Thèse : analyse des dynamiques transitoires des systèmes socio-écologiques sous différents niveaux de désirabilité

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Présentation INRAE

L’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) est un établissement public de recherche rassemblant une communauté de travail de 12 000 personnes, avec 272 unités de recherche, de service et expérimentales, implantées dans 18 centres sur toute la France.INRAE se positionne parmi les tout premiers leaders mondiaux en sciences agricoles et alimentaires, en sciences du végétal et de l’animal. Ses recherches visent à construire des solutions pour des agricultures multi-performantes, une alimentation de qualité et une gestion durable des ressources et des écosystèmes.


Environnement de travail, missions et activités

Vous serez accueilli.e au sein de l’UR LISC (Unité de Recherche Laboratoire d’Ingénierie pour les Systèmes Complexes). Les travaux de l’UR LISC portent des recherches sur i) la modélisation des systèmes dynamiques en transition et ii) l'élaboration de politiques d'action à partir de l'analyse de ces modèles. Les recherches qui y sont menées visent à étudier et à comprendre le fonctionnement des systèmes dynamiques et les propriétés émergentes résultantes.

Vous serez plus particulièrement en charge deréaliser une thèse sur le sujet décrit ci-dessous.

Contexte

Pour faire face aux enjeux du changement climatique, les territoires s’engagent dans des démarches prospectives qui visent à définir des objectifs souhaitables, ou des limites à ne pas franchir ou à atteindre pour maintenir la durabilité du territoire. Nombreux sont les composants d’un système «territoire» qui peuvent faire l’objet d’une telle démarche: un lac que l’on souhaite maintenir dans un état sain pour la baignade; un service public tel que le ramassage des ordures que l’on veut assurer quels que soit les évènements climatiques (inondations ou vents forts par exemple), ou encore des haies propices à la biodiversité, limitant l’érosion et les excès de température que l’on veut protéger face aux sécheresses et la pression foncière. Associés aux choix d’objectifs ou de limites, le choix d’actions visant à maintenir les systèmes territoriaux dans les états désirés sont réalisés par les décideurs et les parties prenantes.

Ces choix sont opérés sur la base des connaissances fournis par les experts de terrain, et/ou de modèles dynamiques à même d’informer sur les évolutions possibles du système. Les systèmes socio-écologiques (SES) territoriaux fonctionnent en effet de manière complexe et imprévisible, réduisant la capacité des décideurs à trouver des solutions pour les rendre durables ou les restaurer en cas de dommages. Leur évolution reste difficile à caractériser dans le temps face aux changements et aux perturbations. Les approches de modélisation des systèmes dynamiques développées par le LISC peuvent contribuer à améliorer la connaissance sur le comportement de tels systèmes complexes.

Les recherches du LISC visent en effet à éclairer les décideurs dans de telles démarches prospectives en développant des outils et des concepts mathématiques permettant de caractériser les états du système qui garantissent la conservation dans le temps des propriétés souhaitées (la baignade dans le lac, le maintien du service de ramassage des ordures ou encore des linéaires de haies). L’ensemble de ces états est appelé «ensemble de désirabilité». Outre la caractérisation de ces états, le LISC s’attache à caractériser:

* les transitions qui engendrent la sortie de, ou le retour dans, ces états désirables;
* les actions qui vont permettre au système de ne pas sortir de son ensemble de désirabilité.

Actuellement, le LISC se focalise sur un seul ensemble de désirabilité, à partir duquel il définit un noyau de viabilité (Aubin et al., 2011) : un ensemble d’états permettant de garder le système à l’intérieur de cette zone considérée comme désirable. La recherche développée dans le cadre de cette thèse vise à mieux intégrer les contraintes des décideurs en prenant en compte plusieurs ensembles de désirabilité qui peuvent correspondre par exemple:

* à différentes limites selon que le système fait face à un état de crise (sécheresse, tempête de vent, etc.) ou qu’il est en mode de fonctionnement ordinaire;
* à différents niveaux d’exigence sur la conservation des états désirables, notamment lorsque l’ensemble des limites formulées ne peut pas être respecté de façon temporaire ou définitive.

La recherche partira des résultats déjà acquis pour caractériser ces différents ensembles, les trajectoires de transitions entre ces ensembles, et les actions qui permettent de piloter le maintien dans ces ensembles ou des trajectoires de transitions particulières. Les décideurs pourront ainsi par exemple avoir à choisir entre: (1) une action très coûteuse permettant de rester dans un ensemble d’états assurant toutes les désirabilités souhaitées (i.e. respectant toutes les limites définies); ou (2) une ou des actions moins coûteuses pour lesquelles certaines limites ne sont temporairement pas respectées, que l’on dira correspondre à des niveaux de désirabilité moindre. Les résultats acquis dans un cadre théorique seront testés, avec le soutien d’un bureau d’étude, sur des cas d’étude réels: le lac d’Aydat, le service de collecte et traitement des biodéchets ménagers, les haies de la communauté de commune du Mond’Arverne.

