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Journées de la Modélisation àIrstea
Clermont-Ferrand
2 et 3 juin 2015
Programme et résumés des présentations
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Mardi 02/06/2015
9h-9h45 : accueil café
9h45 – 10h : mot d’accueil – infos pratiques
10h – 11h : Conférence introductive - Jérôme Chave
Session Multi-échelle (11h – 12h30) Mod. F. Jabot
Amphi AgroParisTech
Session Dynamique de Populations (11h – 12h30) Mod. N. Dumoulin
Salle Chambon C0
Arnaud Chaumot - Croiser sensibilité toxicologique et sensibilité démographique pour évaluer les effets des contaminants chimiques sur les populations aquatiques.Bruno Bonté : Sugar-Scale: Growing artificial societies to study Multi-level Adaptation to Global Change and their Impact in Coastal AreasThéophile Lohier - Utilisation d'un modèle individu-centré pour la validation d'un modèle de dynamique stochastique de communautés de plantes prairiales
Patrick Lambert - Modélisation de la dynamique de population et de repositionnement de la grande alose sous l'effet des pressions anthropiques et du changement climatique
Tewfik Sari - Syntrophic relationship between microbial species in a chemostat
Niels Teichert – Modèle matriciel de dynamique de population de Sicyopterus lagocephalus
12h30-14h : repas buffet à la cafétéria
Session Stratégies, prédictions, prospective (14h-16h) Mod. S. HuetAmphi AgroParisTech
Session Spatial 1 (14h-16h) Mod. G. Deffuant
Salle Chambon C0
François Tilmant - Modélisation hydrologique distribuée sur le Rhône
Katrin Erdlenbruch : Dynamic managementof water transfer between two river basins - a differential game
Antoine Dolez - Etat de l'art des travaux en sciences humaines et sociales sur les modélisations et les scénarisations de la biodiversité - Le cas des modèles prédictifs
Karim Berthomé - Simuler les résultats des concertations environnementales
Frédéric Archaux - Inférer la résistance desstructures paysagères au déplacement des espèces à partir de marqueurs génétiques. Cas du Myrtil en paysage agricole.
Isabelle Maréchaux - Modéliser la régénération d'une forêt tropicale à l'aide d'un modèle physiologique, individu-centré et spatialement-explicite
Jocelyn Domange - Estimation des densités d’anguilles jaunes d’Europe (Anguilla anguilla) en France, basée sur leur diffusion dans les bassins versants : Modèle TABASCO (spaTialized Anguilla BASin COLonisation).
Laurent Bergès - Modélisation de la connectivité écologique fonctionnelle par les graphes paysagers : intérêts, limites et perspectives d'amélioration
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16h-16h30 : pause café
Session Statistiques 1 (16h30-18h00) Mod. I. Alvarez
Amphi AgroParisTech
Session Spatial 2 (16h30-18h30) Mod. JD Mathias
Salle Chambon C0
Jérémy Piffady - Influence des régimes thermiques et hydrologiques sur les communautés de poissons : un modèle à facteur latentGuillaume Lagarrigues - Calibration d'un modèle complexe en utilisant l'ABC : illustration avec un modèle de dynamique forestièreThierry Faure - Analyse de sensibilité et fiabilité en ACV
Lilly-Rose Lagadec - La méthode IRIP de cartographie du ruissellement intense pluvial– Présentation et évaluation
Denis Maréchal - La théorie des graphs et les modèles de distribution d'espèces au service de la cartographie prédictive des communautés végétales alpines.Samuel Westrelin - Premiers pas vers la modélisation de la dynamique spatiale de brochets adultes dans une retenue hydro-électrique.
Fabien Laroche - Compromis compétition-colonisation et séquences d'invasion dans des communautés spatialement structurées.
20h : dîner à Gergovie
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Mercredi 03/06/2015
Session Risques et modélisation (9h-10h30) Mod. S. Martin
Amphi AgroParisTech
Session Statistiques 2 (9h-10h30) Mod. N. Dumoulin
Salle Chambon C0
Jean-Luc Le Pennec : Menaces volcaniques et vulnérabilités sociétales : de l’analyse à l’adaptation.Antoine Brias : Application of the stochasticviability to the management of lake eutrophicationIsabelle Alvarez, Sophie Martin : Définitionde la robustesse dans la théorie de la viabilité
Hilaire Drouineau - Ajustement du modèle bayésien Gerem (Glass-eel Recruitment Estimation Model) et comparaison de trois plateformes de modélisation: OpenBugs, Jags et StanBjörn Reineking - When does model averaging improve predictions? Some insights from a simple 2-model setupFrédéric Gosselin – La « sampled posteriorp-value ».
10h30-11h : pause café
Session Risques et modélisation (11h-12h30) Mod. S. Martin
Amphi AgroParisTech
Session Processusphysiques/physiologiques (11h-12h30) Mod. T. Faure
Salle Chambon C0
Nicolas Eckert – Risk and decision in snow avalanche engineeringEric Maillé : Modélisation multi-critères des vulnérabilités anthropiques à l'incendie de forêt.Frédéric Zahm, S. Rousset – Mesures agroenvironnementales à enjeu « eau/pesticides » : évaluation environnementale et économique de l’impactde modification des pratiques agricoles par modélisation intégrée à partir de scénarios d’évolution.
12h30-12h45 : discussion sur la session
Isabelle Braud : Modélisation hydrologique intégrée des petits bassins périurbainsHadrien Delattre - Modélisation thermodynamique des écosystèmes microbiens de bioprocédésJordi Prats-Rodriguez - Incertitude des simulations hydrodynamiques au barrage deBimont
12h30-14h : repas buffet à la cafétéria
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Résumés des présentations
(par ordre alphabétique desorateurs)
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Isabelle Alvarez, Sophie Martin
Définition de la robustesse dans la théorie de la viabilité
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Frédéric Archaux
Inférer la résistance des structures paysagères au déplacement des espèces à partir de marqueurs génétiques. Cas du Myrtil en paysage agricole.
