Coupling SEDI-MARS (or MUSTANG) and ECO-MARS (or BLOOM)

Introduction

• En zone côtière plus particulièrement, le sédiment joue un rôle important dans le stockage et le recyclage de la matière organique.
• Le module ECO-MARS utilisé seul est capable de gérer le sédiment de façon simplifiée grâce au module “benthos” (Benthos), mais l’ensemble des processus en jeu (dépôt, érosion, consolidation, mélange sable/vase, diffusion, bioturbation) ne peut être reproduit.
• Le couplage de ECOMARS avec SEDI-MARS (ou MUSTANG) (Module Sediment SEDI-MARS3D / MUSTANG) permet d’approcher ces différents processus et leurs interactions en simulant l’évolution des variables biogéochimiques dans la colonne d’eau et dans le sédiment, en parallèle avec l’évolution des vases et des sables et en y associant les différentes réactions dans les deux milieux (Processus biogéochimiques dans les sédiments (version till V11.4)).

• Différentes options sont possibles, permettant de coupler partiellement ou pas les deux modules (Différentes options de couplage ECOMARS+SEDIMARS (ou MUSTANG))

• dans les versions anciennes (jusqu’à V11.4), ce couplage est réalisé en utilisant conjointement les clés CPP key_biolo et key_sedim + key_sedim_mixsed (ou key_sedim_MUSTANG & key_MARS), avec toutes les clés CPP additionnelles qui les caractérisent (Choice of CPP keys before compilation ou Usage des clés CPP pour utiliser ECOMARS)

• dans les versions récentes (V11.6), ce couplage est réalisé en utilisant conjointement les clés CPP key_biolo & key_BLOOM_insed et key_sedim_MUSTANG & key_MARS), avec toutes les clés CPP additionnelles qui les caractérisent. La documentation de la nouvelle version BLOOM_insed n’est pas encore en ligne. Contact Martin Plus pour informations.

• Des paramètres additionnels pour ce couplage sont à informer (Pamarètres supplémentaires pour le couplage ECOMARS-SEDI-MARS)

Processus biogéochimiques dans les sédiments (version till V11.4)

Les processus biogéochimiques pris en compte dans les sédiments dépendent des variables et des processus pris en compte dans la colonne d’eau.

Actuellement, les processus pris en compte correspondent à ceux décrits sur la figure suivante

\(\frac{\partial (Cs_{NH4})}{\partial t}=+R_{MinerN}Cs_{Ndet} - R_{Nitrif}Cs_{NH4}\)

\(\frac{\partial (Cs_{NO3})}{\partial t}=+ R_{Nitrif}Cs_{NH4}\)

\(\frac{\partial (Cs_{SiOH})}{\partial t}=+ R_{DissolSi}Cs_{Sidet}\)

\(\frac{\partial (Cs_{PO4})}{\partial t}=+ R_{MinerP}Cs_{Pdet} - R_{adsP}Cs_{PO4}+R_{desP}Cs_{Pads}\)

\(\frac{\partial (Cs_{Pads})}{\partial t}=+ R_{adsP}Cs_{PO4}- R_{desP}Cs_{Pads}\)

\(\frac{\partial (Cs_{Ndiat})}{\partial t}= - R_{mort-diat}Cs_{Ndiat}\)

\(\frac{\partial (Cs_{Ndet})}{\partial t}=-R_{MinerN}Cs_{Ndet}+R_{mort-diat}Cs_{Ndiat} + Filtre_benth_total\)

\(\frac{\partial (Cs_{Sidet})}{\partial t}=-R_{DissolSi}Cs_{Sidet}+\frac{Si}{N}(phyto)R_{mort-diat}Cs_{Ndiat} + \frac{Si}{N}(phyto)T_{filtbenth}Cw_{Ndiat}\)

\(\frac{\partial (Cs_{Pdet})}{\partial t}=-R_{MinerP}Cs_{Pdet}+\frac{P}{N}(phyto)R_{mort-diat}Cs_{Ndiat} + \frac{P}{N}(phyto)T_{filtbenth}Cw_{Ndiat}\)

