Détermination des "bassins récepteurs" marins des principaux fleuves français de la façade Manche-Atlantique, et de leurs rôles respectifs dans l'eutrophisation phyto-planctonique des masses d'eau DCE et des sous-régions DCSMM. Phase 1 (2013) : Calcul de scénarios optimaux à partir des " bassins récepteurs". Phase 2 (2014) : Simulation de scénarios imposés et des scénarios optimaux

- This study (granted up to 50% by the French Office for Water and Aquatic Environments ONEMA) aimed at determining by modelling (hydrodynamical/biogeochemical ECOMARS3D model) the marine "receiving basins" of the main tributaries to the French waters of the English Channel and the Bay of Biscay. Knowing the respective part of each of these marine "receiving basins" in winter nutrient distribution, some optimal scenarios of nutrient loading reduction can be computed for nitrate or phosphate in order to bring back any marine water to the Good Ecological Status regarding eutrophication, at the best efficiency/cost ratio. - The study encompasses 45 watersheds (or clusters of neighboring watersheds) which have been retained because of their sizes and flow rates. For each of these 45 watersheds in the wider sense, the study has computed the 10 year statistical map of the corresponding so-called "receiving basin". The calculus has been done using a general 4km x 4km grid and 3 refined 1km x 1km grids covering the French coastal zone of this area. - At any point of the marine domain, the "receiving basins" allow the computation of the dilution of a conservative tracer. Winter concentrations of nitrate or phosphate can then be instantaneously computed on the Channel-Biscay continental shelf for various scenarios of nutrient loadings from the 45 rivers. If one can impose: 1/ the marine winter concentration not to be exceeded to keep a Good Ecological Status, 2/ a proxy for the cost of the unitary abatement of the nutrient concentration in each river, this linear dilution model can be coupled to a global optimisation method, in order to compute the set of concentrations in the 45 rivers which allows to obtain at the lowest price the best Ecological Status everywhere in the maritime domain under consideration. Two global optimisation techniques (linear Simplexe method and quadratic Beale's method) have been compared on various marine target areas : the marine WFD water masses considered separately or together, the 3 MSFD French sub-regions of the Channel-Biscay area, or the coastal strip laying between the seashore and the 50m isobath. Computations have been made using two successive nitrate and phosphate thresholds at sea, which are associated respectively to the WFD eutrophication Very Good Status and Good Status. This exercise has shown that focusing on a single small marine target area can sometimes prescribe a strong abatement of concentrations in the sole small neighboring rivers, but that dealing with a large marine target area points always to the biggest tributaries as being the main nutrient sources to be diminished, whereas small tributaries can be neglected. As it contains the whole big river plumes, the MSFD target requires stronger abatement of nitrate in some watersheds than the WFD target, which is limited to a thin, 1 nautical mile wide strip along the coasts. Whereas very few rivers (except the Seine river) require any abatement of their phosphate loadings, almost all the medium and large rivers require very strong abatements of their nitrate concentrations. The 7 main rivers (mean flow rate > 50 m3/s) should move from their actual 15 mg/L NO3 to 5 mg/L NO3, whereas the 38 minor rivers should go back from their actual 24 mg/L NO3 to 13 mg/L NO3. - As the most reliable descriptors of eutrophication impact are not the winter nutrient levels, but the spring-summer levels of chlorophyll and bottom dissolved oxygen, the ECOMARS3D model of the pelagic ecosystem has been used to simulate the real situation during the 2000-2010 decade and validated against a coastal data base. In order to assess the effects of loading reduction on some criteria of marine eutrophication, this reference simulation has then been compared to simulations using reduced river loadings: pristine loadings, globally optimal scenarios coming from the previous linear approach, academic modifications (-50%). The results are: - in eutrophicated areas, the chlorophyll 90th percentile begins to decrease significantly only in case of 50% reduction of loadings, or even more in the Bay of Biscay, in front of Loire and Vilaine estuaries. This mirrors the behavior of the main component of the phytoplankton, the diatoms. - the dinoflagellate annual maximum however seems to respond quickly to nitrogen loading decrease, and this is enhanced in case of coupled phosphate loading decrease. In case of 50% reduction, the dinoflagellates vanish in the bay of Seine, whereas on the continental shelf of Biscay, their decrease may reach 90% in case of severe reductions. - the oxygen 10th percentile is nearly insensitive to loading reductions: it may increase by 10% in case of the severe loading reductions.Cette étude financée à 50% par l'ONEMA avait pour but de déterminer par la modélisation (modèle hydrodynamique/biologique