Anne Villemey, Frédéric Archaux
Irstea, Domaine des Barres, 45290 Nogent-sur-Vernisson
La trame verte et bleue vise à assurer à maintenir et restaurer un maillage écologique permettant les mouvements d'espèces au sein des paysages. Selon le niveau d’exigence écologique, le comportement et la capacité de dispersion des espèces, un même paysage sera très connecté ou le sera très peu. Des développements méthodologiques assez récentsissus de la théorie des graphes et des circuits (entre autres) permettent aujourd’hui de conduire des analyses sur la connectivité à l’échelle de régions entières. Cependant, ces outils nécessitent de disposer des cartographies d’habitat et de renseigner certains paramètres propres aux espèces, comme la capacité de dispersion et la facilité avec laquellel’espèce peut traverser les différentes structures paysagères (champs, routes, etc). Faute d’études idoines, ces valeurs sont souvent renseignées sans forte base empirique. Or le développement de la génétique du paysage permet aujourd’hui d’estimer ces paramètres à partir de données moléculaires.
Dans le cadre du projet de recherche Levana et de la thèse d’Anne Villemey, une telle approche a été développée sur un papillon commun des prairies dans 18 fenêtres paysagères de trois régions (Bourgogne, Aquitaine, Midi-Pyrénées). Une première approche d’optimisation de la résistivité des usages des sols aux déplacements du Myrtil n’a pas aboutie ; une seconde approche par modèle linéaire généralisé a cependant permis d’identifier les structures paysagères facilitant ou au contraire freinant le déplacement du papillon. Cette analyse a aussi révélé que le paysage permettait d’expliquer une très faible fraction de la similarité génétique entre individus.
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Laurent Bergès
Modélisation de la connectivité écologique fonctionnelle potentielle par les graphes paysagers : intérêts, limites et perspectives d'amélioration
Laurent Bergès, Catherine Avon
UR EMAX, Irstea, CS 40061
13182 Aix-en-Provence Cedex 5
Le maintien, voire la restauration de la connectivité écologique sont l'une des préoccupations majeures pour les politiques publiques d'aménagement du territoire et de conservation de la biodiversité en réponse à la perte et à la fragmentation des habitats naturels semi-naturels engendrées par l'augmentation des pressions anthropiques. La question centrale pour l'aménagementdu territoire est la suivante : où doit-on agir de manière efficace au niveau d'un territoire pour maintenirou restaurer un réseau écologique ?
Les différentes méthodes de modélisation de la connectivité au sein d'un réseau écologique permettent de procéder à une modélisation plus ou moins réaliste des processus (connectivité structurelle, potentielle, réelle), mais qui va de pair avec la quantité et la précision des données d'entrée, le temps de formalisation et la durée de calcul nécessaires.
Parmi ces méthodes, nous avons privilégié les graphes paysagers couplées à la modélisation des déplacements d'espèces par les chemins de moindre coût, car ils intègrent à la fois des indices d'habitat spatialement explicites et des données sur la dispersion des espèces, permettant l'étude de la connectivité potentielle. La vision adoptée est celle d'un réseau d'habitats pour une région donnée dont on cherche à mesurer la connectivité pour une espèce (ou un ensemble d'espèces), c'est-à-dire la quantité d'habitat atteignable par l'espèce. Les graphes paysagers offrent sans doute le meilleur compromis entre les données d'entrée des modèles et la qualité et la richesse de l'information fournie à la sortie.
Cependant, les graphes paysagers, comme d'autres méthodes (e.g. théorie du circuit) ont l'inconvénient d'être des modèles "déterministes". D'autres approches comme les modèles de populations spatialement explicites (SEPM) permettent d'étudier la dynamique de la population, mais nécessitent beaucoup de données de départ (taux de dispersion, taux de mortalité) et sont donc plus lourds en termes de modélisation.
Nous présentons ces deux approches en détaillant les intérêts et limites respectifs dans un objectif de planification territoriale à but de conservation de la biodiversité à différentes échelles spatiales. Même si peu de travaux ont comparé les deux approches, ils ont conclu qu'elles présentaient les mêmes performances et que la théorie des graphes apportait même dans certains cas des informations supplémentaires. Nous soulignons enfin les verrous qui limitent l'application pratique des outils de modélisation actuels, notamment nos faibles connaissances sur les capacités de dispersion des espèces.
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Karim Berthomé
Simuler les résultats des concertations environnementales
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Bruno Bonté
Sugar-Scale: Growing artificial societies to study Multi-level Adaptation to Global Change andtheir Impact in Coastal Areas
Preview of a presentation for (E)CCS 2015 conference - Authors: Bruno Bonté,Louisa Kistemaker, Géraldine Abrami, Olivier Barreteau, François Bousquet and J.Marty Anderies
Within the context of global change, Social Ecological Systems (SES) arecontinuously performing adaptations which may occur at various levels oforganisation. These adaptations are designed to reduce vulnerability to a givenchange, at a given place, at a given level of organisation. These adaptations mayoccur simultaneously, an adaptation can be the consequence of another adaptationand, in some cases, vulnerability can be transferred to another stake or anotherplace within the SES. Classical empirical studies are hardly possible in the real worldwhere we observe a single realisation. Consequently, we built an artificial society insilico, used as a virtual laboratory, in order to study these interdependent feedbackloops. Coastal areas and their relationship with close inland areas are taken asemblematic case studies.
We present the SugarScale model designed as an artificial society adapted fromEpstein and Axtell’s SugarScape model in order to identify transfers of vulnerabilityacross levels of organizations. SugarScale contains two types of complementaryresources (sugar and spice), one type of resource users (harvesters) organized inthree levels of organization (individuals, groups of individuals and states) and marketinstitutions regulating resources exchanges. Shocks and changes have beenimplemented, as well as adaptations strategies and vulnerability indicators for thethree levels of organization: wealth for individuals, mean wealth for group ofindividuals, and Gini index of wealth distribution for states.
Our ultimate aim is to test frameworks used to analyze robustness and institutionaldevelopment of SES. SugarScale is meant to be an open tool that could be furtherdeveloped by the SES community.
