Soutenance de thèse de Xingcheng Yan

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

Devant un jury composé de :
M. Didier Jézéquel, Maître de conférences, Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), rapporteur
Mme Marie-Paule Bonnet, Directrice de recherche IRD, UMR Espace-DEV, Montpellier, rapporteur
M. Qiuwen Chen,  Professeur, Nanjing Hydraulic Research Institute (NHRI), examinateur
M. Pierre Anschutz, Professeur, Université de Bordeaux, examinateur
Mme Sophie Guillon, Maître de conférences Mines ParisTech, Fontainebleau, examinatrice
Mme Josette Garnier, Directrice de recherche CNRS, UMR 7619 Metis, Paris, directrice de thèse
M. Vincent Thieu, Maître de conférences Sorbonne Université,  UMR 7619 Metis, Paris, encadrant de thèse

Pour assister à la soutenance en présentiel, la salle de conférences de l'UFR TEB est située en Tour 46/56, 2ème étage, 4 place Jussieu, 75005 Paris.
Pour suivre la soutenance en distanciel, le lien est le suivant :https://zoom.us/j/91293122871?pwd=MHJTOWxSYmcvYlN4c1g5TWxBMHlYdz09
ID de la réunion : 912 9312 2871       -    code secret : hhZH8M
Merci à tout participant de couper son micro

Résumé : 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, PO3– 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 également que les états trophiques des réservoirs (via les apports en P) et les caractéristiques morphologiques (modification de la profondeur moyenne) affectent de manière significative l’efficacité de la rétention des NO3– et DSi, et donc la qualité de l'eau en aval.

Mots-clefs :  réservoirs, émissions de GES, rétentions des nutriments, processus biogéochimiques, modèle Barman, bassin de la Seine

Title: Greenhouse gas emissions and nutrient retentions in reservoirs of the Seine Basin: budget and modelling

Abstract:  The impacts of reservoirs on GHG (greenhouse gas, including CH4: methane, CO2: carbon dioxide, and N2O: nitrous oxide) emissions and the biogeochemical cycling of C (carbon) nutrients (including 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 riverine 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. Combining with the GranD database (global reservoir and dam database, v. 1.3), we estimated that the annual GHG emissions 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 in the numbers and surface areas of global reservoirs during the same period.
Focusing on the three main reservoirs of the Seine Basin, expected 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), different from CO2, with lowest concentrations in summer when photosynthesis was the highest. The three reservoirs were slight sources of GHG, with 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 average values of global reservoirs.
Based on the long–term (1998–2018) water quality data (from the Grands Lacs de Seine) and our field measurements (2019–2020), we found, using a mass–balance calculation, that the reservoirs retained 16–53%, 26–48%, 22–40%, and 36–76% of the inputs of DIN (dissolved inorganic nitrogen), PO43–(orthophosphates), DSi (dissolved silica), and SM (suspended matter), respectively. Hence, these reservoirs significantly change the riverine downstream water quality. They increase DOC (dissolved organic matter) and BDOC (biodegradable DOC) concentrations, while decrease the concentrations of DIN, PO43–, DSi, as well as the CO2 ones, during their emptying periods in late summer and autumn. A quantitative analysis suggested that the mixing effect of entering water (quantity and quality) and biogeochemical processes in these reservoirs are the two dominant factors affecting seasonally reservoir water quality changes, and thus impacting downstream water quality.
The application of the BarMan model satisfactorily simulates the changes in water quality variables (nutrients and CO2) and explicitly unravels C and nutrient (N, P, and Si) fates in these reservoirs. Results revealed that 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 (as P concentrations) and morphological characteristics (as mean depth) would significantly affect the retention efficiencies of NO3– and DSi, and thus affect their downstream water quality.

Keywords: reservoirs, GHG emissions, nutrient retentions, biogeochemical processes, BarMan model, Seine Basin