Notice méthodologique - Pole Gestion

Fiche action AB.3 «Débits minima, Débits biologiques, Débits objectifs d’étiage, Synthèse méthodologique et proposition

d’harmonisation pour les cours d’eau de tête de bassin»

Notice méthodologique

Synthèse des approches existantes pour une application aux situations de montagne

OOccttoobbrree 22001100

Programme 2010 Niveau AB – Problématique transverticale – Fiche action AB3 – Document n°1

Site Pilote « Pays de Savoie – Annecy – Mont-Blanc – Léman » | Action AB.3 « Débits biologiques »

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Crédits photographiques page de couverture :

(De haut en bas)

Déversoir / source :image.shack.us Protocole IBGN / source :SEA74

Cours d’eau de montagne sous la neige / source : SEA74


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Présentation Résumé – action AB3

Présentation - Résumé

L’ensemble des pratiques relatives au bon état écologiques des cours d’eau de montagne devient un enjeu important dans la perspective de l’échéance européenne de 2015, qui préoccupe les différents membres du Site Pilote. Les politiques de l’eau actuelles tendent à employer de plus en plus ces notions de « débits biologiques », sensées garantir la vie en permanence dans les cours d’eau.

Les têtes de bassin versant sont potentiellement très sensibles à ces problématiques tant naturellement (faibles débits naturels, impermanence des écoulements…) que par la pression anthropique qui s’y ajoute.

La démarche du Site Pilote vise à contribuer à la mutualisation des connaissances existantes sur les débits biologiques. A ce jour, de nombreux travaux ont été menés sur l’estimation des différents débits et les indicateurs à employer, mais la plupart n’ont pas encore été appliqués à la situation des cours d’eau de montagne. Un dialogue doit donc s’établir sur ces questions entre les structures porteuses de contrats de milieu (SAGE, contrat de rivière,…) et les utilisateurs de l’eau du bassin versant afin de proposer une démarche concertée pour l’estimation des différents débits (DM, DB, DOE) dans le contexte des têtes de bassin.

Cette démarche ambitieuse proposé par le Site Pilote « Pays de Savoie – Annecy – Mont-Blanc – Léman » s’organise autour de deux actions principales : Une synthèse des approches existantes pour une application aux situations de

montagne composée d’un travail bibliographique et d’échanges avec des spécialistes de la thématique, le tout réuni dans une notice méthodologique.

Une synthèse des réflexions et des propositions pour l’évaluation des débits biologiques en situation montagneuse élaborée par un groupe de travail élargi à partir des conclusions de la notice méthodologique.

FFIICCHHEE AABB33 :: DDEEBBIITTSS MMIINNIIMMAA // DDEEBBIITTSS BBIIOOLLOOGGIIQQUUEESS // DDEEBBIITTSS OOBBJJEECCTTIIFF DD’’EETTIIAAGGEE

Pour en savoir plus : www.eauenmontagne.org

Programme 2010 Niveau AB – Problématique transverticale – Fiche action AB3

http://www.eauenmontagne.org/


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AVANT-PROPOS

Le présent document Il représente la première partie du travail du Site Pilote « Eau en Montagne » réalisé dans le cadre de la fiche action AB.3 intitulée « Fiche action AB.3 «Débits minima, Débits biologiques, Débits objectifs d’étiage, Synthèse méthodologique et proposition d’harmonisation pour les cours d’eau de tête de bassin».

Ce document a été organisé sous forme de fiche permettant ainsi au lecteur de le consulter en partie ou dans sa totalité. A noter que chaque fiche s’inscrit dans une typologie particulière dont la description et l’analyse succincte peut être consultée en début de section. Il est à préciser qu’un effort particulier a été employé pour lister le maximum de méthodes et connaissances techniques, mais ce document ne prêtant pas à l’exhaustivité et ne pourra qu’évoluer dans les prochaines années.

NB : L’estimation des Débits Minimum Biologiques (DMB) étant une étape primordiale à leur définition, les notions de Débit Minima (DM) et Débit Objectif d’Etiage (DOE) ne seront pas abordées dans cette première partie de l’action AB3.