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Isabelle Braud
Modélisation hydrologique intégrée des petits bassins périurbains
I. Braud(1), F. Branger(1), S. Jankowfsky(1,2), P. Sanzana-Cuevas(1,3), M. Fuamba(1,4)
(1) Irstea, UR HHLY, Villeurbanne, France. [email protected]
(2) RMS, San Francisco Bay Area USA
(3) Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile
(4) Polytechnique Montréal, Montréal, Québec, Canada
Résumé
La concentration des populations dans les grands centres urbains induit un développement important en périphérie des grandes villes, dans des zones dites périurbaines. Nous étudions la compréhension du cycle hydrologique et l’impact de l’urbanisation et des modifications des paysages associées sur le régime hydrologique des rivières périurbaines. Pour cela, nous nous appuyons sur la modélisation hydrologique spatialisée qui doit prendre en compte les spécificités des milieux périurbains. Ces derniers sont fortement hétérogènes car s’y imbriquent des éléments de paysages ruraux et urbains, avec des degrés d’imperméabilisation variés, ainsi que des temps de réponse à la pluie contrastés : très rapides en milieu urbain, ces temps de réponse sont généralement plus lents en milieux rural, même si l’état d’humidification des bassins joue fortement sur ces derniers. Les chemins d’écoulement de l’eau sont aussi modifiés par les réseaux qui accompagnent l’urbanisation.
Afin de prendre en compte ces spécificités, et pour les bassins de quelques km2, une modélisation intégrée appelée PUMMA (PeriUrban Model for landscape Management, Jankowfsky et al., 2014) a été bâtie dans la plate-forme de modélisation LIQUID (Branger et al., 2010). Elle s’appuie sur un maillage de l’espace à l’échelle de la parcelle et le découpagede l’espace en unité de réponse hydrologique (HRU supposée homogène de la part des processus hydrologiques) pour les zones rurales (Flügel, 1995) et d’Eléments HydrologiquesUrbains (Rodriguez et al., 2008) pour les parcelles urbaines. Les lacs, bassins de rétention, les réseaux hydrographiques, de fossés et d’assainissement ainsi que les déversoirs d’orageconnectant réseaux d’assainissement unitaire et rivière sont aussi pris en compte. La détermination du maillage a nécessité le développement d’outils semi-automatiques (Sanzana-Cuevas et al., 2013). Chaque objet du paysage est modélisé par un module décrivant les processus physiques qui s’y déroulent avec des pas de temps variables respectant cette dynamique. La synchronisation des pas de temps est gérée automatiquement par la plate-forme LIQUID. Les différents objets ont connectés dans l’espace via des flux latéraux (ruissellement de surface ou sub-surface).
Nous présenterons les principes du modèle PUMMA ainsi que sa mise en œuvre sur deux petits bassins périurbains en périphérie lyonnaise : la Chaudanne et le Mercier où les résultats du modèle ont pu être confrontés à des observations de terrain. PUMMA est un modèle d'une grande complexité mais dont les concepts et les représentations se révèlent
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très justes. Les aspects logiciels liés à la plate-forme LIQUID, qui n'est plus maintenue depuis fin 2011, seront aussi évoqués.
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Antoine Brias
Application of the stochastic viability to the management of lake eutrophication
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Arnaud Chaumot
Croiser sensibilité toxicologique et sensibilité démographique pour évaluer les effets des contaminants chimiques sur les populations aquatiques.
A Chaumot, O Geffard
Laboratoire d’écotoxicologie, UR MALY, Irstea Lyon.
La protection et la restauration des milieux aquatiques imposent d’évaluer dans quellemesure le rejet de substances chimiques participe à la dégradation des écosystèmes. Enécotoxicologie, l’évaluation de la toxicité de ces substances se fait classiquement par lamesure de leurs effets sur des individus exposés au laboratoire, ou directement dans lesmilieux (mortalité, inhibition de croissance, baisse de la reproduction, perturbationsphysiologiques ou moléculaires). Néanmoins, cette évaluation des effets toxiques à l’échelledes individus reste insuffisante pour prédire les effets écologiques tant qu’ils ne sont pastraduits à l’échelle des populations en termes d’impact démographique. Les espècesprésentent des cycles de vie très diversifiés (longévité, taux de croissance, de reproduction…). Ces cycles de vie conditionnent les impacts démographiques d’une altération toxique dela survie, de la fécondité et/ou de la croissance des individus (notion de sensibilitédémographique). C’est pourquoi l’emploi de modèles de dynamique de population intégrantles effets individuels au sein du fonctionnement démographique se développe actuellementpour prédire les effets potentiels ou comprendre les effets observés au sein desécosystèmes. A partir d’études menées au laboratoire d’écotoxicologie sur des espècesprésentes dans nos milieux, nous illustrerons comment l’application de la modélisation desdynamiques de populations en écotoxicologie peut permettre d’identifier les processusdémographiques clefs au sein des différents cycles de vie des espèces animales, lesfenêtres temporelles critiques vis-à-vis de l’impact de l’exposition de ces espèces auxcontaminations environnementales. En croisant sensibilité toxicologique et sensibilitéécologique, notre équipe de recherche vise ainsi une meilleure compréhension des effetstoxiques dans les écosystèmes aquatiques et une avancée vers l’élaboration d’indicateursde la qualité chimique de l’environnement basés sur une évaluation au niveau despopulations.
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Jérôme Chave
The problem of pattern and scale in ecology: what have we learned
in 20 years?
Abstract
Over the past 20 years, major advances have clarified how ecological patterns informtheory, and how in turn theory informs applied ecology. Also, there has been an increased recognition that the problem of scale at which ecological processes should be considered is critical if we are to produce general predictions. Ecological dynamics is always stochastic at small scales, but variability is conditional on the scale of description. The radical changes in the scope and aims of ecology over the past decades reflect in part the need to address pressing societal issues of environmental change. Technological advances in molecular biology, global positioning, sensing instrumentation and computational power should not be overlooked as an explanation for these radical changes. However, I argue that conceptual unification across ecology, genetics, evolution and physiology has fostered even more fertile questions. We are moving away from the view that evolution is played in a fixed ecological theatre: the theatre is being rapidly and relentlessly redesigned by the players themselves. The maintenance of ecosystem functions depends on shifts in species assemblages and on cellular metabolism, not only on flows of energy and matter. These findings have far reaching implications for our understanding of how ecosystem function and biodiversity will withstand (or not) environmental changes in the 21st century.
