Numerical modeling of radiocesium transfer to marine pelagic food chains following the Fukushima Dai-ichi neclear power plant accident (Japanese Pacific coast)

Une forte contamination radioactive du milieu marin, notamment par le 137Cs, s'est produite dans le Pacifique nord-ouest suite à l'accident nucléaire de Fukushima Dai-ichi survenu le 11 mars 2011. Deux sources majeures ont été à l'origine de cette contamination, les retombées atmosphériques (sèches et humides) et les rejets liquides directement en mer. Cette radioactivité a été transférée aux organismes marins conduisant à la contamination de plusieurs espèces pélagiques et benthiques. Dans le cadre de l'étude des conséquences de cet accident sur le milieu marin, une première modélisation de la dispersion du 137Cs dans les eaux de la côte Pacifique du Japon a été réalisée par le groupe SIROCCO, permettant ainsi d'estimer l'évolution spatio-temporelle de la concentration de ce radionucléide dans l'eau et de déterminer son terme source, c'est-à-dire sa quantité globale rejetée en mer sous forme liquide. Ce travail de thèse s'inscrit dans la même démarche et vise, par une approche de modélisation, à étudier le transfert du 137Cs aux chaines trophiques pélagiques de la côte Est du Japon, composées par les populations planctoniques, les poissons planctonivores, et les poissons carnivores. Le couplage d'un modèle radioécologique, spécifiquement développé pour cette étude, à un modèle de l'écosystème composé d'un modèle NPZD (Nutrients-Phytoplankto-Zooplankton-Detritus) et d'un modèle de circulation régionale, s'est imposé comme la méthode la plus adaptée à l'étude de la contamination des populations planctoniques dans des conditions post-accidentelles. Les résultats de cette étude ont montré des niveaux de contamination assez élevés de ces populations notamment aux alentours de la centrale où les concentrations estimées sont environ 4 ordres de grandeur supérieures à celles observées avant l'accident. En dépit de ces concentrations élevées, le débit maximal de la dose absorbée reste largement au-dessous du débit de référence à partir duquel les effets sur les populations sont ressentis. Cette étude a aussi mis en évidence la prédominance de la voie trophique dans les processus d'accumulation du césium par ces espèces, ainsi que la présence d'une légère bioamplification chez les classes de taille de zooplancton. Le modèle radioécologique développé pour étudier la contamination des espèces nectoniques est structuré en taille. Chaque espèce est composé d'un ensemble de cohortes dont le nombre est fonction de la durée de vie de l'espèce et de sa fréquence de reproduction. Contrairement aux modèles classiques, le taux d'ingestion de la nourriture par l'organisme ainsi que son régime alimentaire ne sont pas constants dans le temps mais généralement variables en fonction de la taille de l'organisme. Dans cette approche le processus de prédation est considéré comme étant totalement opportuniste. Les résultats sont généralement satisfaisants et le modèle a été validé dans les conditions d'équilibre pré-accidentelles ainsi que dans les conditions post-accidentelles. L'importance de la prise en compte des mouvements migratoires de certaines espèces dans ce type de modèle a été mis en évidence notamment dans les conditions accidentelles caractérisées par une forte variabilité spatiale de la concentration du radionucléide dans la colonne d'eau. Les niveaux de contamination estimés pour les différentes espèces sont largement supérieurs à ceux observés avant l'accident, avec une tendance à l'augmentation lorsque la taille de l'individu augmente.Huge amounts of radionuclides, espicially 137Cs, were released to the coastal northwestern Pacific ocean after the Fukushima nuclear power plant accident, that occurred on 11 March 2011. The resultant radiocesium contamination was quickly transferred to marine biota resulting in elevated cesium levels in various organisms. Using a modelling approach, this work aims to study the 137Cs transfer to the marine pelagic food chains, from plankton populations to the large piscivorous fishes. Coupling the radioecological model, developed in this study, with an ecosystem model comprising an NPZD biogeochemical model and a regional ocean circulation model, is appeared to be the most adapted tool for modelling of plankton populations contamination in this accidental situation. The results of this study showed high contamination levels in the plankton populations, especially in the vincity of the power plant, where the maximal concentrations are estimated to be about 4 orders of magnitude higher than those observed before the accident. In spite of these high contamination levels, the maximum 137Cs absorbed dose rates for phyto- and zooplankton populations were estimated to be well below the 10 Gy/h benchmark value, from which a measurable effect on the marine biota can be observed. This study has also highlighted the predominance of the cesium uptake from food and the presence of biomagnification potential at this trophic level. The radioecological model developed to study the nektonic species contamination is based on the individual size. In this approach, each species is represented by a set of cohorts. The number of these cohorts is a function of the species life span and reproduction frequency. Unlike traditional approaches, the organism ingestion rate and diet composition considered in this modelling approach are not constant, but vary over the time according to the size of the organism. The model results are in general satisfactory, and the validation is carried out in both equilibrium and accidental situations. This study highlighted the importance of the organism migratory movements in the radioecological modelling espicially in the accident situations caracterized by a very high spatial variability of radionuclides concentrations in the seawater. The detailed caracteristics of 137Cs concentration dynamics in the different species are discussed. The contamination levels estimated for the different species are significantly higher than those observed before the accident, with a clear tendency to increase with individual size