Émissions de gaz à effet de serre et rétentions de nutriments dans les réservoirs du bassin de la Seine : bilan et modélisation

The impacts of reservoirs on greenhouse gas (GHG, including CH4: methane, CO2: carbon dioxide, and N2O: nitrous oxide) emissions and the biogeochemical cycling of nutrients (including C: carbon, N: nitrogen, P: phosphorus, and Si: silica) have received widespread attention. This work first estimates GHG emissions from global reservoirs and examines their long-term evolution, and then focuses on the main reservoirs in the Seine Basin to elucidate their contribution to GHG emissions and their impact on downstream nutrient and CO2 concentrations. Finally, the updated process-based Barman model was applied to these reservoirs to unravel the nutrient fates and CO2 dynamics in these reservoirs. At the global scale, the average fluxes of CH4, CO2, and N2O were 125.7 ± 21.2 mg C m-2 d-1, 415.7 ± 36.0 mg C m-2 d-1, and 0.28 ± 0.11 mg N m-2 d-1, respectively. Combing with the GranD database (global reservoir and dam database, v 1.3), we estimated that the annual GHG emission from global reservoirs amounted to 12.9 Tg CH4-C yr-1, 50.8 Tg CO2-C yr-1, and 0.04 Tg N2O-N yr-1. A high increase rate of GHG emissions occurred from 1950 to 1980, due to the rapid increases of the numbers and surface areas of global reservoirs at the same period. Focusing on the three main reservoirs of the Seine Basin, obvious seasonal patterns of CH4 and CO2 were observed, CH4 concentrations in these reservoirs were high in summer and autumn and low in winter and spring, and were significantly and positively correlated with water temperate and SDO (saturation of dissolved oxygen), which is in contrast to CO2. The three reservoirs were slight sources of GHG, with the average values of 6.6 mg CH4–C m–2 d–1, 132.7 mg CO2–C m–2 d–1, and 0.03 mg N2O–N m–2 d–1, which were lower than the average values of global reservoirs. Based on the long-term (1998-2018) water quality data and our field measurements (2019-2020), we found that the reservoirs significantly change their downstream water quality. They increase DOC (dissolved organic matter) and BDOC (biodegradable DOC) concentrations, while decrease the concentrations of DIN (dissolved inorganic nitrogen), PO43- (orthophosphate), DSi (dissolved silica), and CO2 during their emptying periods. The mass-balance calculation revealed that these reservoirs retained 16-53%, 26-48%, 22-40%, and 36-76% of the inputs of DIN, PO43-, DSi, and SM, respectively. Qualitative analysis suggested that the mixing effect of entering water (quantity and quality) and biogeochemical processes in these reservoirs are the two dominant factors affecting reservoir water quality changes, and thus resulting in the changes in downstream water quality. The application of the Barman model satisfactorily simulates the changes of water quality variables (nutrients and CO2) and explicitly unravels nutrient (C, N, P, and Si) fates in these reservoirs. The phytoplankton assimilation (for NO3-, PO43-, and DSi) and benthic denitrification (for NO3-) are the dominant processes in removing nutrients. The precipitation of CaCO3 and CO2 emission are responsible for the DIC removal in these reservoirs. The results of scenario analysis suggested that reservoir trophic states (P concentrations) and morphological characteristics (mean depth) would significantly affect the retention efficiencies of NO3- and DSi, and thus its biogeochemical functions to downstream reservoirs.L'impact des barrages–réservoirs sur les émissions de GES (gaz à effet de serre, CH4: méthane, CO2: dioxyde de carbone, et N2O: protoxyde d’azote) et sur les cycles biogéochimiques du C (carbone) et des nutriments (N: azote, P: phosphore, et Si: silice) a fait l'objet d'une attention croissante depuis plusieurs années. Après un premier travail d'estimation des émissions de GES par les réservoirs mondiaux, et l’examen de leur évolution à long terme, les travaux se concentrent sur les trois principaux réservoirs du bassin de la Seine, afin de déterminer leur contribution aux émissions de GES et leur impact sur les concentrations de CO2 et de nutriments, dans la Seine à leur aval. Enfin, une version actualisée du modèle biogéochimique BarMan est appliquée aux réservoirs du bassin de la Seine afin d’identifier et quantifier les principaux processus affectant le devenir des nutriments et la dynamique du CO2. À l'échelle mondiale, les flux moyens de CH4, CO2 et N2O s’élèvent respectivement à 125,7 ± 21,2 mg C m–2 d–1, 415,7 ± 36,0 mg C m–2 d–1 et 0,28 ± 0,11 mg N m–2 d–1. En s’appuyant sur un recensement mondial des barrages et réservoirs (base de données GranD v. 1.3), nous avons estimé que les émissions annuelles de GES des réservoirs mondiaux s’élèvent à 12,9 Tg CH4–C an–1, 50,8 Tg CO2–C an–1, et 0,04 Tg N2O–N an–1. L'accroissement de ces émissions entre 1950 et 1980, a suivi l'augmentation rapide du nombre et de la superficie des réservoirs mondiaux. Dans le bassin de la Seine, deux ans de campagnes de mesures ont permis de mettre en évidence des tendances saisonnières marquées pour le CH4 et le CO2 dans les trois principaux réservoirs. Les concentrations de CH4 dans ces réservoirs sont élevées en été–automne, faibles en hiver–printemps, et apparaissent significativement et positivement corrélées avec la température de l'eau et la saturation en oxygène dissous. Des tendances inverses ont été mises en évidence pour le CO2 avec des concentrations les plus basses en été, au maximum de l’activité photosynthétique. Au final, les trois réservoirs apparaissent comme des sources relativement faibles de GES, avec des valeurs moyennes de 6,6 mg CH4–C m–2 d–1, 132,7 mg CO2–C m–2 d–1 et 0,03 mg N2O–N m–2 d–1, assez largement inférieures aux valeurs moyennes des réservoirs mondiaux. Des chroniques longues d’observations des Grands Lacs de Seine (1998–2018) sur la qualité de l'eau ont été complétées par nos mesures sur le terrain (2019–2020). Le calcul des bilans entrées–sorties montre une rétention importante dans les réservoirs (16–53% pour le DIN: azote inorganique dissous, 26–48% pour les PO43–: orthophosphates, 22–40% pour la DSi: silice dissoute et 36–76% des MES: matières en suspension). Les réservoirs modifient ainsi considérablement la qualité des eaux réceptrices en aval. Tout en diminuant les concentrations de DIN, PO43– et DSi, ils augmentent les concentrations en COD (carbone organique dissous) et CODB (COD biodégradable), ainsi que celles du CO2 pendant leurs périodes de vidange, en fin d’été et en automne. Une analyse quantitative montre que les évolutions saisonnières de la qualité de l'eau des réservoirs sont déterminées tant par la dilution de l'eau entrante (quantité et qualité) que par les processus biogéochimiques dans ces réservoirs. Le modèle BarMan a permis de simuler de manière satisfaisante les variations saisonnières de la qualité de l’eau des trois réservoirs, pour les concentrations en nutriments et pour le CO2, et a par ailleurs permis de mieux caractériser le devenir du C et des nutriments (N, P et Si) dans les réservoirs de la Seine. L'assimilation des NO3–, PO43–, et DSi par le phytoplancton et la dénitrification benthique (pour NO3–) apparaissent comme les principaux processus gouvernant l'élimination des nutriments. La précipitation de CaCO3 (Carbonate de calcium) et l'émission de CO2 sont responsables de l'élimination du DIC dans les trois réservoirs. Des explorations par le modèle montrent [...