Projet ANR MODECOL
Programme SYSCOM (Systèmes Complexes et Modélisation)
 



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Ce projet s’intègre dans un contexte où la mise en place de solutions rapides devient urgente pour compenser la dégradation de l’environnement occasionnée par l’homme. Un intérêt accru est observé pour les systèmes naturels dont on démontre désormais de manière flagrante les services écologiques associés tant au niveau de la dépollution des eaux et des sols que dans la régulation du réchauffement climatique. Les nouvelles réglementations environnementales incitent désormais à la création de nouveaux systèmes de ce type pour renforcer leur effet bénéfique sur l’environnement. Il s’agit cependant d’optimiser le design de ces nouveaux systèmes pour fournir le meilleur service écologique rendu. Le projet MODECOL vise à établir un modèle hybride réaliste permettant de modéliser un système herbacé (=prairie) par IBM relié par des boucles de rétroaction à une couche environnementale modélisée par EDP. Cette démarche vise constituer par la suite un laboratoire virtuel suffisamment réaliste pour tester des hypothèses écologiques au niveau de systèmes écologiques complexes.





La première étape de travail consistera à réaliser un modèle IBM pour représenter le système prairial considéré comme l’intéraction de populations végétales (IBM(prairie)). Un des aspects novateurs de ce projet est i. de prendre en compte la particularité de toute plante pérenne de croître par reproduction végétative: c'est-à-dire qu’un individu de plante simplifié le plus souvent par un point, est en réalité un réseau de tiges connectées entre elles par des structures permettant le transfert de ressources nutritives ou d’information de stress.





La prise en compte de cette colonisation de l’espace par le développement de réseaux est particulièrement originale. Les règles d’intéraction entre plantes feront appel à des aspects de théories des jeux. Enfin, l’établissement de la structure du modèle et sa validation fera appel à des expérimentations réalisées en conditions contrôlées et sur le terrain. Des techniques d’analyses d’image seront utilisées pour détecter les différents réseaux de plante entrelacés.

La deuxième étape du projet visera à coupler ce modèle IBM à un système d’EDP (Hybrid model) qui prendra en compte les variations spatio-temporelles de l’environnement (par ex une concentration en pesticides, en nitrate, etc.). Ce point met en jeux plusieurs réflexions liées 1. à la notion de couplage de modèles d’échelles de temps et d’espace différentes et 2. des aspects liés au rôle de l’échelle de perception de l’individu sur le déterminisme de sa croissance qui peuvent s’apparenter à l’écologie comportementale. La validation de ce modèle sera réalisée par des suivis in situ au niveau du site LTER de Pleine-Fougères.

La troisième étape du projet cherchera à établir un modèle aggrégé ayant pour but de servir de support à l’aide à la décision pour les gestionnaires. Basés dans un premier temps sur un système d’EDO, un système d’EDP calibré par les données issues de l’IBM sera réalisé. Une validation croisée avec les données issues de l’expérimentation sera également effectuée.

La quatrième étape visera à appliquer ce dernier modèle à une application concrète liée aux dernières directives agrienvironnementales de la PAC. L’une des mesures phares de cette directive est la mise en place de bandes enherbées en bords de champs cultivés pour contribuer à l’épuration de l’eau. Nous utiliserons donc cet outil pour préciser le design optimal des bandes enherbées dans ce but. Cette tache sera réalisée en confrontation avec un comité de pilotage constitué de représentant de la chambre d’agriculture, d’agriculteurs et de chercheurs. Cette démarche participative permettra une bonne adéquation de ce travail avec la réalité agricole.

Les trois premières taches nécessiteront i. des outils d’écologie numérique permettant la confrontation des données issues des simulations et des expérimentations. Ils viseront à identifier les patrons de distribution des individus, les corrélations entre ces patrons et les variations de l’environnement, la prise en compte de la notion d’échelles ; ii. des avancées récentes en calculs scientifiques permettant la réalisation de simulations à large échelle pour des coûts modestes en temps et en équipement. Nous utiliserons une approche originale de calcul distribué sur ordinateur par l’utilisation de la plateforme BOINC.

Ce projet présente ainsi une démarche entrant pleinement dans le cadre de l’appel d’offre SYSCOM, originale par de nombreux aspects mettant en jeu une collaboration étroite entre écologues et modélisateurs et donnant lieu à une application concrète en prise directe avec les gestionnaires. Ce projet propose également un modèle hybride assez flexible qui pourra être appliqué après modifications mineures à de nombreuses problématiques liées à des systèmes herbacés.