Modélisation du comportement des saumons atlantiques juvéniles à l’approche d’un ouvrage de franchissement

Modeling Atlantic juvenile salmon behavior approaching downstream migration passage facility

• Auteur / Autrice : Noor Ben Jebria
• Direction : Hervé Capra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydroécologie
• Date : Soutenance le 23/06/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : RiverLy (Lyon ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Argillier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Capra, Étienne Rivot, Ana Silva, Sophie Bertrand, Sandrine Plénet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Étienne Rivot, Ana Silva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Saumon atlantique

Passes à poissons

Barrages -- Aspect environnemental

Écologie des cours d'eau

Mots clés libres

Dévalaison

Salmo salar

Comportement des poissons

Dynamique des fluides computationnelle

Solutions de franchissement des poissons

Modélisation bayésienne

Downstream migration

Salmo salar

Fish behavior

Computational fluid dynamics

Fish passage solutions

Bayesian modelling

Résumé

La fragmentation des écosystèmes est une menace majeure pour la biodiversité et l’un des principaux défis pour la conservation et la restauration des milieux aquatiques. Dans les écosystèmes aquatiques, les barrières longitudinales anthropologiques, telles que les barrages, sont en partie responsables du déclin des populations de poissons. L’impact est encore plus important sur les espèces diadromes dont le cycle de vie s’étend sur les écosystèmes marins et d’eau douce. L’un des moyens les plus courants pour rétablir la continuité des cours d’eau est la mise en place d’ouvrages de franchissement (FPS), avec une efficacité variable. Le développement d’un FPS efficace dépend de la compréhension de la réponse comportementale du poisson aux conditions hydrauliques qui peuvent les attirer ou les repousser. Si une grande attention a été accordée aux solutions de montaison, les connaissances restent encore insuffisantes, notamment pour la dévalaison. La plupart des études se sont concentrées sur les grandes structures de barrage ayant un débit élevé. Pourtant, moins d’études ont été menées sur les barrages avec de grands réservoirs et de faibles débits, malgré la prévalence de ces sites où les débits relativement calmes sont connus pour désorienter les poissons. Dans cette thèse, à partir des connaissances scientifiques et de nos résultats, nous proposons un nouvel outil numérique pour modéliser le comportement des saumons atlantiques juvéniles (smolts) lors de leur dévalaison au barrage de Poutès (Allier, France). Cet outil a pour but de fournir un nouveau cadre pour la conception des FPS. Nous développons d’abord un modèle tridimensionnel de dynamique des fluides (CFD) de la rete-nue en amont du barrage de Poutès pour mieux comprendre les conditions du champ d’écoulement affectant la dévalaison des smolts, où les conditions hydrauliques sont particulièrement faibles. A partir du modèle CFD et des données de télémétrie, nous analysons ensuite l’effet des conditions hydrauliques sur le comportement des smolts dans une grande retenue en amont du barrage. Les positions mesurées des smolts et les simulations CFD ont été utilisées pour caractériser le compor-tement de nage des smolts en utilisant leur force de poussée, l’orientation et la direction de nage. La force de poussée a été estimée en résolvant la deuxième loi de Newton. L’étude des déplacements des poissons en fonction des conditions hydrauliques a fourni de nouvelles informations sur l’utilisation de la force de poussée, de l’orientation et de la direction de la nage comme moyen de caractériser le comportement des smolts, ce qui peut aider à la conception de FPS pour la dévalaison. Nos résultats ont montré que malgré les très faibles intensités des conditions hydrauliques dans la retenue qui provoquent la désorientation des poissons, une vitesse du fluide minimale d’environ 20 cm/s dans le réservoir était nécessaire pour guider les smolts vers le FPS. Dans la dernière partie de la thèse, basée sur le modèle CFD et l’analyse du comportement des smolts, nous développons un modèle stochastique pour prédire leur déplacement à l’approche d’un exutoire de dévalaison en fonction des conditions hydrauliques. Nous proposons une approche bayésienne à espace d’état. La dynamique des smolts est connue pour être partiellement expliquée par leur état comportemental de nage (par exemple, passif, endurance, sprint). Pour modéliser l’état comportemental de la nage des smolts, nous avons utilisé un modèle de régression de Bézier avec l’intensité de la vitesse du fluide comme covariable. Les paramètres du processus de mouvement (vitesse du poisson et angles de rotation) sont définis de manière conditionnelle en fonction des états comportementaux et d’un modèle phy-sique. Le couplage du modèle CFD et d’un modèle de mouvement des smolts est un outil utile pour l’ingénierie écologique. Il augmentera l’attractivité des FPS en testant plusieurs configurations en amont des barrages.

Ecosystem fragmentation is a major threat to biodiversity and one of the main challenges for the conservation and restoration of aquatic environments. In aquatic ecosystems, human-induced longi-tudinal barriers, such as dams, are partly responsible for the decline in fish populations. The impact is even greater on diadromous species with life cycles spanning marine and freshwater ecosystems. One of the most common means of restoring the continuity of watercourses is fish passage solutions (FPS), with variable effectiveness. The development of effective fish passage depends on unders-tanding the behavioral response to hydraulic conditions that may attract or repel fishes. While much attention has been paid to upstream passage solutions, knowledge is still lacking, especially for downstream passage. Most studies have focused on large dam structures with high powerhouse discharge. Yet, less studies have been conducted on dams with large reservoirs and low powerhouse discharges, despite these sites’ higher prevalence for relatively quiescent flows known to disorient fish. In this thesis, based on scientific knowledge and our results, we propose a new numerical tool for modeling the behavior of juvenile Atlantic salmon (known as smolt) during their downstream migration upstream of the Poutès dam (Allier, France). This tool aims at providing a new framework for the design of FPS. We first develop a three-dimensional computational fluid dynamic (CFD) model of the reservoir upstream of Poutès dam to better understand the flow field conditions that affect smolts downstream migration, where hydraulic conditions are particularly very low. From CFD model and telemetry data, we then analyze the effect of hydraulic conditions on smolt behavior in a large reservoir upstream of the hydropower plant. Measured fish positions and CFD simulations were used to characterize smolt’s swimming behavior using fish thrust force, swimming orientation and direction. Thrust force was estimated by solving Newton’s second law. The study of fish displacements in relation to flow conditions provided new insights with the use of thrust force, swimming orientation and direction as means to characterize smolt behavior, which can help in the design of downstream migration passage facilities. Our results showed that despite very low hydraulic conditions intensities in the reservoir that cause fish disorientation, a minimal time-average flow velocity of about 20 cm/s in the reservoir was needed to guide smolts to the FPS. These results can be used to assess the impact of operational and/or structural modifications on fish attraction or dissuasion. In the last part of the thesis, based on the CFD model and smolt’s behavior analysis, we develop a stochastic model to predict smolt displacement approaching a bypass in relation to hydraulic conditions. We propose a Bayesian state-space approach. The dynamic of smolt is known to be partially explained by fish swimming behavior state (e.g. passive, endurance, burst). To model fish swimming behavioral state, we used a Bezier regression model with flow velocity intensity as covariates. The parameters of the movement process (fish speed and turning angles) are defined conditionally upon the behavioral states and a physical model. The coupling of CFD model and a smolt movement model is a useful tool for ecological engineering. It will increase the attractivity of FPS by testing several configurations upstream of dams.