\(\frac{\partial (Cs_{O2D})}{\partial t}=-Ro_{MinerN}Cs_{Ndet}+ Ro_{Nitrif}Cs_{NH4}\)

avec Cs : concentration dans les sediments et Cw : concentration dans la colonne d’eau (au fond)

• Minéralisation de la matière organique R[Miner] et Dissolution de la silice detritique R[DissolSi]

  • Ces processus dépendent de la température et de la concentration en Oxygène (si celle ci est simulée) et des taux de minéralisation donnés pour le sédiment (Pamarètres supplémentaires pour le couplage ECOMARS-SEDI-MARS)
  • \(R_{MinerN}=F_{O2}* F_T * Rme_{sedN}\) et \(R_{MinerP}=F_{O2}* F_T * Rme_{sedP}\) et \(R_{DissolSi}=F_{O2}* F_T * Rde_{sedSi}\)
  • \(F_{O2}= 1\) si O2 non simulé ou \(F_{O2}= \frac{Cs_{O2}}{(Cs_{O2}+Kremin_{O2})}\) ou si O2<0.2 mg/L : \(F_{O2}= 0.\)
  • \(F_{T}= \exp(\alpha_T*Temp)\) avec \(\alpha_T\) : taux d’augmentation thermique des vitesses (paramètre p_T_effect ==> voir Paramètres dédiés aux applications ECO-MARS (parabiolo.txt))

• Mortalité des diatomées R[mort-diat]

  • Ce processus dépend de la température et du taux de mortalité des diatomées dans le sédiment (Pamarètres supplémentaires pour le couplage ECOMARS-SEDI-MARS)
  • \(R_{mort-diat}= F_T * R{sed_mortdiat}\)

• Adsorption-désorption du phosphore R[desP] et R[adsP]

  • Ce processus est exprimé de la même manière que dans l’eau (Adsorption - Désorption du phosphore )

• Nitrification R[Nitrif]

  • La nitrification n’est autorisée actuellement que si la concentration en oxygène est supérieure à 0.2 mg/L.
  • Le taux de nitrification est donné en paramètre (Pamarètres supplémentaires pour le couplage ECOMARS-SEDI-MARS)
  • \(R_{Nitrif}=F_T * Nitrif_{sed0}\)

• Filtrage benthique

  • Ce processus est le même que celui traité dans la colonne d’eau (Puits d’azote au fond), à savoir la pression de broutage ou la filtration de l’azote par le benthos.
  • Le phytoplancton dans la couche du fond de la colonne d’eau est brouté par les communautés benthiques. Puisque ces communautés ne sont pas simulées, un taux constant de broutage est posé, pouvant varier en fonction de la saison.
  • \(T_{filtbenth}=X_{filtbenthmax}\) constant
  • ou variation en fonction de la saison et de la concentration en particules en suspension au dessus du fond (si l_filtbenthsinusmes = .true.)
  • \(T_{filtbenth}=X_{filtbenthmax}*(1.+\sin(\frac{2.*\pi}{365*(J_{julien}-125)}))/2.* MAX[-0.0333 MES+1,0]\)

Différentes options de couplage ECOMARS+SEDIMARS (ou MUSTANG)

• Le couplage des deux modules ECO-MARS et SEDI-MARS(MUSTANG) peut être utilisé de deux façons :

• 1. COUPLAGE PARTIEL pour simuler uniquement les matières en suspension en tenant compte des cycles de dépôt et d’érosion dans le sediment.

  Les autres variables (sels nutritifs, matière organique vivante et détritique..) sont traitées de la même façon que si on ne tenait pas compte du sediment; elles ne sont pas suivies dans le sédiment

  Les transformations dans le sédiment et les échanges avec la colonne d’eau doivent être gérés par le module simplifié “benthos” si besoin.(Benthos)

  
  

  Cette application est possible avec les clés :

  key_sedim + key_sedim_mixsed + key_biolo + key_sedim_partial (+key_benthos)

  ou

  key_sedim_MUSTANG + key_MARS + key_biolo + key_sedim_partial (+key_benthos)

  
  

• 2. COUPLAGE TOTAL permettant de simuler les variables biogéochimiques particulaires et dissoutes dans la couche sedimentaire.

