تقيم هذه الدراسة الأثر المناخي الصافي للخزانات النرويجية باستخدام خرائط تغير استخدام الأراضي، وتجميع بيانات تدفقات الغازات الدفيئة من الأدبيات، ونمذجة G-res. تم استخدام الصور الجوية التاريخية عالية الدقة والتعلم العميق لإعادة بناء الغطاء الأرضي قبل الغمر، مع التحديد الصريح للأراضي الرطبة التي كانت غائبة سابقًا عن مجموعات البيانات الوطنية. يحدد الإطار التغيرات في تدفقات CO₂ و CH₄ وإمكانية الاحترار العالمي لمدة 100 عام (GWP₁₀₀) عبر 52 خزانًا. شكلت الأراضي الرطبة 20% من الأراضي المغمورة سابقًا وأثرت بقوة على ديناميكيات الكربون.
أنتجت تدفقات الأراضي الرطبة الشمالية انبعاثات صافية قدرها 342 ± 40 غم CO₂-مكافئ م⁻² سنة⁻¹، مدفوعة بشكل رئيسي بـ CH₄ على الرغم من احتجاز CO₂ الملحوظ. تراوحت قيم GWP₁₀₀ من 260- إلى 217 كيلوطن CO₂-مكافئ، مما يُظهر تباينًا مكانيًا عاليًا مرتبطًا بتربة ما قبل الغمر والغطاء الأرضي. بلغ متوسط كثافة انبعاثات الغازات الدفيئة للطاقة الكهرمائية 0.19 غم CO₂-مكافئ كيلوواط⁻¹ ساعة⁻¹، وهو أقل من التقديرات العالمية بسبب انخفاض الإنتاجية وسرعة دوران المياه. توصي الدراسة بتحسين تصنيف التربة وتوسيع مجموعات بيانات التدفقات الشمالية وتطوير نماذج قائمة على العمليات لديناميكيات الكربون قبل وبعد الغمر.
يمثل تغير المناخ تحديًا عالميًا كبيرًا، مدفوعًا بزيادة انبعاثات الغازات الدفيئة من الأنشطة البشرية التي تغير أنظمة درجات الحرارة وأنماط هطول الأمطار. يساهم استخدام الأراضي وتغير استخدام الأراضي بشكل كبير في هذه الانبعاثات، حيث يمثلان حوالي 23% من إجمالي المصادر البشرية. يؤدي تحويل النظم البيئية الطبيعية مثل الغابات والأراضي الرطبة والمراعي إلى تقليل قدرة تخزين الكربون وتعطيل العمليات البيوجيوكيميائية.
توفر الخزانات خدمات حيوية تدعم التنمية الاجتماعية والاقتصادية وإدارة البيئة. فهي توفر تخزينًا موثوقًا للمياه للاستخدام المنزلي والزراعي والصناعي، والتحكم في الفيضانات، وتوفير التدفق للملاحة، والأنشطة الترفيهية، والموائل البيئية، وتخزين المياه لإنتاج الطاقة الكهرمائية. توفر الطاقة الكهرمائية حوالي 18% من الكهرباء العالمية، وتمثل حجر الزاوية في إنتاج الطاقة المتجددة. على الرغم من فوائدها، فإن إنشاء الخزانات وتشغيلها يحفزان تغييرات بيئية كبيرة تؤثر على ديناميكيات الغازات الدفيئة.
في النرويج، حيث حوالي 85% من قدرة الكهرباء المركبة من الطاقة الكهرمائية، تعد الخزانات مركزية لإنتاج الطاقة الوطني. يوجد في البلاد أكثر من 2,700 خزان تغطي أكثر من 8,000 كم². ومع ذلك، وعلى الرغم من تطورها الواسع وأهميتها البيئية، فقد درست دراسات قليلة انبعاثات الغازات الدفيئة المرتبطة بالخزانات النرويجية. إن فهم وتقدير هذه الانبعاثات بدقة أمر ضروري لتقييم الأثر المناخي الحقيقي لأنظمة الطاقة الكهرمائية.