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Hadrien Delattre
Titre: Modélisation thermodynamique des écosystèmes microbiens de bioprocédés
Certains bioprocédés, notamment ceux de traitement des eaux usées, mettent en
jeu des écosystèmes microbiens. Un modèle théorique faisant le lien entre les
conditions physicochimiques du milieu et la cinétique de croissance microbienne est
nécessaire pour comprendre et prédire les dynamiques interne à ces
communautés. Cette présentation expose un travail de modélisation allant dans
ce sens : la composition d'écosystèmes virtuels y est simulés selon des
hypothèses issues de la thermodynamique statistique.
Déterminer à quel point un tel modèle est conforme à la réalité procurera une
meilleure compréhension de la vie en tant que phénomène physique, et permettra
ainsi d'augmenter notre capacité à concevoir des bioprocédés à écosystèmes
complexes.
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Antoine Dolez
Etat de l’art des approches en sciences humaines et sociales sur les travaux
de modélisation
La communication a pour but de présenter une revue de littérature critique des
principaux travaux de sciences humaines et sociales qui ont pour objet la
modélisation, et plus particulièrement les modèles prédictifs en écologie. Les
pratiques de modélisation sont de plus en plus abondantes dans les sphères
scientifiques, économiques ou sociales. Ainsi, depuis une dizaine d’années, les
sciences humaines et sociales ont pris ces pratiques comme objet (notamment les
modèles climatiques) et ont permis de formaliser une série
d’enjeux épistémologiques et sociologiques : Quels rapports entretiennent les
modèles avec la notion de vérité ? Quels rapports entretiennent les modèles avec la
notion d’utilité ? Quels rapports entretiennent les modèles avec la prise de décision
et les exigences de gestion ? Afin de répondre à ces questions et d’essayer de
montrer ce que les sciences humaines et sociales peuvent apporter à la
compréhension des modèles, on mobilisera un corpus théorique entre sociologie des
sciences, sociologie politique et sociologie de l’environnement.
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Jocelyn Domange
Estimation des densités d’anguilles jaunes d’Europe (Anguilla anguilla) en France, basée surleur diffusion dans les bassins versants : Modèle TABASCO (spaTialized Anguilla BASinCOLonisation assessment model)Suite au déclin préoccupant de la population d’anguilles européennes (Anguilla anguilla), l’UnionEuropéenne a imposé la mise en place de mesures de gestion visant à réduire les sources demortalité anthropique, dont les obstacles à la migration. Dans ce contexte, nous avons développé unnouveau modèle nommé TABASCO (pour spaTialized Anguilla BASin COlonization assessment model),dont le but est d’estimer la distribution spatiale et les abondances d’anguilles jaunes dans unhabitathydrologique fragmenté (bassin versant) ainsi qu’à quantifier la mortalité induite par les obstacles etidentifier les principaux points de référence pour la gestion. Ce modèle est complémentaire dumodèle EDA (Eel Density Analysis), utilisé en 2012 dans le dernier rapport d’avancement du plan desauvegarde français. A l’instar d’EDA, TABASCO est calibré à partir de données de pêches électriquesacquises sur une grande superficie du territoire et peut être utilisé dans différents contextes puisqueles caractéristiques des obstacles y sont référencées. TABASCO doit être considéré comme unintermédiaire entre des approches purement statistiques et des modèles mécanistes. Sonimplémentation actuelle est basée sur la diffusion d’une distribution gaussienne rendant compted’une onde de diffusion à travers un graphe orienté. Ce graphe est la formalisation mathématique duréseau hydrographique théorique dans chaque bassin versant. Après une phase de calibration desdonnées dans un bassin versant de référence (Garonne/Dordogne), le modèle a été appliqué à laFrance métropolitaine dans son ensemble, et utilisé pour déterminer les points de gestion deréférence et comparer l’impact relatif de la mortalité à la dévalaison (à travers les turbinesnotamment) et la mortalité à la montaison (due à la prédation à l’aval immédiat des obstacles). Nousprésenterons les premiers résultats du modèle en termes de densités et de stock total d’anguillesjaunes, avec les intervalles de confiance associés.
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Hilaire Drouineau
Ajustement du modèle bayésien Gerem (Glass-eel Recruitment Estimation Model) et comparaison de trois plateformes de modélisation: OpenBugs, Jags et Stan
L’anguille européenne (Anguilla anguilla) connaît un important déclin depuis la fin des années 1970, poussant l’UICN à la classer en danger critique d’extinction et l’Europe a promulgué un Règlement imposant une baisse drastique de toutes les sources de mortalités anthropiques. L’anguille européenne, espèce catadrome, présente la particularité d’être constituée d’une seule population panmictique qui se reproduit en mer des Sargasses, puis passe sa phase de croissance dans les eaux continentales du Maroc à la Norvège. L’arrivée des jeunes civelles, qu’on appelle recrutement, est une donnée essentielle à la gestion, car indicateur de l’état du stocket indispensable pour évaluer l’impact des pressions anthropiques. Or, ce recrutement peut être considéré à trois échelles d’intérêt. Le recrutement à l’échelle européenne est cohérent avec l’échelle biologique. C’est un indicateur de l’état de santé de la population. L’échelle régionale est plus en cohérence avec l’échelle de la gestion. L’échelle du bassin versant est, elle, cohérente avec l’échelle des pressions anthropiques. Cette imbrication d’échelle spatiale nous a poussés à développer GEREM, un modèle hiérarchique bayésien, visant à quantifier le recrutement aux trois échelles. Au-delà de la présentation de GEREM, l’objet de cette présentation estde comparer trois outils classiques d’inférence bayésienne qui ont été testés pour ajuster le modèle. Parmi ceux-ci, OpenBUGS est l’outil le plus ancien et a grandement contribué à rendre accessible l’inférence bayésienne pour des non spécialistes. JAGS est un logiciel plus récent assez proche d’OpenBUGS et souvent considéré comme plus efficace. Enfin, STAN est le dernier né de ces outils et apparaît très prometteur. La comparaison brute des résultats démontre l’efficacité de JAGS en temps de simulation et en convergence des chaînes, toutefois l’expérience confirme également la performance de STAN, notamment pour des modèles à paramètres très corrélés pour lesquels les deux autres outils sont moins performants.