D’après ARRA (2010), Conception : Adrien ALLARD


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Table des Abréviations Agence de l’Eau RM&C : Agence de l’Eau Rhône Méditerranée & Corse BBM : Building Block Methodology DCE : Débit Caractéristique d’Etiage DM : Débit Minimum DMB : Débit Minimum Biologique DMV : Deflusso Minimo Vitale (traduction italienne du DMB) DOE : Débit Objectif d’Etiage IBD : Indice Biologique Diatomées IBGN : Indice Biologique Global Normalisé IBMR : Indice Biologique Macrophytique en Rivière IOBS : Indice Oligochètes de Bioindication des Sédiments IPR : Indice Poisson Rivière OIEau : Office International de l’Eau ONEMA : Office National de l’Eau et des Milieux Aquatiques SEA 74 : Société d’Economie Alpestre de la Haute-Savoie SED 74 : Société Départementale d’Equipement de Haute-Savoie RVA : Range of Variability Approach (traduction « Gamme d’approche de la variabilité ») SPU : Surface Pondérée Utile USGS : United States Geological Survey (« Institut d’études géologiques des Etats-Unis ») WUA : Weighted Usable Area (traduction « Surface pondérée utile »)


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Sommaire

PRESENTATION RESUME – ACTION AB3 ........................................................................................................... 3

TABLE DES ABREVIATIONS ............................................................................................................................... 7

SOMMAIRE ...................................................................................................................................................... 9

INTRODUCTION .............................................................................................................................................. 11

PARTIE 1. DE MULTIPLES METHODES D’ESTIMATION DE DEBITS BIOLOGIQUES ............................................. 13

1.1. METHODES HYDROLOGIQUES .......................................................................................................... 13

1.1.1. TENNANT .............................................................................................................................................. 14 1.1.2. DEBITS DE REFERENCE .............................................................................................................................. 15

1.2. METHODES HYDRAULIQUES ............................................................................................................. 17

1.2.1. TOE-WIDTH ........................................................................................................................................... 18 1.2.2. WETTED PERIMETER (PERIMETRE MOUILLE) ................................................................................................. 19

1.3. METHODES HOLISTIQUES ................................................................................................................. 21

1.3.1. RVA ..................................................................................................................................................... 22 1.3.2. BUILDING BLOCK METHODOLOGY .............................................................................................................. 23 1.3.3. LES REGIONS ITALIENNES ........................................................................................................................... 24

1.4. METHODES AVEC SIMULATION D’HABITAT ...................................................................................... 31

1.4.1. IFIM .................................................................................................................................................... 32 1.4.2. HATFIELD & BRUCE ................................................................................................................................. 33 1.4.3. EVHA .................................................................................................................................................... 34 1.4.1. ESTIMHAB ............................................................................................................................................. 35 1.4.1. PHABSIM – RHABSIM ............................................................................................................................... 36 1.4.2. STATHAB – FSTRESS ................................................................................................................................ 37

PARTIE 2. LES INDICATEURS QUALITE : DES OUTILS COMPLEMENTAIRES ....................................................... 39

2.1. INDICATEURS FAUNISTIQUES ........................................................................................................... 39

2.1.1. IBGN ................................................................................................................................................... 40 2.1.2. IPR ...................................................................................................................................................... 41 2.1.3. IOBS .................................................................................................................................................... 42

2.2. INDICATEURS FLORISTIQUES ............................................................................................................ 43

2.2.1. IBMR ................................................................................................................................................... 44 2.2.2. IBD ...................................................................................................................................................... 45

GLOSSAIRE ..................................................................................................................................................... 53

BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................................................. 57

CONCLUSION .................................................................................................................................................. 61