لمعالجة الفجوة المعرفية، استخدم العمل السابق لـ Kenawi وآخرين (2023) الصور الجوية التاريخية لتصنيف أنواع الأراضي لـ 105 خزانًا. ومع ذلك، منعت القيود المنهجية التحديد الدقيق للأراضي الرطبة كفئة أرضية متميزة، على الرغم من دورها الحاسم في تخزين الكربون. لذلك، يكمن الجِدّة الأساسية لهذه الدراسة في تجاوز الخرائط المكانية البحتة من خلال استخراج بيانات الأراضي الرطبة التاريخية بنجاح عبر التعلم العميق ودمجها في إطار شامل لمحاسبة الغازات الدفيئة خاص بكل خزان. تهدف الدراسة إلى: توسيع وتحليل تغير استخدام الأراضي عبر دمج الأراضي الرطبة، وقياس تدفقات الغازات الدفيئة قبل الغمر، وتقدير الانبعاثات بعد الغمر باستخدام أداة G-res، وتحديد كثافة انبعاثات الغازات الدفيئة لكل خزان.
يعتمد النهج المستخدم على ثلاثة مكونات مترابطة توفر إطارًا متسقًا لتقييم عواقب الغازات الدفيئة الصافية لتطوير الخزانات في المنطقة الشمالية. أولاً، استُخدمت بيانات الاستشعار عن بعد عالية الدقة والصور الجوية لوضع أساس تفصيلي للغطاء الأرضي قبل الغمر، مع التركيز بشكل خاص على التحديد الصريح للأراضي الرطبة، مما يوسع عمل Kenawi وآخرين (2023).
ثانيًا، تم تجميع قياسات التبادل الصافي للنظام البيئي (NEE) من الدراسات الميدانية وشبكات المراقبة ومنتجات الاستشعار عن بعد. تم توحيد جميع قيم التدفق إلى غم CO₂-مكافئ م⁻² سنة⁻¹ باستخدام GWP₁₀₀ لـ CH₄ وربطها بفئات استخدام الأراضي المحددة من خلال التراكب المكاني، مما أسفر عن تقديرات مكانية صريحة لانبعاثات وامتصاص الغازات الدفيئة قبل الغمر. استُخدمت شبكة CNN مبنية على بنية U-Net مع EfficientNet-B7 كترميز أساسي، مدربة مسبقًا على ImageNet، لتصنيف الأراضي الرطبة بدقة 88% بعد التدريب التكراري على 228,174 رقعة صور.
ثالثًا، قُدرت الانبعاثات بعد الغمر باستخدام أداة G-res (Prairie وآخرين 2017)، التي تصمم تدفقات CO₂ و CH₄ الخاصة بكل خزان وديناميكياتها الزمنية. تم تقييم الأثر المناخي الصافي بمقارنة التدفقات قبل وبعد الغمر، معبرًا عنها بـ GWP₁₀₀ التراكمي وكثافة انبعاثات توليد الكهرباء (غم CO₂-مكافئ كيلوواط⁻¹ ساعة⁻١). تمت معالجة عدم اليقين من خلال نشر أخطاء القياس والنمذجة، مع تحليلات الحساسية، والتحقق من صحة النتائج مقابل مجموعات البيانات المستقلة.
تم حساب صافي انبعاثات GWP₁₀₀ لكل خزان باستخدام المعادلة: صافي الانبعاث = (E₂ − E₁) × 100، حيث E₂ هو الانبعاث السنوي بعد الغمر و E₁ هو الانبعاث السنوي قبل الغمر. تم ربط انبعاثات الخزانات بتوليد الطاقة الكهرمائية من خلال نظام ترجيح مساحة السطح لتخصيص الانبعاثات نسبيًا في الأنظمة المتتالية، مما أسفر عن كثافات غازات دفيئة على مستوى النظام معبرًا عنها بـ غم CO₂-مكافئ لكل كيلوواط ساعة.