Le travail de texte, le contexte scientifique et applicatif sont développés dans ce qui suit.

Problématique de recherche

Les transitions d’un système dynamique sont classiquement définies en physique comme le passage d’un état à un autre et peuvent être caractérisées par les propriétés de la dynamique du système (bassin d’attraction, valeurs propres, etc.). Cependant, l’analyse des transitions dans les systèmes socio-écologiques (SES) reste difficile car les outils classiques utilisés en physique ne peuvent pas être appliqués dans certains cas. Tout d’abord, dans le cas des modèles à base d’agents (ABM), l’analyse des transitions n’est possible que dans les cas où une approximation comme le champ moyen permet de réaliser l’analyse. En effet, traiter des modèles à haute dimension reste un défi pour évaluer la dynamique des transitions. De plus, la présence de points de bascule dans les modèles hybrides donne lieu à des trajectoires inattendues qui peuvent être difficiles à analyser en raison : 1/ des formalismes hybrides (ABM couplés à des EDO), 2/des interactions complexes au sein des SES, 3/de la présence d’instabilités (points de bascule).

La majorité des travaux issus de la littérature utilisent des approches d’optimisation. Cependant, certains SES peuvent être mal définis, avec de nombreuses incertitudes concernant leurs paramètres et leurs variables associées. Ainsi, au lieu d’optimiser un état, il paraît préférable de gérer les SES de façon à ce qu’il reste dans une gamme d’états désirables pour les parties prenantes du SES. C’est l’objectif de la théorie de la viabilité. Nos analyses se baseront donc sur des travaux récents issues de la théorie de la viabilité, dans lesquels différents ensembles de gestion, correspondant à des niveaux de désirabilité différents pour les parties prenantes du SES, sont définis en fonction des propriétés du SES contrôlé (autrement dit sur lesquels sont opérés des actions visant à le maintenir dans un état désirable). Une des originalités de l'approche menée par le LISC (Mathias et al., 2015; Deffuant & Gilbert, 2011) réside dans la définition de régimes à partir de la durabilité de différents niveaux de désirabilité et des ensembles d’états garantissant au système de rester dans un état désirable (encore appelé noyaux de viabilité). Des travaux antérieurs ont considéré un seul ensemble de désirabilité et au plus, deux niveaux de contrôle (l'un étant l'absence d'action). La principale contribution du sujet de thèse repose sur l'ajout de plusieurs niveaux de désirabilité ainsi que les algorithmes nécessaires à la résolution de ces nouveaux problèmes de contrôle. Afin de traiter ces questions, le LISC a déposé et obtenu un projet ANR PRME, dénommé MATRES. Le sujet de thèse s’inscrit dans cette dynamique collective.

L'objectif principal de cette thèse est de développer un cadre conceptuel et les outils numériques associés pour la gestion durable des transitions dans les systèmes socio-écologiques. La principale contribution est de caractériser les régimes dynamiques et leurs transitions dans les systèmes socio-écologiques en mobilisant une approche basée sur les ensembles, en s'inspirant des travaux issus de la théorie de la viabilité. Ces régimes seront caractérisés par l’introduction de différents niveaux de désirabilité exprimés par les parties prenantes du système socio-écologique. A l’aide d’ateliers participatifs avec les parties prenantes, le cadre méthodologique développé sera appliqué à trois cas d’étude : la gestion des biodéchets sur le territoire du Valtom, la gestion de la qualité de l’eau du lac d’Aydat, la gestion des haies de la communauté de communes Mond’Arverne. Il est à noter que ces ateliers participatifs seront menés dans le cadre du projet Matres et que l’étudiant.e en thèse recruté y sera associé.

