Les réservoirs hydroélectriques sont considérés comme des sources d’énergie renouvelable, mais peuvent émettre des quantités importantes de GES, surtout dans les régions tropicales. Cela soulève la nécessité d’une meilleure compréhension des cycles biogéochimiques contrôlant la production et l’émission de ces gaz. Cette thèse a pour objectifs de quantifier les émissions de GES à long terme d’un réservoir subtropical, d’analyser leur dynamique saisonnière et spatio-temporelle, et de contribuer au développement de la modélisation de la qualité de l’eau pour estimer ces émissions de manière plus précise.
L’étude repose sur 14 années de données continues (2009–2022) issues du réservoir NT2, et combine différentes méthodes de mesure : échantillonnage discret classique, pièges à bulles à haute fréquence, et mesures par EC. La comparaison entre les flux mesurés par EC et ceux dérivés des échantillons discrets a montré que chaque approche présente des avantages méthodologiques spécifiques : EC permet une couverture temporelle fine, notamment sur les cycles diurnes, tandis que les échantillons discrets assurent une bonne couverture spatiale avec un coût opérationnel réduit. Le calcul final des émissions a été réalisé à partir des mesures de l’eau, en raison de leur représentativité à long terme, mais l’importance d’utiliser des approches complémentaires est clairement mise en avant.
Les émissions cumulées atteignent 10736 Gg CO2eq, réparties entre CH4 (51 %) et CO2 (49 %). Le pic des émissions a été observé en 2010 (1276 Gg CO2eq), suivi d’une décroissance progressive de 70 % jusqu’en 2021. Cette diminution est attribuée au vieillissement du réservoir et à la réduction des apports de matière organique labile. Les parts saisonnières se répartissent en saison WD (35,5 %), CD (35,8 %) et WW (28,7 %). CH4 atteint un maximum en saison WD, en lien avec une ébullition favorisée par une stratification thermique stable et des conditions anoxiques accrues, tandis que CO2 culmine en saison CD lors du brassage vertical de la colonne d’eau, révélant l’importance de la minéralisation microbienne. L’ébullition représente 77 % des émissions de CH4 et reste relativement constante dans le temps ; en revanche, les flux diffusifs chutent de 97 %. CO2, majoritairement diffusif (96 %), diminue de 87 % sur la période étudiée. La persistance des émissions par ébullition suggère la durabilité d’un stock actif de matière organique dans les sédiments.
Un cadre de modélisation fondé sur la suite DELFT3D a été mis en place pour simuler l’évolution hydrothermique du réservoir. Le module FLOW a reproduit fidèlement les variations du niveau d’eau et les profils de température, avec une erreur absolue moyenne <1°C aux stations RES1 et RES4. Des tests de sensibilité approfondis ont identifié plusieurs paramètres physiques critiques pour la dynamique de stratification. Le modèle a également permis de simuler efficacement le brassage vertical à RES9, une zone influencée par le rejet des turbines, bien qu’un léger biais thermique ait été observé, lié à une sous-estimation du refroidissement convectif.
Les tentatives de couplage avec le module WAQ pour simuler les processus biogéochimiques des GES ont échoué, en raison d’un bug structurel dans l’interface entre les modules FLOW et WAQ. Malgré des efforts poussés, le problème, provenant d’un défaut de l’outil propriétaire Deltares, n’a pu être résolu. Ce travail de débogage, bien que non concluant sur le plan opérationnel, constitue une ressource utile pour la communauté d’utilisateurs DELFT3D, où peu de retours documentés étaient disponibles.
Cette thèse a proposé une évaluation rigoureuse, à long terme, des émissions de GES du réservoir NT2 à l’aide d’approches multiples de terrain et de modélisation. Le jeu de données consolidé ainsi que le modèle validé constituent des bases solides pour les recherches futures sur les cycles du carbone et de l’azote, les flux de N2O, et l’analyse du cycle de vie.
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Hydroelectric reservoirs are categorized as a renewable energy production but emit significant GHGs, especially in tropical regions. It raises a need of understanding the biogeochemical cycles underlying the greenhouse gas production and emissions. Therefore, the goals of the thesis are to quantifying the long term GHG emissions from a subtropical reservoir, to assess the dynamics (seasonality, spatial-temporal variabilities) of GHG emissions, and contribute to the development of water quality modelling approach to quantify GHG emissions.
This thesis presented a 14-year (2009–2022) assessment of water quality and GHG (CH4 and CO2) emissions, one of the longest continuous high frequency monitoring datasets, from the NT2 reservoir (Lao PDR), combining discrete sampling, high-frequency bubbling trap and EC measurements (included a comparison between quantifying methodology), and modelling attempts.
Emission pathways (diffusion, degassing, and ebullition) were quantified using a multi-method approach. Spatial, seasonal, and long-term trends were evaluated. A comparison between EC-derived fluxes and fluxes calculated from discrete sampling revealed that each method has advantages and limitations: EC provided continuous, high-frequency measurements, while discrete sampling offered broader spatial coverage and was more cost-effective. This thesis quantified GHG emissions based on water measurements due to the availability and consistency of the dataset, but highlighted the importance of using complementary techniques to better capture spatial and temporal variability, particularly diurnal patterns.
Total emissions reached 10736 Gg CO2eq, with CH4 and CO2 contributing 51% and 49%, respectively. Emissions peaked in 2010 (1276 Gg CO2eq) and declined 70% by 2021 due to reservoir aging and reduced organic matter. Seasonal shares were WD (35.5%), CD (35.8%), and WW (28.7%). CH4 peaked in WD seasons via enhanced ebullition under stratified, anoxic conditions, while CO2 peaked during CD seasons, associated with overturn. Ebullition dominated CH4 (77%) and remained stable; diffusive CH4 dropped 97%. CO2 was mainly diffusive (96%) and declined 87% over time. Especially, the long-term bubbling remained as significant sources of total emissions, suggesting the sustainability of soil organic matter pool.
A DELFT3D-based modelling framework was developed for the study period. The FLOW module, driven by ERA5 meteorology and in-situ data, accurately simulated water levels and temperature profiles with <1 °C absolute average error at key stations (RES1, RES4) and correct simulation of the seasonality of the reservoir water column. Comprehensive set of sensitivity tests identified Ozmidov length, Secchi depth, and Dalton and Stanton numbers as key drivers of stratification and heat exchange model. At RES9, affected by turbine discharge, the model reproduced vertical mixing but showed warm bias, likely from inadequate convective cooling representation.
Attempts to extend the model to simulate biogeochemical GHG processes using the WAQ module proved troublesome as critical errors occurred. The failure coincided with hydrological variability from turbine operations. After exhaustive troubleshooting efforts (vegetation settings, chemical constants, schemes, timesteps), simulation errors were identified due to a corrupted coupling mechanism between FLOW and WAQ modules within the DELFT3D model suite. As the errors were sourced from proprietary Deltares tools and were uneditable, full WAQ simulation was not achieved, but contributed significantly to the DELFT3D modelling troubleshooting community as no such comprehensive troubleshooting attempt was found available anywhere.
Despite this limitation, the thesis provided a robust, multi-method assessment of GHG emissions from NT2. The cleaned emission dataset and validated hydrodynamic model form a solid base for future studies on carbon and nitrogen cycling, N2O fluxes, and hydropower life cycle analysis.
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