تم تحليل 52 خزانًا لتحديد مسارات انبعاثاتها المرتبطة باستخدام الأراضي، بمساحات سطح تتراوح من 0.1 إلى 64 كم². شكلت الأراضي الرطبة 103 كم² من مساحة ما قبل الغمر المحللة، أي حوالي 20% من إجمالي المساحة. تنوعت مساحة الأراضي الرطبة بشكل كبير بين الخزانات، من 0 إلى 17 كم²، مما يشير إلى تباين قوي في تكوين المناظر الطبيعية المغمورة.
أظهرت صافي الانبعاثات السنوية قبل الغمر تباينًا كبيرًا يتراوح من 1,470- إلى 3,981 طن CO₂-مكافئ سنة⁻¹، بمتوسط 306 طن CO₂-مكافئ سنة⁻¹. يشير هذا الانتشار إلى أن بعض مناطق الخزانات كانت تعمل كمصارف كربون قبل الغمر، بينما كان بعضها الآخر مصادر صافية بالفعل.
تباين GWP₁₀₀ الصافي بشكل كبير بين الخزانات وكان شديد الاعتماد على افتراض خط الأساس قبل الغمر. تراوحت القيم الصافية الإجمالية من 260- إلى 217 كيلوطن CO₂-مكافئ. تحت سيناريو التربة العضوية من G-res، أظهرت معظم الخزانات قيم GWP₁₀₀ صافية سلبية (بالوعة)، بينما أسفر سيناريو التربة المعدنية والسيناريو القائم على عوامل التوصيف الخاصة بنا عن قيم موجبة في الغالب (مصدر).
تراوحت كثافة الانبعاثات بين 7- و 4 غم CO₂-مكافئ كيلوواط⁻¹ ساعة⁻¹، مع بقاء معظم القيم قريبة من الصفر ومتوسط كثافة 0.19 غم CO₂-مكافئ كيلوواط⁻¹ ساعة⁻¹، وهو أقل بشكل ملحوظ من المعايير العالمية (24 غم للـ IPCC) والتقديرات النرويجية السابقة (2.11 غم)، مما يؤكد أن الطاقة الكهرمائية تحت الظروف الشمالية تساهم بشكل ضئيل في انبعاثات دورة الحياة.
أثبت استخدام شبكات CNN كفاءته العالية في تصنيف أنواع الغطاء الأرضي المعقدة التي يصعب تمييزها بالتفسير البشري، خاصة في الصور الجوية التاريخية بالأبيض والأسود. حقق النموذج دقة 88% على الخرائط الميدانية النباتية المستقلة. شكلت الأراضي الرطبة 103 كم² من المساحة المغمورة سابقًا، حوالي 20% في المتوسط، وهو أكبر قليلاً من مساحة الغطاء النباتي المحددة سابقًا البالغة 88 كم²، مما يؤكد الدور الكبير للأراضي الرطبة في تشكيل ديناميكيات الكربون قبل الغمر.
تكشف قيمة GWP₁₀₀ المجمعة للنظام البيئي للأراضي الرطبة أن الأراضي الرطبة، على الرغم من قدرتها العالية على احتجاز الكربون (171 ± 17 غم CO₂-مكافئ م⁻² سنة⁻¹)، تعمل كمصادر صافية للغازات الدفيئة بشكل عام بمتوسط 342 ± 40 غم CO₂-مكافئ م⁻² سنة⁻¹. يُعزى هذا الخلل بشكل أساسي إلى تدفقات CH₄ المرتفعة. ومع ذلك، لا ينبغي تفسير هذه النتائج بمعزل عن غيرها—فالأراضي الرطبة تظل حيوية لاستقرار دورة الكربون العالمية والحفاظ على التنوع البيولوجي.
تختلف الانبعاثات قبل الغمر على نطاق واسع، مما يبرز أهمية التوصيف الدقيق لظروف ما قبل الغمر. أظهرت السيناريوهات التي تفترض تربة عضوية غالبًا أن الخزانات تعمل كمصارف كربون صافية (بقيم GWP₁₀₀ تصل إلى 260- كيلوطن CO₂-مكافئ)، بينما أشارت افتراضات التربة المعدنية عمومًا إلى مصادر كربون صافية (بقيم تصل إلى 217 كيلوطن CO₂-مكافئ). ومع ذلك، فإن قيمة GWP₁₀₀ السلبية لا تشير إلى احتجاز كربون جوي مطلق بواسطة الخزان نفسه، بل تمثل مقياسًا مقارنًا يشير إلى أن الانبعاثات بعد الغمر أقل من انبعاثات المناظر الطبيعية غير المضطربة.
