L'objectif de ce cours est de transmettre aux étudiants des connaissances minimales sur un grand nombre des processus physiques, chimiques et biologiques les plus influents dans l'environnement hydrique. Il est évident que tous les processus ne pourront pas être passés en revue dans ces 11 séances, mais nous pensons que le panel proposé permettra aux étudiants d'accéder à la compréhension des "modèles de transferts de pollution dans les eaux et les sols". La modélisation est de plus en plus utilisée aujourd'hui pour synthétiser les connaissances très pointues relatives à certains compartiments des écosystèmes ; elle permet également de vérifier si la somme des connaissances spécialisées permet  de reconstituer la globalité du système, orientant ainsi les recherches vers de nouveaux domaines ou les manques ont été démontrés. Or, le partage de ces connaissances par des spécialistes (que deviendront les étudiants de DEA) leur demande tout de même un minimum de connaissances quant au fonctionnement des modèles. L'objectif de ce cours est justement de le fournir. Nous aborderons donc deux points principaux aux travers de nombreux exemples physiques, chimiques et biologiques, à savoir :

• la mise en équation de phénomène physiques, chimiques et biologiques, et la relation entre phénomène et données expérimentales d'une part, et modélisation d'autre part.
• le fonctionnement (qu'est-ce qu'il y a dedans ?) et l'utilisation (qu'est-ce qu'on peut en faire ?) d'un modèle.

Cette année, le cours est découpé en deux parties, avec deux objectifs différents :

Objectif A : Illustrer le couplage de processus physiques, chimiques et biologiques lors du transport des éléments dans un système hydrologique. On illustrera l'importance de ces couplages au cours de cinq séances, centrées sur des milieux aquatiques et un certain nombre problèmes qui peuvent s'y poser. Ces cinq premières séances sont essentiellement constituées de description des systèmes, et on présentera également les méthodes utilisées pour collecter de l'information et leurs limitations. Ces séances portent sur :
 

Rivières,  le 20.09.1999,  par JMM	Le mélange des eaux en rivière : dispersion longitudinale, zones mortes, dispersion latérale et distance de mélange. Le transport des suspensions : la relation entre débit et concentration, la granulométrie, les vitesses de chute, la floculation. L'oxygénation de l'eau : échange avec l'atmosphère, dégradation des matières organiques, nitrification, consommation d'oxygène par les sédiments.
Sols,  le 27.09.1999,  par MR	Rôle des sols dans le cycle géochimique des éléments et importance des sols vis à vis des grands problèmes environnementaux
Lacs,  le 04.10.1999,  par BT, BV et AG	La physique des lacs : bilan thermique, stratification, ondes internes, pénétration des affluents. Le fonctionnement écologique : la production primaire et ses conséquences sur le devenir des matières nutritives, azote et phosphore, les successions d'espèces. La formation de calcite dans les lacs : la thermodynamique de la précipitation de la calcite, sa cinétique et ses interactions avec la biologie. Exposé par Nicolas Zervos, Cynthia Vandenbosch et Sophie Leguédois sur "Metabolic sensitivities of lacustrine ecosystems to anthropogenis forcing", par C.S. Reynolds, Aquatic Science, 1999, 183-205.
Bassins versants,  le 11.10.1999,  par MB et JMM	L'origine de l'azote dans les bassins versants, les quantités utilisées, les quantités exportées. La dynamique de l'azote dans les sols, les différents stocks et les temps de séjour. Le rôle réel ou potentiel des zones humides sur les transferts d'azote. Exposé par Julien Némery, Laetitia Laroche et Matthieu Sebilo sur "Input of fertilizer-derived labelled N in soil organic matter during a growing season of maize in the field", par M. Balabane et J. Balesdent, Soil Biol. Biochem., 24(2):89-96.
Micropolluants, sols et sédiments,  le 18.10.1999,  par PC et JMM	Spéciation des métaux dans les sols et sédiments. Réactions redox dans les sédiments. Niveaux de contamination en métaux. Les produits phytosanitaires, quantités appliquées, transferts et risques. Importance des échanges solide-liquide sur le transport des métaux et des polluants organiques. Exposé par Sam Azimi, Norbert Jallet, Vincent Rocher, Isabelle Hardi, Rodolphe Mulette et Alexandre Ludwig sur :  "Trace metal speciation in the Yamaska and St François rivers (Québec)" par A. Tessier, P.G.C. Campbell et M. Bisson, Can. J. Earth Sci., 1980, 17:90-105.  " Pitfalls of sequential extractions" par P.M.V. Nirel et F.M.M. Morel, 1990, Water Research, 24(8):1055-1056.  Comment on "Pitfalls of sequential extractions" par A. Tessier et P.G.C. Campbell, 1991,Water Research,  25(1):115-117.

Objectif B : Dans un deuxième temps, et en espérant avoir motivé les étudiants au cours des cinq premières séances, on abordera les questions de modélisation des différents processus et de leur couplage dans des modèles complexes. Au cours de cette deuxième partie, on décrira de quelle façon les processus identifiés au cours de la première partie sont modélisés. On examinera les simplifications qui sont apportées au système naturel pour le modéliser, et leurs conséquences. On montrera concrètement comment les différents processus peuvent être couplés dans différents modèles.
 