  Les processus actuellement simulés (V11.3) sont représentés plus haut (Processus biogéochimiques dans les sédiments (version till V11.4)).

  Ils sont susceptibles d’être adaptés et enrichis dans les années à venir. (BLOOM_insed in V11.6)

  
  

  Cette application est possible avec les clés :

  key_sedim + key_sedim_mixsed + key_biolo or key_sedim_MUSTANG + key_MARS + key_biolo

  
  

  Deux possibilités :

  • Soit toutes les variables biogéochimiques sont considérées comme étant des variables particulaires NON constitutives (comme lorsqu’il n’y a pas de couplage avec SEDI-MARS)

    Dans ce cas, leur unité de masse est exprimée dans le modèle par une unité spécifique (µmole N par exemple)

    Elles ne “constituent pas la masse de sédiment” et n’interviennent pas dans la porosité du sediment.

    Leurs types (dans le fichier variable.dat) sont soit NoCP, soit SORB, soit DISS (Definition of available type of substances)

    
    

  • Soit certaines variables particulaires (par exemple la matière organique detritique) sont considérées comme étant “constitutives” du sédiment

    En effet, la matière organique detritique peut avoir une vitesse de chute plus forte que n’importe quelle matière minerale “constitutive du sédiment”; un dépôt de matière non constitutive pourait alors avoir lieu dans une zone où il n’y a pas ou très peu de sédiment.

    Pour éviter cet artefact, il est possible de considérer une variable biogéochimique (telle que l’azote detritique par exemple) comme une variable particulaire constitutive.

    Mais l’unité de masse pour les variables “constitutives” doit être obligatoirement exprimée en kilogramme, et l’azote detritique est exprimé en mmole N.

    Les réactions biogéochimiques qui régissent l’évolution de la matière organique sont exprimaient dans une unité de masse homogène et les entrées du modèle également.

    Il est donc nécessaire de faire une conversion des unités de masse de la matière organique detritique entre les kilos et les mmole (kg quand il s’agit du transport, du dépôt/érosion et de la gestion du sédiment / mmole quand il s’agit de la biogéochimie)

    Or, le poids de la masse de matière organique, correspondant à une quantité de mmole d’azote dépend de l’origine de cette matière organique, de son degré de dégradation etc.. Le rapport kg-dw/mmoleN n’est pas constant.

    Il est supposé néanmoins constant actuellement pour les premiers tests de couplage. Sa valeur (Un=unit_modif_mudbio_N2dw) est notée dans le programme subreaddat.F90.

    
    

    Pour utiliser cette possiblité, la marche à suivre est la suivante :

    • Dans variable.dat : choisir “MUDB” comme type de variable pour la variable “detrital_nitrogen” (au lieu de NoCP). Le modèle prendra en compte cette variable comme une particule de vase de type “MUD”
    • Dans variable.dat : choisir “SORB” comme type de variable pour les variable “detrital_biogenic_silica” et “detrital_phosphorus” (au lieu de NoCP)
    • Dans variable.dat : adapter les lignes d’informations pour les variables “SORB” en choisissant “detrital_nitrogen” comme variable qui sert de substrat à la sorption.
    • Dans le programme et la subroutine subreaddat.F90 : verifier et choisir le rapport constant Un=unit_modif_mudbio_N2dw pour la variable “detrital_nitrogen”, de type MUDB.

    Ce rapport Un est actuellement donné égal à 12.e-4 [g-dw/µmoleN], en supposant :

    \(C_{mud-det}[kg_{dw}/m^3]=Un [kg_{dw}/mmoleN]* C_{N-det}[mmoleN/m^3]\)

    
    

    \(Un [kg_{dw}/mmoleN]=(\frac{C}{N})_{det}[mmoleC/mmoleN]*Uc[kg_{dw}/kg_C]/Mc[mmoleC/kg_C]\)

    
    

    \((\frac{C}{N})_{det}\approx 5 mmoleC/mmoleN\) (phyto frais)

    \(\frac{1}{Uc}\approx 0.05 kg_C/kg_{dw}\)

    \(Mc = 12.e-6 [mmoleC/kg_C]\)

    
    

    \(Un \approx 5/0.05*12.e-06 \approx 12.e-04 [kg/mmoleN]\)

Pamarètres supplémentaires pour le couplage ECOMARS-SEDI-MARS

• Les paramètres relatifs au module SEDI-MARS sont informés dans le fichier namelist parasedim.txt (namelist for sediment : parasedim.txt).