متوسط كثافة انبعاثات الغازات الدفيئة في هذه الدراسة أقل بشكل ملحوظ من المعايير العالمية بسبب ثلاثة عوامل رئيسية: (1) تشمل المعايير العالمية خزانات من مناطق مناخية متنوعة بما فيها المدارية حيث انبعاثات CH₄ أعلى، (2) تطبق هذه الدراسة تقييمًا خاصًا بالمناخ ومستوى الخزان مع حساب صريح لظروف ما قبل الغمر، و(3) يعكس الاختلاف عن التقديرات النرويجية السابقة اختلافات منهجية. تشمل القيود الرئيسية: عدم القدرة على تمييز المستنقعات من السبخات، وعدم توصيف التربة التحتية للغابات، ومعدل الخطأ 12% في تصنيف CNN، واعتماد أداة G-res على مجموعات البيانات العالمية المجمعة.
تقدم هذه الدراسة تقديرًا محسنًا لصافي أثر الغازات الدفيئة للخزانات النرويجية من خلال دمج الاستشعار عن بعد والتعلم العميق والنمذجة التجريبية. أدى تضمين الأراضي الرطبة في تصنيف استخدام الأراضي إلى تحسين تقديرات الانبعاثات قبل الغمر بشكل كبير، مما أظهر أن هذه النظم البيئية تلعب دورًا رئيسيًا في تشكيل توازن الكربون في مناطق الخزانات. حقق تصنيف CNN دقة 88%، محددًا الأراضي الرطبة بحوالي 20% من الأراضي المغمورة سابقًا.
عند المقارنة مع سيناريوهات G-res الافتراضية، أظهرت النتائج أن الافتراضات حول نوع التربة وظروف ما قبل الغمر تؤثر بقوة على نتائج الغازات الدفيئة. في المتوسط، كانت كثافة الانبعاثات للخزانات النرويجية منخفضة عند 0.19 غم CO₂-مكافئ كيلوواط⁻¹ ساعة⁻¹، مما يؤكد أن الطاقة الكهرمائية تحت الظروف الشمالية تساهم بشكل ضئيل في انبعاثات دورة الحياة. على الرغم من استمرار عدم اليقين—خاصة فيما يتعلق ببيانات التربة وتبسيط النماذج—تسلط هذه الدراسة الضوء على الحاجة إلى مواصلة تطوير الأدوات ومجموعات البيانات وأساليب النمذجة لفهم العلاقة المعقدة بين الخزانات وانبعاثات الغازات الدفيئة بشكل أفضل.
قائمة المراجع الكاملة (أكثر من 50 مصدرًا) متاحة في الملف الأصلي للPDF.
This study evaluates the net climate impact of Norwegian reservoirs using land use change mapping, literature-based GHG flux aggregation, and G-res modeling. High-resolution historical aerial imagery and deep learning reconstructed pre-impoundment land cover, explicitly identifying wetlands previously absent from national datasets. The framework quantifies changes in CO₂ and CH₄ fluxes and cumulative GWP₁₀₀ across 52 reservoirs. Wetlands made up 20% of pre-flooded land and strongly influenced carbon dynamics.
Boreal wetland fluxes produced net emissions of 342 ± 40 g CO₂-eq m⁻² yr⁻¹, driven mainly by CH₄ despite notable CO₂ sequestration. GWP₁₀₀ values ranged from −260 to 217 kt CO₂-eq, showing high spatial variability linked to pre-flood soil and land cover. Hydropower GHG intensity averaged 0.19 g CO₂-eq kWh⁻¹, lower than global estimates due to low productivity and rapid water turnover. Future research should improve soil classification, expand boreal flux datasets, and develop process-based models for pre- and post-impoundment carbon dynamics.
