutrients, sedimentation, and pollutants in lakes, and for understanding phytoplankton blooms more broadly.
[traduction automatique] L'objectif principal de cette thèse est de caractériser l'hydrodynamique des lacs urbains peu profonds afin de mieux comprendre son influence sur la variabilité spatiale et temporelle de la biomasse des cyanobactéries grâce à des mesures à haute fréquence et à une modélisation numérique tridimensionnelle. Pour atteindre cet objectif, deux sites expérimentaux ont été étudiés : Dans le lac français, un modèle hydrodynamique et écologique tridimensionnel a été calibré à l'aide de mesures à haute fréquence de la chlorophylle-a, de la température et de la vitesse de l'eau. Les températures de l'eau ont été mesurées à la surface (0,5 m), au milieu (1,5 m) et au fond (2,5 m). La chlorophylle-a a été mesurée à 1,5 m de profondeur. Les vitesses ont été mesurées à une profondeur allant de 0,45 m de la surface à 2,7 m au fond. Après l'étalonnage du modèle, celui-ci a été vérifié pour des scénarios avec différentes concentrations de nutriments. Les recherches menées dans le lac de Champs-sur-Marne ont montré que : - La surveillance à haute fréquence permet une analyse de la forte variation temporelle de la biomasse dans le lac et l'influence de différentes forces externes sur le comportement hydrodynamique;- L'alternance et la durée des conditions de mélange et de stratification et le fonctionnement hydrodynamique complexe du lac peuvent être représentés par le modèle tridimensionnel;- Le modèle tridimensionnel Delft-3D a été utile dans l'analyse de l'influence de l'hydrodynamique du lac sur les concentrations de phytoplancton et l'hétérogénéité spatiale ; - Dans le lac brésilien, le modèle hydrodynamique tridimensionnel Delft3D-Flow a été calibré et validé à l'aide de mesures de température à haute fréquence. La période d'étalonnage a duré 18 jours, du 16 mai au 3 juin 2016, correspondant à 440 données horaires pour chacune des quatre profondeurs respectives : surface (0,5 m), 2,5 m, 5,5 m et fond (9,5 m). La période de validation a duré 11 jours, du 3 juin au 14 juin 2016, correspondant à 273 données horaires également pour chacune des quatre mêmes profondeurs. Une deuxième période de validation a duré 88 jours, du 15 mai au 10 août 2015, correspondant à 2107 valeurs horaires pour la profondeur de surface (0,5 m) a également été simulée. La recherche effectuée dans le lac Pampulha a montré :- Les principaux paramètres de sensibilité pour calibrer le comportement thermique du lac sont le facteur vent et le coefficient de Dalton ;- L'influence et l'importance de la morphologie du lac et de l'intensité et de la direction du vent dans la stratification de la température ;- L'impact de l'afflux d'eau et sa relation avec les conditions thermiques du lac sur le comportement de la température au fond du lac. Cette recherche montre qu'un modèle hydrodynamique tridimensionnel calibré et un modèle écologique utilisant la surveillance à haute fréquence sont essentiels pour comprendre l'hydrodynamique des lacs peu profonds et le comportement temporel et spatial du phytoplancton et des cyanobactéries. Ces résultats sont donc prometteurs pour l'évaluation de la distribution et de la remise en suspension des nutriments, de la sédimentation et des polluants dans les lacs, ainsi que pour la compréhension des efflorescences de phytoplancton de manière plus générale.]Traduit avec www.DeepL.com/Translator
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Denis Fürstenau Plec. Influence of hydrodynamics on phytoplankton behaviour in lakes in urban areas through high-frequency measurements and three-dimensional numerical modelling. Application to Lake Champs-sur-Marne (France) and Lake Pampulha (Brazil). Environmental Engineering. Université Paris-Est; Universidade federal de Minas Gerais, 2020. English. ⟨NNT : 2020PESC1023⟩. ⟨tel-04107612⟩
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