• Les parametres relatifs au module ECO-MARS sont informés dans le fichier namelist parabiolo.txt (Paramètres dédiés aux applications ECO-MARS (parabiolo.txt)).

• Dans le cas du couplage PARTIEL, avec la clé key_Pconstitonly_insed (avec ou sans la clé key_benthos), les paramètres sont les mêmes que ceux utilisés sans le couplage

  La namelist namsedbenthos introduit les paramètres utilisés avec la clé key_benthos (Paramètres dédiés aux applications ECO-MARS (parabiolo.txt))

+----------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
|  NAMELIST      |  nom du paramètre          | référence  |  signification - usage                                           |   unité                |
+----------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
| namsedbenthos  |  p_erodflux                | 0.00001    | Flux d'erosion pour tau=2*taucritique                            | kg.m-2.s-1             |
+----------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
| namsedbenthos  |  p_erodcrittau             | 1.0        | Tension critique d'erosion pour le sediment                      | N.m-2                  |
+----------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
| namsedbenthos  |  p_detzoo_wsed             | 0.00008    | Vitesse de chute moyenne du Detritique issu du zoo               | m.s-1                  |
+----------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
| namsedbenthos  |  p_detphy_wsed             | 0.00005    | Vitesse de chute moyenne du Detritique issu du phyto             | m.s-1                  |
+----------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
| namsedbenthos  |  p_erodvitcrit             | 0.2        | Vitesse critique d'erosion pour le sediment                      | m.s-1                  |
+----------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
|  namsedbenthos |  p_burial                  | 0.005      | Taux d'enfouissement utilise si key_benthos                      | jour -1                |
+----------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
| namsedbenthos  |  p_depovitcrit             | 0.3        | Vitesse critique de depot pour le sediment                       | m.s-1                  |
|                |                            |            | OU selon formule utilisée en dur dans la subroutine benthos      | m2.s-2                 |
|                |                            |            |       vitesse critique au carre                                  | m2.s-2                 |
+----------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+

• Dans le cas du couplage TOTAL, (sans la clé key_benthos), des paramètres supplémentaires sont requis :

  La namelist namsediment introduit les taux de mineralisation, de mortalité dans les sédments (Paramètres dédiés aux applications ECO-MARS (parabiolo.txt))

  +--------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
  |  NAMELIST    |  nom du paramètre          | référence  |  signification - usage                                           |   unité                |
  +--------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
  | namsediment  |  p_diat_mort_sed           | 0.05       | Taux max de mortalite des Diatomees dans le sediment             | jour -1                |
  +--------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
  | namsediment  |  p_Nbent_remin             | 0.002      | Taux remineralisation de N benthique a 0°C                       | jour-1                 |
  +--------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
  | namsediment  |  p_Pbent_remin             | 0.0015     | Taux remineralisation de P benthique a 0°C                       | jour-1                 |
  +--------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
  | namsediment  |  p_Sibent_dissol           | 0.001      | Taux redissolution de Si benthique a 0°C                         | jour-1                 |
  +--------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
  | namsediment  |  p_detzoo_wsed             | 0.00008    | Vitesse de chute moyenne du Detritique issu du zoo               | m.s-1                  |
  +--------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
  | namsediment  |  p_detphy_wsed             | 0.00005    | Vitesse de chute moyenne du Detritique issu du phyto             | m.s-1                  |
  +--------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+
  | namsediment  |  p_nitrifsed               | 0.02       | Taux nitrification dans le sediment a 0°C                        | jour-1                 |
  +--------------+----------------------------+------------+------------------------------------------------------------------+------------------------+