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Nicolas Eckert
Risk and decision in snow avalanche engineering
Nicolas Eckert ([email protected])
Irstea UR ETNA / Université Grenoble Alpes, 2 rue de la papeterie, St Martin d’Hères, France
Mountain communities are exposed to snow avalanches in winter. Hence, evaluating risk to extremeavalanches realistically is a crucial question for land use planning and the design of appropriatedefense structures in these areas. Standard engineering and legal procedures use return periods /levels as a basis for decision support. They are evaluated using methods of increasing refinement,including extreme value statistics and/or numerical modelling. Yet, they remain purely hazard-oriented,having the drawback to not considering elements at risk explicitly (buildings, people inside, etc.), andto neglect possible budgetary constraints. To overcome these, risk based modelling methods haveemerged recently. They combining hazard distribution and vulnerability relations (damagesusceptibility functions) for various elements at risk within a consistent framework based on decisiontheory. The aim of this talk is to give an overview of different key points and recent developments inthis field, including the evaluation of vulnerability relations for building and people inside them usingreliability methods, how these can be used for risk assessment in runout zones, and how optimaldesign approaches can be implemented for defense structures and more consistently solve the riskzoning issue. Illustrations are provided with case-studies from the French Alps.
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Katrin Erdlenbruch
Titre: Dynamic management of water transfer between two interconnected river basins - a differential game
Mots clés: individu-centré, économie
Résumé:
This paper analyzes the dynamic interaction between two regions with interconnected
river basins. Precipitation is higher in one river-basin while water productivity is higher
in the other. Water transfer increases productivity in the recipient basin, but may cause
environmental damage in the donor basin. The recipient faces a trade-obetween paying the price of the water transfer, or investing in alternative water supplies to achieve a higher
usable water capacity. We analyze the design of this transfer using a dynamic modeling
approach, which relies on non-cooperative game theory, and compare solutions with different
information structure (Nash open-loop, Nash feedback, Stackelberg) with the social
optimum. We first assume that the equilibrium between supply and demand determines the
optimal transfer price and amount. We show that, contrary to the static case, in a realistic
dynamic setting in which the recipient uses a feedback information structure the social
optimum will not emerge as the equilibrium solution. We then study different leadership
situations in the water market and observe that the transfer amount decreases towards a
long-run value lower than the transfer under perfect competition, which in turn lays below
the social optimum. In consequence, the water in the donor's river-basin river converges
to a better quality in the presence of market power. Finally, we numerically compare our
results to the Tagus-Segura water transfer described in Ballestero (2004). Welfare gains
are compared for the different scenarios. We show that in all dynamic settings, the longrun
transfer amount is lower than in Ballestero's static model. Further, we show that the
long-run price settles at a lower level than in Ballestero's model, but is still higher than the
average cost-based price determined by the Spanish government.
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Thierry Faure
Analyse de sensibilité et fiabilité en ACV
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Frédéric Gosselin
F. Gosselin. La « sampled posterior p-value »: un outil de choix pour critiquer les modèles statistiques paramétriques
Les modèles statistiques paramétriques occupent une place importante dans la panoplie de l’écologue. Ils permettent d’estimer les effets d’intérêt à estimer ou tester tout en modélisant diverses sources de nuisance probabilistes (bruit, dépendances , non linéarité…). La critiquedes hypothèses faites dans ces modèles est une des approches pour avoir plus de confiancedans la qualité du modèle ajusté. Je présente ici des « goodness-of-fit p-values » qui ont le double avantage de pouvoir critiquer des parties précises du modèle et d’avoir une distribution de référence (quand le modèle est bon) connue. J’illustre la mise en place de cette méthode sur des données de biodiversité.
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Lilly-rose Lagadec
La méthode IRIP de cartographie duruissellement intense pluvial – Présentation et
évaluation
Le ruissellement se définit par une lame d’eau en mouvement à la surface du sol.
Cette lame d’eau qui s’écoule par effet gravitaire, peut provoquer de l’érosion et
transporter des matériaux jusqu’à former des coulées de boue et des crues
soudaines. Ce phénomène reste difficile à prévoir du fait de son caractère local et
rapide et donc difficile à gérer au niveau des populations et des infrastructures. Il
n’existe pas de méthode de référence pour le cartographier de façon automatique à
l’échelle d’un pays. C’est pour répondre à cette problématique qu’IRSTEA a
développé la méthode IRIP (Indicateur de Ruissellement Intense Pluvial) de
cartographie du ruissellement (Dehotin et Breil, 2011). La sensibilité d’un territoire au
ruissellement est modélisée par croisement de couches géomatiques représentant
chacune un facteur de prédisposition au ruissellement (topographie, occupation du
sol, type de sol, etc). La méthode IRIP permet de créer trois cartes correspondant
aux trois étapes du ruissellement : la production, le transfert et l’accumulation ;
permettant ainsi d’adapter les techniques de gestion du risque en fonction de la
zone. Au vu du nombre restreint de données relatives à ce phénomène, l’évaluation
de la méthode IRIP nécessite des comparaisons avec des données alternatives qui
ne représentent pas directement le ruissellement. La méthode d’évaluation choisie
passe par l’extraction des intersections entre les réseaux routier et ferré et les zones
IRIP de transfert et d’accumulation à fortes sensibilités. Le taux de correspondance
entre cette extraction et les données de coupures de route et d’incidents SNCF est
ensuite étudié. La vulnérabilité est analysée pour les secteurs sans impact, par la
prise en compte des dispositifs hydrauliques et de la configuration géométrique des
infrastructures routières et ferroviaires. Cette méthode d’évaluation appliquée à la
région Haute-Normandie a montré de bons résultats qui ont été confirmés par les
connaissances des syndicats de bassins et des agents opérationnels de la SNCF.
Une analyse similaire est en cours sur le département du Gard (stage) et l’évaluation
de la méthode IRIP se poursuit à l’échelle nationale (thèse).
