| Attributes | Values |
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| type
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| Thesis advisor
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| Author
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| alternative label
| - Modelling biophysics interactions between epilithic biofilm dynamics and local hydrodynamics
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| dc:subject
| - Biofilms
- Thèses et écrits académiques
- Hydrodynamique
- Dynamique temporelle
- Détachement
- Biofilm épilithique
- Composition algale et modélisation
- Hydrodynamique locale
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| preferred label
| - Modélisation des interactions biophysiques entre la dynamique du biofilm épilithique et l'hydrodynamique locale
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| Language
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| Subject
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| dc:title
| - Modélisation des interactions biophysiques entre la dynamique du biofilm épilithique et l'hydrodynamique locale
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| Degree granting institution
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| note
| - Les interactions entre l'hydrodynamique locale, la structure et la dynamique temporelle du biofilm épilithique ont été étudiées par analyse et modélisation de séries temporelles de biomasse et de la composition algale sur trois séries de données obtenues en canaux expérimentaux et in situ. Deux séries temporelles ont été obtenues dans des conditions contrôlées à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse: la première dans un canal à vitesse constante d'écoulement, et la second dans un canal à trois sections avec trois vitesses d'écoulement incluant un test d'arrachage du biofilm en fin d'expérience. La dernière série temporelle a été collectée sur un banc de galet de la Garonne (France) en amont de Toulouse durant la période de Septembre 2008 à Septembre 2009. Trois formulations décrivant le processus de détachement chronique du biofilm ont été confrontées à la première série de données. Ces trois formulations sont respectivement fonction du débit Q, de la vitesse de frottement u* et du nombre de Reynolds rugueux k+. Elles sont intégrées dans un modèle simple décrivant la dynamique de croissance du biofilm épilithique comme un équilibre entre une croissance phototrophique et une perte chronique dépendante de l'hydrodynamique. Les résultats d'application de ces trois formulations à la première série de données obtenues en canal, ont montré que la dynamique du biofilm épilithique est mieux reproduite en considérant comme variables externes de forçage du détachement chronique, des descripteurs de l'hydrodynamique locale et de la turbulence en proche parois que sont la vitesse de frottement (u*) et la rugosité turbulente (k+). Néanmoins l'utilisation de la rugosité turbulente donne le meilleur résultat car ce descripteur tient compte non seulement de l'effet de l'hydrodynamique mais aussi de l'évolution de la forme et des dimensions du substratum qui est fonction de l'épaisseur et de la structure du biofilm qui le colonise. L'analyse de la série temporelle obtenue dans le canal à trois vitesses d'écoulement a révélé que la structure du biofilm, sa composition algale et sa résistance au détachement catastrophique étaient fortement conditionnées par les caractéristiques hydrodynamiques locales subies pendant la période de croissance. Ceci met en évidence l'importance de la prise en compte du rôle de cette hydrodynamique locale dans la modélisation du processus de détachement catastrophique associé aux crues, et plus généralement, son rôle dans les différents processus régissant la dynamique temporelle du biofilm épilithique. En tenant compte des résultats obtenus dans les expérimentations et modélisations des interactions biofilm/écoulement dans les canaux expérimentaux précédemment décrites, une nouvelle approche est utilisée pour la modélisation de la série temporelle obtenue in situ. Cette approche tient compte de l'effet des interactions hydrodynamiques locales/structure et composition du biofilm sur sa dynamique temporelle et de la pression de broutage par les invertébrés aquatiques. Cette nouvelle approche permet ainsi de reproduire tous les cycles de croissance et de détachement du biofilm observés in situ en prenant en compte l'effet de la température, de l'intensité lumineuse, des différents processus de détachement (chronique, catastrophique et autogénique) ainsi que la perte par broutage. L'action par broutage direct semble être négligeable face à l'action indirecte des invertébrés liée à leurs déplacements qui déstructurent les couches algo-bactériennes et modifient les capacités d'accrochage du biofilm au substrat.
- Interactions between local hydrodynamics and epilithic biofilm structure and temporal dynamics have been investigated through analyses and modeling of temporal data of biomass, algal composition and local hydrodynamics evolution obtained in experimental channels and in situ. Two of the used temporal data were obtained in controlled conditions at the Institut de Mécanique des Fluids de Toulouse: the first one in a channel with constant flow velocity, and the second in a channel with three sections and three different flow velocities including a test of detachment of the epilithic biomass at the end of the experiment. The last temporal data was collected on a bench of pebble of the Garonne (France) upstream to Toulouse during period from September, 2008 till September, 2009. Three formulations of biomass chronic detachment that integrated successively the discharge Q, the friction velocity u* and the roughness Reynolds number k+=u* ks /v (v=water kinematic viscosity) as descriptors of flow conditions have been confronted to the first series of data. These formulations were integrated into a simple model describing the dynamics of growth of epilithic biomass as a balance between phototrophic growth and a chronic loss dependent on the hydrodynamics. The results of application of these three formulations to the first series of data showed that the dynamics of the epilithic biomass is better reproduced by considering as external variable of forcing the chronic detachment, the friction velocity (u*) and the turbulent roughness (k+) that are descriptors of local hydrodynamics and turbulence in the near bed region. Nevertheless the use of the turbulent roughness gives the best result because this descriptor takes into account not only the effect of the hydrodynamics but also the evolution of the shape and the dimensions of the substratum according to the thickness and the structure of the biofilm which colonizes it. The analysis of the temporal series obtained in the channel with three flow velocities revealed that the structure, the algal composition and its resistance in the catastrophic detachment of the epilithic biomass were strongly conditioned by the local hydrodynamics endured during the period of growth. This brings to light the importance and the role of this local hydrodynamics in modeling the catastrophic detachment process associated with the floods and more generally its role in the various processes governing the temporal dynamics of epilithic biomass. Considering the previously described results obtained in the experiments and the in the modeling of the biofilm / flow interactions in the experimental channels, a new approach was used for modeling the in situ temporal series. This approach takes into account the effect of the interactions between local hydrodynamics /structure and composition of the biofilm on its temporal dynamics and the grazing pressure of the aquatic invertebrates. This new approach allows reproducing all the growth and detachment cycles of epilithic biofilm observed in situ. This, by considering the effects of temperature, luminous intensity, various detachment processes (chronic, catastrophic and autogenic), as well as the loss by grazing pressure. This last one seems to be unimportant in front of the indirect action of the invertebrates related to their movements which disintegrate the alo-bacterial layers and modify their capacities of to hang on the substrata.
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