Climate change represents a major global challenge, driven by increasing greenhouse gas emissions from anthropogenic activities that alter temperature regimes and precipitation patterns. Land use and land use change contribute substantially to these emissions, accounting for approximately 23% of total anthropogenic sources. The conversion of natural ecosystems such as forests, wetlands, and grasslands diminishes carbon storage capacity and disrupts biogeochemical processes.
Reservoirs provide vital services supporting socio-economic development and environmental management—reliable water storage, flood control, navigation, recreation, ecological habitats, and hydropower production. Hydropower supplies approximately 18% of global electricity, representing a cornerstone of renewable energy. Despite their benefits, reservoir creation and operation induce substantial environmental changes that influence GHG dynamics. The inundation of terrestrial ecosystems transforms natural carbon cycling, shifting from predominantly aerobic decomposition before flooding to anaerobic conditions post-inundation, leading to production and emission of CO₂ and CH₄.
In Norway, where approximately 85% of installed electricity capacity is from hydropower, reservoirs are central to national energy production. The country holds over 2,700 reservoirs covering more than 8,000 km². However, despite their extensive development, few studies have quantified GHG emissions associated with Norwegian reservoirs. Understanding and accurately estimating these emissions is essential for assessing the true climate impact of hydropower systems and ensuring that Norway's renewable energy goals align with its commitments to emission reduction.
To address this knowledge gap, prior work by Kenawi et al. (2023) classified land types for 105 reservoirs using historical aerial imagery. However, methodological limitations prevented accurate identification of wetlands as a distinct land class, despite their critical role in carbon storage. The primary novelty of this study lies in advancing beyond spatial mapping by successfully extracting historical wetland data via deep learning and integrating it into a comprehensive, reservoir-specific GHG accounting framework. The study aims to: expand LUC analyses by integrating wetlands, quantify pre-impoundment GHG fluxes, estimate post-impoundment emissions using the G-res tool, and determine the GHG intensity of each reservoir.
The approach builds on three interconnected components providing a consistent framework for assessing net GHG consequences of reservoir development in the boreal region. First, high-resolution remote sensing data and aerial imagery established a detailed baseline of pre-impoundment land cover, with particular emphasis on explicit identification of wetlands, extending the work of Kenawi et al. (2023).
Second, net ecosystem exchange (NEE) measurements were compiled from field studies, monitoring networks, and remote sensing products. All flux values were standardized to g CO₂-eq m⁻² yr⁻¹ using GWP₁₀₀ for CH₄ and linked to identified land use classes through spatial overlays, yielding spatially explicit estimates of pre-inundation GHG emissions and sinks. A CNN based on the U-Net architecture with EfficientNet-B7 encoder backbone, pre-trained on ImageNet, was used for wetland classification, achieving 88% accuracy after iterative training on 228,174 image patches.
Third, post-impoundment emissions were estimated using the G-res tool (Prairie et al. 2017), which models reservoir-specific CO₂ and CH₄ fluxes and their temporal dynamics. Net climate impact was assessed by comparing pre- and post-inundation fluxes, expressed both as cumulative GWP₁₀₀ and as the GHG intensity of electricity generation (g CO₂-eq kWh⁻¹). Uncertainty was addressed through propagation of measurement and model errors, complemented by sensitivity analyses and validation against independent datasets.
Net GWP₁₀₀ emissions for each reservoir were calculated using: Net Emission = (E₂ − E₁) × 100, where E₂ is the post-impoundment annual emission and E₁ is the pre-impoundment annual emission. Reservoir emissions were linked to hydropower generation through a surface-area weighting framework for proportional allocation in cascade systems, yielding system-level GHG intensities expressed as g CO₂-eq per kWh.
A total of 52 reservoirs were analyzed, with surface areas ranging from 0.1 to 64 km². Wetlands accounted for 103 km² of the analyzed pre-flood area, corresponding to approximately 20% of the total area. Wetland extent varied substantially among reservoirs, ranging from 0 to 17 km², indicating strong heterogeneity in the composition of inundated landscapes.
