Modeling nutrient fluxes (N, P, Si) in the Seine, Somme and Scheldt rivers basins: impact on the eutrophication of the Eastern Channel and Southern Bight of the North Sea
Modélisation spatialisée des flux de nutriments (N, P, Si) des bassins de la Seine, de la Somme et de l'Escaut : impact sur l'eutrophisation de la Manche et de la Mer du Nord
Résumé
The productivity of coastal ecosystems is linked to river nutrient sources, in particular nitrogen (N), phosphorous (P) and Silica (Si), three elements essential for their functioning. However, nutrient loading and their imbalance can result in the eutrophication of costal marine areas. In the continental coastal zone of the Channel and Southern Bight of the North Sea, enriched water inflows from the Seine, Somme and Scheldt rivers contribute to the massive development of harmful algae species. The adjacent and contrasted watersheds of these three rivers differ by their morphology, hydrology and anthropogenic activities, and offer a textbook example for in-depth analysis of nutrient fluxes in river basins and their impact at the coastal zone. This PhD thesis aimed to implement, at the scale of the 100,000 km² watershed drained by the aquatic continuum of the three rivers, a determinist modeling approach describing all basic processes involved in the transport, the retention and the transformation of nutrient (N, P, Si). The Seneque-Riverstrahler model implemented for that purpose, has been first validated for the recent period (1996-2001) and then used to establish a detailed budget of nutrient transfers. This latter was required to quantify the fluxes of nitrogen and phosphorus delivered in excess over silica at the French and Belgian coastal zone. Several mitigation measures have been designed and tested, including operational management options requested by the European Water Framework Directive (Eu-WFD) as well as long term scenarios of nutrient reduction. Assessment of these scenarios explores the ability to balance riverine exports with respect to the Redfield ratios, to improve nitrogen and phosphorous contamination within the drainage networks, and to limit the opening of biogeochemical cycles that has prevailed for more than 30 years. These results have been coupled with a marine model describing the ecological functioning coastal ecosystem, in the framework of an integrated “river – ocean” approach. The impact of the different watershed scenarios is thus finally expressed in terms of algal development at the costal zone.
Les apports fluviaux en éléments nutritifs comme l'azote (N) le phosphore (P) et la Silice (Si) sont indispensables au fonctionnement des écosystèmes côtiers et en conditionnent la productivité. Cependant, l'intensité et le déséquilibre des flux de nutriments peuvent conduire à l'eutrophisation de ces zones de transition marines. En Manche – Mer du Nord cet enrichissement excessif se caractérise par des blooms phytoplanctoniques qui apparaissent sous l'influence des apports de la Seine, de la Somme et de l'Escaut. Ces trois hydrosystèmes, qui diffèrent largement par leur morphologie, leurs débits mais également les pressions anthropiques qui s'y exercent, offrent un cas d'étude exemplaire pour analyser les flux d'éléments nutritifs dans les bassins versants et leurs impacts à la zone côtière. L'objectif de cette thèse a été d'implémenter, pour ce continuum aquatique drainant plus de 100 000 km2 de surface continentale, une modélisation déterministe du fonctionnement des hydrosystèmes, s'attachant à décrire l'ensemble des processus microscopiques impliqués dans le transport, la rétention et la transformation des éléments N, P et Si. Validé sur la période récente (1996-2001), le modèle Sénèque-Riverstrahler a permis un calcul détaillé des transferts de nutriments, nécessaire pour quantifier le déséquilibre des flux d'azote et de phosphore exportés à la zone côtière franco-belge, par rapport à la silice. Différents scenarios, incluant des mesures de gestion concrètes, du type de celles préconisées par la directive Cadre Européenne sur l'eau (DCE), mais également des prospectives plus théoriques sur long terme, ont été élaborées et simulées. L'évaluation de ces scénarios porte sur la possibilité de rééquilibrer les apports fluviaux, en se basant sur les rapports de Redfield, de limiter la contamination azotée et phosphatée dans les réseaux hydrographiques et de réduire l'ouverture des cycles biogéochimiques qui a prévalu depuis plus de 30 ans. Dans le cadre d'une approche intégrée ‘rivière – zone côtière', ces résultats ont été couplés avec un modèle du fonctionnement des écosystèmes marins côtiers, permettant ainsi de traduire l'impact des mesures implémentées à l'échelle des bassins versants, en terme de développement algal atteint dans la zone côtière.
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