Démarche et description de la thèse

Le sujet de thèse repose sur l'ajout de plusieurs ensembles de désirabilité et le développement d’algorithmes nécessaires à la résolution de ces nouveaux problèmes suivant la démarche suivante:

* La construction d’un cadre mathématique pour analyser les transitions de systèmes avec plusieurs niveaux de désirabilité: au lieu d’analyser ces transitions SES à partir d’une vue basée sur les états, nous analyserons les transitions en fonction d’une propriété d’intérêt, supposée être un sous-ensemble de l’espace d’état (voir l’exemple de la Figure 1). Cette approche s’inspire clairement de la vision de Holling (1973) qui définit la résilience écologique en fonction de la capacité à récupérer une propriété durable d’intérêt au lieu de récupérer l’état initial. Par conséquent, nous visons à développer un formalisme mathématique de cette approche basée sur les ensembles de la transition.
* Le développement d’algorithmes: cette partie sera consacré aux algorithmes de résolution des problèmes associés, dans les cas déterministes et stochastiques. Cette étape se basera essentiellement sur les algorithmes liés à la théorie du contrôle (théorie de la viabilité et théorie de la fiabilité) mais adaptés à la prise en compte de plusieurs ensembles de désirabilité.
* L’application des approches à différentes études de cas de complexité croissante: l’objectif est de développer une preuve de concept pour passer des concepts aux études de cas pour mettre en évidence la généricité de notre approche : gestion de l’eutrophisation du lac d’Aydat, gestion des biodéchets du territoire du Valtom, et la gestion des haies de la communauté de communes Mond’Arverne.

Encadrement :

* Ecole doctorale concernée: Sciences pour l’Ingénieur, Université Clermont-Auvergne
* Laboratoire d’accueil: INRAE, Laboratoire d’Ingénierie pour les Systèmes Complexes (LISC),
* Campus des Cézeaux, 63170 Aubière
* Localisations du. de la doctorant.e: INRAE, LISC, Campus des Cézeaux, 63170 Aubière
* Directeurs de thèse: Jean-Denis Mathias, Directeur de Recherche, LISC, INRAE, et Sylvie Huet, IR, LISC, INRAE

Bibliographie

Aubin, J. P., Bayen, A. M., & Saint-Pierre, P. (2011). Viability theory: new directions. Springer Science & Business Media.

Deffuant, G., & Gilbert, N. (Eds.). (2011). Viability and resilience of complex systems: concepts, methods and case studies from ecology and society. Springer Science & Business Media.

Holling, C. S. (1973, November). Resilience and stability of ecological systems.

Mathias, J. D., Bonté, B., Cordonnier, T., & de Morogues, F. (2015). Using the viability theory to assess the flexibility of forest managers under ecological intensification. Environmental management, 56, 1170-1183.

MATRES (2024). MATRES: vers une gestion durable les transitions des systèmes socio-écologiques. Projet de Recherche Mono-Equipe. ANR édition 2024.

Merci de nous transmettre:

* un CV et une lettre de motivation
* la liste officielle de tous les cours suivis pendant vos études avec vos notes
* un travail personnel (mémoire, article, projet…), dans lequel vous démontrez vos compétences rédactionnelles (et scientifiques)
* les noms et coordonnées de deux personnes référentes qui pourront être contactées ultérieurement dans la procédure de sélection


Formations et compétences recherchées

Master/Ingénieur (Bac+5)

Formation recommandée :diplôme d’ingénieur agronome, master 2 en modélisation/mathématiques appliquées

Connaissances souhaitées: modélisation mathématique, informatique

Expérience appréciée: modélisation, rédaction scientifique

Aptitudes recherchées: intérêt pour la recherche et la pluridisciplinarité, aptitudes à travailler de manière autonome et en équipe


Votre qualité de vie à INRAE

En rejoignant INRAE, vous bénéficiez(selon le type de contrat et sa durée) :

- jusqu'à30 jours de congés+ 15 RTTpar an (pour un temps plein) ;
- d'un soutienà la parentalité : CESUgarded'enfants, prestations pour les loisirs ;
- de dispositifs de développement des compétences: formation, conseilen orientation professionnelle ;
- d'un accompagnementsocial : conseil et écoute, aides et prêts sociaux ;
- de prestationsvacancesetloisirs :chèque-vacances,hébergements à tarif préférentiel ;
- d'activitéssportivesetculturelles ;
- d'unerestaurationcollective.

Le site des Cézeaux est desservi par la ligne de Tram A, il est également équipé de stationnements et de services dédiés à la pratique du vélo.


Modalités pour postuler

J'envoie mon CV et ma lettre de motivation

Les personnes accueillies à INRAE, établissement public de recherche, sont soumises aux dispositions du Code de la fonction publiquenotamment en ce qui concerne l’obligation de neutralité et le respect du principe de laïcité. A ce titre, dans l’exercice de leurs fonctions, qu’elles soient ou non au contact du public, elles ne doivent pas manifester leurs convictions, par leur comportement ou leur tenue, qu’elles soient religieuses, philosophiques ou politiques.> En savoir plus : site fonction publique.gouv.fr