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Guillaume Lagarrigues
Calibration d'un modèle complexe en utilisant l'ABC : illustration avec un modèle de dynamique forestière
AbstractEcology makes an increasing use of complex simulation models. As more processes and model parameters are added, a comprehensive model calibration with process-level data becomes costly and predictions of such complex models are therefore often restricted to local applications. In this context, inverse modelling techniques enable to calibrate models with data of the same type than model outputs (thereafter called population data for the sake of clarity, although other data types can be used according to model outputs), which are usually simpler to collect and more readily available. This study aims at demonstrating how such data can be used to improve ecological models, by recalibrating the most influential parameters of a complex model in a Bayesian framework, and at providing general guidelines for potential users of this approach. We used the individual-based and spatially explicit forest dynamics simulation model Samsara2 as a case study. Considering the results of an initial calibration and of a sensitivity analysis as prerequisites, we assessed whether we could use approximate Bayesian computation (ABC) to recalibrate a subset of parameters on historical management data collected in forests with various ecological conditions. We propose guidelines to answer three questions that potentialusers of the approach will encounter: (1) How many and which parameters are we able to recalibrate accurately with such low-informative data? (2) How many ABC simulations are required to obtain a reasonable convergence of the parameter posterior estimates? (3) What is the variability of model predictions following the recalibration? In our case study, we found that two parameters by species could be recalibrated with forest management data and that a relatively low number of simulations (20,000) was sufficient. We finally pointed out that the variability of modelpredictions was largely due to model stochasticity, and much less to ABC recalibration and initial calibration uncertainties. Combining direct process-level calibration to ABC recalibration of the most influential parameters opens the door to interesting modelling improvements, such as the calibration of forest dynamics along environmental gradients. This general approach should thus help improve both accuracy and generality of model-based ecological predictions.
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Patrick Lambert
Modélisation de la dynamique de population et de repositionnement de la grande alose sous l'effet des pressions anthropiques et du changement climatique
Lambert P. (1), Rougier T. (1),Dumoulin N. (2),Drouineau H. (1),Niarfeix T. (1),Lassalle G. (1),Faure T. (2),Deffuant G. (2)
(1) Irstea-EABX Unité Ecosystèmes aquatiques et changements globaux. 50 av de Verdun 33612 Cestas Cedex
(2) Irstea-Lisc Laboratoire d’ingénierie pour les systèmes complexes 9 avenue Blaise Pascal CS220085 63178 Aubière
Contact : [email protected]
Résumé :
La grande alose (Alosa alosa) est un poisson migrateur qui se reproduit en eau douce dans les bassins versants de la côte est atlantique et grandit en mer pendant 5 ans. Son aire de répartition a connu une contraction en Europe au cours du XXème siècle. Sa population dans le bassin de la Garonne, bien documentée et pourtant abondante jusque-là, s’est effondrée au milieudes années 2000 conduisant à un moratoire de sa pêche en 2008.
Une première tentative de modélisation de la dynamique de la population de la Garonne avait été réalisée en 1999 sous forme d’une modèle matriciel à base de processus dans le but de synthétiser la connaissance disponible à l’époque et d’identifier les points restant à élucider. Plus récemment, ce modèle a été revisité en couplant une droite de remplacement (correspondant au processus de mortalité) et une relation stock-recrutement (correspondant à un processus de natalité). Cette nouvelle approche a permis de proposer des causes probables de l’effondrement de ce stock (surexploitation et effet dépensatoire) et de définir des points de référence biologiques qui ont été intégrés à un « tableau de bord » destiné à aider les gestionnaires dans leur prise de décision. Dans un avenir proche, il est envisagé de tester des hypothèses alternatives de fonctionnement de la population (couplage de deux relations stock-recrutement, mortalité massive au niveau des barrages).
A une autre échelle, en complément des modèles de distribution d’espèce corrélatifs, un modèle mécaniste, individu centré, spatialement explicite et stochastique a été développé pour simuler les changements dans l’aire de répartition de cette espèce sous l’effet du réchauffement climatique. Il s’appuie sur les mêmes représentations des processus de natalité et de mortalité que dans l’analyse de la population de la Garonne mais intègre un processus original de dispersion entre bassins versants incluant philopatrie (homing) et errance. Le modèle mécaniste est plus optimiste que le modèle empirique laissant penser d’une part que la grande alose dispose des capacités pour faire face aux contraintes du réchauffement climatique et d’autre part qu’il est nécessaire de tenir compte d’autres pressions anthropiques telles que des surpêches et des réductions de la capacité d’accueil des frayères suite à des pollutions ou des fragmentations de la continuité écologique pour rendre compte de son déclin. Actuellement, le modèle fait l’objet d’explorations pour identifier l’importance de la structuration/configuration spatiale desbassins versants dans la capacité de repositionnement au cours du siècle à venir. Il est également envisagé d’appliquer ce modèle à l’espèce d’alose américaine A. sapidissima de la côte ouest atlantique afin de comparer les écologies de ces deux espèces voisines.
A chaque étape de la modélisation, les difficultés de représentation des phénomènes biologiques, de développement informatique, d’exploration du modèle et de calibration sur des données limitées seront illustrées et discutées.
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Fabien Laroche
Compromis compétition-colonisation et séquences d'invasion dans des communautés spatialement structurées.
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Théophile Lohier
Utilisation d'un modèle individu-centré pour la validation d'un modèle de dynamique stochastique de communautés de plantes prairiales
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Eric Maillé
Auteurs : Liliant Pugnet, Eric Maillé
Titre : Modélisation multi-critères des vulnérabilités anthropiques à l'incendie de forêt.
Résumé :
La vulnérabilité est la composante du risque d’incendie de forêt la moins connue. Elleest généralement évaluée à dires d’experts. Plus objectivement elle peut être évaluée à posteriori en mesurant les dommages causés par un sinistre, si le déroulement de ce sinistre est connu de façon détaillée et mesurée. Nous proposonsun modèle d’évaluation de la vulnérabilité formulé par une analyse multicritères des dires d’experts. Ce modèle est validé en utilisant un modèle physique d’exposition. Ses entrées sont fournies par un modèle de propagation. La calibration se fonde sur une analyse des dommages engendrés par un sinistre réel. Les résultats valident l’approche de modélisation de la vulnérabilité à l’incendie de forêt par analyse multi-critères.