Modélisation du mouvement des fluides,  le 25.10.1999,  par JMM.	L'advection : comment écrire que "l'eau coule à la vitesse U ?", de une à trois dimensions, l'advection dans un écoulement permanent. La dispersion : les échelles moléculaire et turbulente de la diffusion, la dispersion à plus large échelle. La dispersion en rivière. La dispersion vue de l'intérieur des panaches. Les distribution de temps de séjour : quand cette information est-elle suffisante ou insuffisante ? Exposé par Naji Berri et Eric Crommer sur "Dispersion in rivers as related to storage zones" + discussion, par G.V. Stabol et C.F. Nordin, Journal of the Hydraulic Division, ASCE, 104 (HY5) : 695-707.
Spéciation physico-chimique,  le 08.11.1999,  par PC et JMM	D'où viennent les équations de base pour la spéciation chimique : quelques éléments de physique statistique. Les effets ioniques : des corrections physiques aux équations chimiques. Les échanges liquides-solides, l'adsorption et la précipitation Comment résoudre tout cela ? Exposé par Nuno Lobato, Anne-Laure Maquet, Séverine Goulette et Laetitia Citeaux sur "Cu speciation and cyanobacterial distribution in harbors subject to anthropogenic Cu inputs", par J.W. Moffett, L.E. Brand, P.L. Croot et K.A. Barbeau, Limnology and Oceanography, 1997, 42(5):789-799.
La croissance des organismes  le 22.11.1999,  par JMM	Croissance et prédation Facteurs limitant, mise en équation. D'autres modèles de croissance, stockage de réserves et quota cellulaires. Peut-on simplifier des modèles complexes ? Exposé par Soraya Gueracha, Raphael Gosset, Virginie Garinot et Assem Kanso sur "Zooplankton effects on vertical :, particulate flux : testable models and experimental results" par Orlando Sarnelle, Limnology and Oceanography, 1999, 44(2):357-370 et sur "Dynamic response of deep-sea sediments to seasonal variations : a model" par Karline Stoetaert, Peter M.J. Herman et Jack J. Middelburg, Limnology and Oceanography, 41(8):1651-1668.
Scéance tampon  le 29.11.1999,  par JMM	Scéance destinée à compléter certains sujets non-abordés au cours des scéances précédentes. Préparez également toutes les questions qui vous brûlent la langue.
Démonstration de modèles  le 06.12.1999,  par ....	Une liste indicative des modèles qui seront présentés :  MINEQL : le grand classique de la spéciation chimique. RAKHAM : modèle mono-dimensionnel vertical utilisé dans le lac du Bourget. SENEQUE et PROSE : deux structures de modèle (bassin versant et rivière) basées sur le même moteur. TELEMAC : Modèle hydraulique 2- ou 3-dimensionnel, couplage avec la qualité de l'eau.

Enfin, la dernière scéance est consacrée à l'examen.
 

Examen,  le 13.12.1999

Evaluation, du cours (30') selon la procédure en place à l'ENPC (un questionnaire à remplir) Examen : un article à lire suivi d'une série de questions à propos de l'article (2'30) : "The importance of siderophores in iron nutrition of heterotrophic marine bacteria", par Julie Granger et Neil M. Price, Limnology and Oceanography, 1999, 44(3):541-555.

Note : Ce plan est susceptible d'être modifié en fonction de l'avancement des cours et d'éventuelles indisponibilités. Il sera remis à jour régulièrement, pensez à le consulter pour connaître le sujet de la prochaine séance. Cependant, le contenu global du cours ne sera pas modifié, seuls d'éventuels décalages dans le temps par rapport au document ci-dessous sont envisagés.

Intervenants :
Jean-Marie Mouchel (CEREVE)
Michel Robert (INRA et Ministère de l'Environnement)
Philippe Cambier (INRA)
May Balabane (INRA)
Bruno Tassin (CEREVE)
Birgitte Vinçon (CEREVE)
Alexis Groleau (CEREVE)

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1. Cours Transport (poly : équations différentielles, advection, dispersion, rivière et estuaire ....)
2. Notions de bases sur les équations différentielles appliquées à la simulation des processus biogéochimiques (transparents)
3. Quelques éléments sur la difficulté d'appréhender la qualité de l'eau en rivière (petit poly)
4. Diffusion et dispersion en rivière, images de traçages (transparents)
5. "Temps de résidence et fonctions de transfert" (transparents)
6. "Turbulence" (transparents)
7. "De la physique aux équilibres chimiques (pour les -presque- nuls)" (poly)
8. "Quelques éléments sur les enzymes" (poly)
9. "Modélisation de la dégradation des matières organiques" (transparents)
10. "Eléments sur la photosynthèse et le phytoplancton" (transparents)
11. "Renouvellement des stocks d’azote organique des sols" (transparents, MB)
12. "Flux et transformations de l'azote" (transparents, JMM)
13. "Importance de la complexation des métaux" (transparents, JMM)
14. "Elements sur des processus RedOx" (transparents)
15. Correction de la composition et notes (promotion 98-99)