Net annual pre-impoundment emissions showed large variation, ranging from −1,470 to 3,981 t CO₂-eq yr⁻¹, with a mean of 306 t CO₂-eq yr⁻¹. This spread indicates that some reservoir areas functioned as net carbon sinks prior to inundation, whereas others were already net sources, reflecting differences in both reservoir area and the relative contribution of forest and wetland ecosystems.
Net GWP₁₀₀ differed substantially among reservoirs and was strongly dependent on the pre-impoundment baseline assumption. Total net values ranged from −260 to 217 kt CO₂-eq. Under the organic-soil scenario from G-res, most reservoirs showed negative net GWP₁₀₀ (net sink), while the mineral-soil scenario and our own characterization factors resulted in predominantly positive values (net source).
Emission intensity ranged from −7 to 4 g CO₂-eq kWh⁻¹, with most values remaining close to zero and a mean intensity of 0.19 g CO₂-eq kWh⁻¹—markedly lower than global benchmarks (24 g from IPCC) and previous Norwegian estimates (2.11 g), confirming that hydropower under boreal conditions contributes minimally to life-cycle emissions.
The use of CNNs proved highly efficient for classifying complex land cover types difficult to distinguish by human interpretation, particularly in historical black-and-white aerial imagery. The model achieved 88% accuracy on independent botanical field maps. Wetlands accounted for 103 km² of the pre-flooded area, about 20% on average, slightly larger than the previously identified vegetation area of 88 km², underscoring the substantial role of wetlands in shaping pre-impoundment carbon dynamics.
Aggregated wetland GWP₁₀₀ values reveal that wetlands, despite their high carbon sequestration capacity (171 ± 17 g CO₂-eq m⁻² yr⁻¹), function as net GHG sources overall with a mean emission of 342 ± 40 g CO₂-eq m⁻² yr⁻¹, primarily attributed to elevated CH₄ fluxes. However, these outcomes should not be interpreted in isolation—wetlands remain vital to global carbon cycle stability and biodiversity conservation.
Pre-impoundment emissions varied widely, highlighting the importance of accurately characterizing pre-impoundment conditions. Scenarios assuming organic soils often suggested reservoirs functioned as net carbon sinks (GWP₁₀₀ as low as −260 kt CO₂-eq), whereas mineral soil assumptions generally indicated net carbon sources (values up to 217 kt CO₂-eq). However, a negative GWP₁₀₀ does not denote absolute atmospheric carbon sequestration by the reservoir itself, but rather represents a comparative metric indicating that post-impoundment emissions are lower than the unperturbed landscape emissions.
The mean GHG emission intensity is markedly lower than global benchmarks due to three main factors: (1) global benchmarks include reservoirs from diverse climatic regions including tropical systems with higher CH₄ emissions, (2) this study applies a climate-specific, reservoir-level assessment with explicit accounting of pre-impoundment conditions, and (3) the lower value relative to previous Norwegian estimates reflects methodological differences. Key limitations include: inability to distinguish bogs from fens, uncharacterized forest sublayer soils, 12% CNN misclassification rate, and G-res reliance on aggregated global datasets.
This study provides a refined estimate of the net GHG impact of Norwegian reservoirs by integrating remote sensing, deep learning, and empirical modeling. Including wetlands in the land use classification significantly improved pre-impoundment emission estimates, showing that these ecosystems play a key role in shaping the carbon balance of reservoir areas. The CNN-based classification achieved 88% accuracy, identifying wetlands as about 20% of pre-flooded land.
When compared with G-res default scenarios, results showed that assumptions about soil type and pre-flood conditions strongly influence GHG outcomes. On average, Norwegian reservoirs had a low emission intensity of 0.19 g CO₂-eq kWh⁻¹, confirming that hydropower under boreal conditions contributes minimally to life-cycle emissions. Although uncertainties remain—particularly regarding soil data and model simplifications—this study highlights the need for continued development of tools, datasets, and modeling approaches to better understand the complex relationship between reservoirs and their GHG emissions.
Full reference list (50+ sources) available in the original PDF.