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Denis Maréchal
La théorie des graphs et les modèles de distribution d’espèces au service de la cartographie prédictive des communautés végétales des milieux ouverts alpins Application aux massifs cristallins de Belledonne et des Ecrins Denis Marechal a, Alexis Mikolajczak b, Marc Isenmann b, Thomas Sanz b, S. Luque a
a: Irstea, 2 rue de la Papeterie, BP 76, 38402 Saint Martin d’Hères, France. b CBNA, Conservatoire Botanique National Alpin, 148 rue Pasteur, 73000 Chambéry, France. Email: [email protected] Oral -Processus et patrons à travers les gradients Résumé A l’aide de variables environnementales représentant les principaux gradients écologiques ayant une influence potentielle sur la répartition des communautés végétales ainsi que de relevés botaniques du Conservatoire Botanique National Alpin (CBNA), des modèles de distribution d’espèces ont été élaborés dans le but d’établir une cartographie potentielle des principaux assemblages d’espèces végétales des milieux ouverts alpins. Ces assemblages, préalablement obtenus par une approche de la théorie des graphs et utilisant les relevés de végétation du CBNA, sont basés sur la co-occurrence des espèces sur les sites de relevés.L’objectif est de construire des communautés végétales par affinités écologiques et non par critères phytosociologiques, justifiant l’utilisation de variables écologiques pour la modélisation de la distribution de ces communautés. Suite à la construction de réseaux d’espèces co-occurrentes, 5 communautés végétales ont été sélectionnées à dire d’experts pour leur large répartition sur les massifs étudiés, leurs dissimilarités écologiques et leur cohérence phytosociologique. Basés sur la théorie de la niche écologique, des modèles de distribution d’espèces ont été utilisés pour déterminer les secteurs écologiquement adaptés à la présence et au développement de ces 5 communautés. Au total, 6 variables écologiques essentiellement dérivées du modèle numérique de terrain ont été utilisésdans les modèles, les espèces végétales alpines étant grandement influencées par la présence et la durée d’enneigement et par conséquent par la topographie et la radiation solaire. Sur les 8 modèles disponibles sur la plateforme BIOMOD (Thuiler et al., 2009) seuls les modèles GLMont montré des résultats satisfaisants avec des indices ROC supérieurs à 80%. Les cartographies produites montrent de bonnes corrélations avec les données de terrain et correspondent aux connaissances expertes du CBNA. De plus, les modélisations présentent peu de zones non modélisées, peu de confusion entre les communautés et met en avant des zones de transition entre plusieurs communautés réellement observées sur le terrain. L’approche suivie semble donc particulièrement prometteuse pour la cartographie des communautés végétales sur des terrains complexes et inaccessibles.
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Isabelle Maréchaux
Modéliser la régénération d'une forêt tropicale à l'aide d'un modèle physiologique, individu-centré et spatialement-explicite.
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Jérémy Piffady
Influence des régimes thermiques et hydrologiques sur les communautés de poissons : un modèle à facteur latent.J. PiffadyLe changement climatique s’est traduit par une rapide évolution des régimes thermiques, mais aussi hydrologiques ces dernières décennies. Il est important de comprendre comment ces changements influencent le fonctionnement des écosystèmes aquatiques. Un modèle hiérarchique est développé pour analyser la réponse de l’assemblage de juvéniles de cyprinidés du Haut-Rhône aux évolutions de ces deux régimes depuis 1980. Un facteur latent est introduit pour représenter les sources communes de variations tant des données environnementales que biologiques : il est conjointement une combinaison linéaire des variables de l’environnement enregistrant leurs variations, et une variable explicative d’une régression logistique dans un modèle multinomial expliquant les variations de proportions relatives des espèces de poissons échantillonnées. L’inférence est réalisée sous le paradigme bayésien à l’aide de méthodes MCMC.
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Jordi Prats-Rodriguez
Incertitudes des simulations hydrodynamiques du barrage de
Bimont
Les modèles hydrodynamiques sont très utiles en limnologie. Mais pour l’application pratiquedes résultats des simulations et pour réaliser des projections futures, il est essentield'évaluer les incertitudes des simulations. Dans cette communication, on évalue lecomportement du modèle hydrodynamique lacustre EOLE et les incertitudes des simulationsen fonction des valeurs des paramètres du modèle. L’analyse des incertitudes se base sur laméthode GLUE (Generalized Likelihood Uncertainty Estimation). Cette méthode consiste enla réalisation de simulations de Monte Carlo en faisant varier la valeur des paramètres. Onobtient alors la distribution a posteriori des paramètres et les rangs d’incertitude des résultatsdu modèle. Les résultats montrent que i) le modèle EOLE appliqué au barrage de Bimont estprincipalement sensible aux paramètres de forçage hydro-météorologique (i.e. facteur decorrection de la température de l’air, coefficient d’ombrage, facteur de correctionmultiplicative de la vitesse du vent, coefficient de frottement et température du tributaireartificiel) ; ii) la température de l’eau en surface et au fond et la température moyennepondérée par le volume sont simulées avec une incertitude limitée ; par contre, iii) laprofondeur de la couche de mélange et la date de fin de la période de stratification montrentune grande incertitude.
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Björn Reineking
When does model averaging improve predictions? Some insights from a simple 2-model setup
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Tewfik Sari
Title :Syntrophic relationship between microbial species in a chemostat.
Abstract : Microbial ‘food chains’ are present in anaerobic digestion where the different reaction steps can be seen as such: the waste products of the organismsat one reaction step are consumed by organisms at the next reaction step. We present a model of a two-tiered microbial `food chain' with feedback inhibition, which was recently presented as a reduced and simplified version of the anaerobic digestion model ADM1 of the International Water Association (IWA). It is known that in the absence of maintenance (or decay) the microbial `food chain' is stable. In a previous study, using a purely numerical approach and ADM1 consensus parameter values, it was shown that the model remains stable when decay terms are added. However, the authors could not prove in full generality that it remains true for other parameter values. We prove that introducing decay inthe model preserves stability whatever its parameters values are and for a wide range of kinetics.