ECOMARS3D) le bassin récepteur marin des principaux bassins versants français de la façade Manche-Atlantique, puis d'utiliser la responsabilité respective de chacun de ces bassins récepteurs pour calculer un scénario globalement optimal de réduction différenciée fleuve par fleuve des apports en azote et phosphore, de façon à tenter de se rapprocher au meilleur rapport efficacité/coût du Bon Etat Ecologique général quant aux critères européens d'eutrophisation. - L’étude porte sur 45 bassins versants (ou regroupement de BV voisins) qui ont été retenus essentiellement en raison de leur taille et de leur débit. Pour chacun de ces 45 BV au sens large, l'étude calcule la carte statistique du "bassin récepteur" correspondant. Ce calcul a été fait sur la grille générale à 4km (rang 1) et sur la grille raffinée à 1km contenant l'exutoire du BV. - Ces "bassins récepteurs" permettant de calculer en tout point du domaine marin la dilution d'un traceur conservatif, les concentrations hivernales du nitrate et du phosphate sur le plateau Manche-Atlantique peuvent donc être cartographiées instantanément pour divers scénarios de concentration de ces deux nutriments dans les fleuves. Si l'on fixe: 1/ la concentration marine hivernale à ne pas dépasser pour garder un Bon Etat Ecologique, 2/ un coût pour l'abaissement d'une unité de concentration dans chacun des fleuves, on peut coupler ce modèle linéaire de dilution à une méthode d'optimisation globale qui fournit l'abaissement des concentrations des 45 fleuves permettant de se rapprocher au mieux du Bon Etat Ecologique dans tout le domaine marin choisi, et ce pour un coût minimal. Deux techniques d'optimisation globale (Simplexe linéaire et méthode quadratique de Beale) ont été comparées pour diverses zones-cibles marines : les masses d'eau marine DCE prises une par une ou globalement, les 3 sous-régions DCSMM de Manche-Atlantique prises séparément, la bande marine côtière comprise entre le rivage et l'isobathe 50m. Les calculs ont été faits en imposant successivement deux seuils de nitrate et phosphate en mer, qui permettraient aux zones-cibles marines de se trouver respectivement en Très Bon Etat ou en Bon Etat. Il en ressort que la fixation d'une petite zone-cible unique peut parfois requérir un abaissement fort des concentrations dans les seuls petits fleuves côtiers concernés, mais que dès que l'on étend la zone-cible, les grands fleuves redeviennent les principales sources de nutriments à diminuer, tandis qu'il ne devient plus nécessaire d'agir sur plusieurs petits côtiers, du moins si on ne considère que l'eutrophisation phytoplanctonique; les proliférations macroalgales très littorales (marées vertes), non traitées ici, requièrent au contraire l'abattement du nitrate dans ces petits fleuves côtiers. Contenant l'entièreté des panaches de dilution des fleuves, la cible DCSMM globale nécessite des abattements du nitrate plus poussés dans certains bassins versants que la cible DCE globale, qui se limite à une mince frange côtière. Alors que pour le phosphate, peu de fleuves (sauf la Seine) requièrent un abattement de leurs apports, les 7 fleuves principaux (débit moyen > 50 m3/s) requièrent un très fort abattement de leurs teneurs en nitrate (des 15 mg/L NO3 actuels, il faudrait les ramener à 5 mg/L NO3), tandis que les 38 fleuves mineurs devraient descendre des 24 mg/L NO3 actuels à 13 mg/L NO3. - Les descripteurs les plus pertinents des impacts de l'eutrophisation n'étant pas les nutriments hivernaux, mais bien ce en quoi ils se transforment partiellement et non-linéairement durant la période productive (chlorophylle, oxygène dissous), le modèle d'écosystème pélagique ECOMARS3D a été utilisé pour simuler la situation réelle de la décennie 2000-2010 et la valider sur des séries de mesures côtières. Puis le modèle a été utilisé pour simuler divers scénarios alternatifs d'apports fluviaux : scénarios globalement optimaux de l'étude linéaire précédente, ou modification simultanée sur tous les BV à un taux homogène (pristine, -50%), Ces scénarios montrent que : - en zone eutrophe, la valeur du percentile 90 de chlorophylle sur la période productive ne commence à baisser sensiblement (entre 30 et 40%) qu’à partir d’une diminution de 50% des apports en nitrate et phosphate en Manche-Est, voire même plus dans le Golfe de Gascogne (seulement à partir d’une réduction de 70% des apports en nitrate de la Loire et de la Vilaine). Ceci reflète la réponse de la composante majoritaire du phytoplancton : les diatomées. - par contre, le maximum annuel de dinoflagellés baisse très sensiblement dès 50 % de réduction des apports en NO3 et de façon encore plus marquée en cas de réduction simultanée des apports en phosphate. En baie de Seine, les concentrations simulées en dinoflagellés s'annulent quasiment dès 50% de réduction des apports en NO3. Dans la partie atlantique, l’abattement des concentrations varie entre 70 et 90% pour les scénarios les plus exigeants et entre 50 et 80% pour les scénarios moins sévères. - le percentile 10 des concentrations en oxygène dissous au fond ne réagit que très peu aux différents scénarios de réduction d'apports (augmentations entre 5% et 10 % selon l'intensité des réductions d'apports