Joint work with Jérôme Harmand (INRA, LBE, Narbonne)
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Nils Teichert
Modélisation de la dynamique des populations d’une espèce de poisson migrateur amphidrome de l’ile de La Réunion
Nils Teichert1-2, Marc Artzrouni3, Thierry Mara4
1) Irstea, UR EABX, 50 Avenue de Verdun, F 33612 Cestas Cedex, France
2) ARDA, ZI Les Sables – BP 16, 97427 Etang-Salé, La Réunion, France
3) Department of Mathematics (UMR CNRS 5142), University of Pau, France
4) Department of Physics (EA 4518), University of La Réunion, 97715 Saint-Denis, France
Résumé
Les poissons migrateurs amphidromes sont largement répandus dans les systèmesinsulaires tropicaux et subtropicaux. Les adultes vivent et se reproduisent en eau douce, puisles larves dévalent les cours d’eau jusqu’à la mer immédiatement après l’éclosion. Aprèsquelques mois passés dans le milieu marin, les individus retournent en rivière au stade depost-larves, puis s’installent définitivement en eau douce. Ce cycle de vie complexe les rendvulnérables à de nombreuses pressions d’origines naturelles et anthropiques. À la Réunion,Sicyopterus lagocephalus est l’espèce majoritaire des cours d’eau et fait l’objet d’une fortepression de pêche. L’accroissement des pressions d’origine anthropiques sur les milieuxd’eau douce (e.g. perte d’habitat, fragmentation des milieux, pollution, braconnage…)contribue également à fragiliser la stabilité des populations. L’objectif de cette étude est deproposer un modèle de dynamique des populations de Sicyopterus lagocephalus afind’évaluer l’influence des paramètres d’histoire de vie sur la persistance des populations. Unmodèle matriciel cyclique de Leslie structuré en quatre étapes a été développé afin derefléter la composante saisonnière de la reproduction et les différents sites colonisés durantle cycle de vie. Douze matrices de Leslie correspondant à chaque mois de l’année ont étéconstruites en spécifiant les paramètres de survie, de dispersion et de fécondité les plusvraisemblable. Bien que les projections du modèle soient en accord avec les connaissancesde l’écologie de l’espèce (patrons de recrutement et de reproduction), de larges incertitudesexistent sur un certain nombre de paramètres en raison de l’absence de donnéesbiologiques. Une analyse de sensibilité et d’incertitude a permis de mettre en évidence lesgroupes de paramètres qui influencent fortement les sorties du modèle et dont lacomposante biologique est méconnu. Ces résultats présentent un fort intérêt pour prioriserde futures études en concentrant les efforts de recherche sur les étapes du cycle de vieayant une forte influence sur la démographie des populations.
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François Tilmant
François TILMANT – Modélisation hydrologique distribuée du RhôneLe projet de modélisation hydrologique distribuée du Rhône (MDR) a pour objectif de déployer unmodèle distribué à base physique sur l'ensemble du bassin versant du Rhône (partie française et sipossible partie suisse), et d'y intégrer des modules liés à la gestion de l'eau, pour en faire un outil demodélisation utilisable et utilisé dans des exercices de prospective (étude d'impact du changementglobal incluant modification du climat et changement des pratiques liées à la gestion de l'eau). Lemodèle hydrologique choisi pour ce projet est le modèle hydrologique J2000, développé àl'Université de Jena en Allemagne (Krause, 2002 ; Krause et al., 2006 ; Krause et Hanisch, 2009), prisen main et adapté par l’Unité de Recherche HHLY (Irstea, centre Lyon-Villeurbanne). Il s'agit d'unmodèle spatialisé, qui permet de prendre en compte la diversité des conditions de climat,topographie, sol et occupation du sol de l'ensemble du bassin versant. Le modèle est capable desimuler l'ensemble des processus hydrologiques (pluie, neige, ruissellement de surface, infiltrationdans le sol, évapotranspiration, percolation vers la nappe, écoulements dans les cours d'eau), endivers points du bassin. Il présente l'avantage d'être bien adapté aux grandes échelles spatiales(bassins versant de près de 100 000 km²), et d'une structure modulaire qui permet un ajout facile denouvelles composantes. Trois grands usages de l'eau sur le bassin versant du Rhône serontreprésentés : les modifications des écoulements par les grands barrages hydro-électriques, lesprélèvements pour l'irrigation, et les prélèvements pour l'eau potable. Le modèle est actuellementvalidé pour la simulation en hydrologie naturelle, et les premières versions des modules d’usage del'eau sont en cours de test. La communication présentera les étapes et enjeux de la construction dumodèle, les résultats obtenus, et les perspectives d'utilisation de cet outil de modélisation.Krause, P., 2002. Quantifying the impact of land use changes on the water balance of largecatchments using the J2000 model, Physics and Chemistry of the Earth, 27, 663-673.Krause, P., et al., 2006, Multiscale investigations in a mesoscale catchment – hydrological modellingin the Gera catchment, Adv. Geosci., 9, 53–61.Krause, P., Hanisch, S., 2009. Simulation and analysis of the impact of projected climate change onthe spatially distributed waterbalance in Thuringia, Germany, Adv. Geosci., 21, 33–48.
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Samuel Westrelin
Modélisation de la dynamique spatiale d’une population debrochets dans une retenue hydro-électrique.
Samuel Westrelin, Nicolas Dumoulin, Ine Pauwels
Les déplacements (vitesse, distance parcourue, zone du lac fréquentée, étendue du domaine vital) d’une dizaine de Brochets adultes ainsi que leurs variations selon la phase de la journée (jour/nuit) et selon la saison ont été caractérisés sur la retenue hydro-électrique des Bariousses située en Corrèze grâce à un suivi des individus par télémétrie acoustique. L’intensité de leur fréquentation de la zone littorale ainsi que leurs préférences d’habitat (nature du substrat, type de végétation, présence d’abris … ) en zone littorale ont été évaluées.A partir d’un modèle individu-centré publié (Baetens et al, 2013) simulant explicitement les déplacements d’une population de Brochets dans une rivière à partir de leur attrait pour l’habitat de l’espace utilisé, de caractéristiques de leurs déplacements et de traits comportementaux (territorialité sauf en période de reproduction où les individus effectuent degrands déplacements à la recherche de sites favorables, durée de la période de reproduction), nous proposons de le coder au sein de la plateforme SimAqualife développée au LISC et de l’adapter à notre lac d’étude. Les différents paramètres nécessaires au modèleseront estimés à partir des données de télémétrie acquises. Une fois le modèle codé et validé, il sera intéressant de tester l’impact d’une modification du milieu, en l’occurrence la réhabilitation d’une frayère, sur l’utilisation de l’espace par cette espèce.Après cette première étape, qui constitue le sujet d’un stage de fin d’étude d’ingénieur débutant mi-mars 2015, nous envisageons de coupler ce modèle de dynamique spatiale à un modèle de dynamique de populations. Le but est d’obtenir des éléments objectifs d’impact d’une modification du milieu sur la population pouvant guider de futures restaurations des habitats littoraux par exemple.
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