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Introduction Première partie de la notice méthodologique, cet ouvrage apporte une vue d’ensemble des différents outils permettant d’estimer les débits minimum biologiques. Depuis les années 1970, de nombreux outils ont été développés et le besoin de les rassembler de façon synthétique tout en ayant soin de les clarifier au maximum s’est fait sentir. Ainsi, l’objectif de cet ouvrage est d’apporter à son lecteur une vue d’ensemble des différentes méthodes existantes, afin de dégager par la suite les points importants à prendre en compte pour une adaptation aux cours d’eau de montagne. Le travail bibliographique nécessaire à la réalisation de cet ouvrage s’est limité dans un premier temps au niveau national, mais il est rapidement apparu comme indispensable de s’intéresser aux différentes approches rencontrées aussi bien en Europe, que sur d’autres continents ayant également pris conscience de l’importance des débits biologiques. Une des difficultés rencontrées dans l’élaboration de la synthèse, fut notamment le classement des différentes méthodes. Tout d’abord, il semble important de distinguer les méthodes qui permettent d’obtenir directement le débit étudié (DMB) et les indicateurs, qui ne donnent qu’une appréciation globale de la qualité de l’eau. Ces indicateurs ne peuvent être utilisés à eux seuls dans l’estimation des débits biologiques, mais présentent un intérêt qu’il sera bon de mettre en relief au cours de l’étude. Les méthodes étant ensuite regroupées par type, chaque type est expliqué en début de partie afin de faire ressortir les principales caractéristiques communes du groupe. À la fin de chaque partie, des conclusions partielles permettront au lecteur de trouver les éléments importants qui ressortent de la comparaison de ces méthodes. Avant de vous laisser découvrir les différentes méthodes, des explications relatives à l’organisation des fiches méthodologiques sont données. Unité principale de cet ouvrage, chaque fiche se veut être consultable de façon indépendante par tout lecteur souhaitant découvrir une méthode en particulier.


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GGuuiiddee dd’’uuttiilliissaattiioonn Chaque méthode est présentée sur une fiche avec différentes rubriques détaillées ci-dessous. À noter que, les commentaires en rouge sont des hypothèses propres au rédacteur, et ne peuvent être attribuées aux ressources bibliographiques.

Ruban en-tête : Sont précisés le nom de la méthode, le pays où elle a été élaborée, ainsi que

le classement attribué par le rédacteur.

Exemple fiche méthodologique

Domaines d’application Il est précisé, lorsque ceci est possible, si la méthode en question peut être utilisée en situation montagneuse. Ainsi ces méthodes seront abordées de manière spécifique dans la seconde partie de l’action AB3.

Principe Quelques généralités sur la méthode, la base sur laquelle elle se fonde, parfois l’historique…

Appareillage Donne une idée du matériel nécessaire et des coûts de mise en œuvre.

Protocole Détaille les différentes étapes d’application de la méthode ou les différents facteurs pris en compte dans le calcul du Débit Minimum Biologique (DMB)

Limites à l’interprétation Partie analytique, elle présente les différentes limites de la méthode ayant pu être identifiées.

Pour aller plus loin… Fait référence à la bibliographie utilisée, et permet un retour aux sources pour davantage d’informations.


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Partie 1. De multiples méthodes d’estimation de débits biologiques Comme précisé en introduction, ces méthodes permettent à l’issue de leur protocole, d’obtenir la valeur de débit recherchée, celle de Débit Minimum Biologique. Cette classification primaire entre méthodes d’estimation de débit et indicateurs de qualité de l’eau ne peut suffire, car ne permet pas de prendre en compte les nombreuses différences qui existent au sein de ces méthodes. D’après REBILLARD V. (2006) et GIRARD V. (2008), quatre types de méthodes sont généralement distingués :

- les méthodes hydrologiques : liées au cycle de l’eau, elles associent à des débits de référence connus un pourcentage de ces débits à laisser dans le cours d’eau. Celui-ci est censé correspondre au débit biologique recherché. - les méthodes hydrauliques : prenant en compte l’écoulement de l’eau, elles se basent sur des caractéristiques physiques, telles que hauteur d’eau, vitesse d’écoulement…, qui permettent de décrire un cours d’eau en leur attribuant un lien avec l’équilibre biologique souhaité. - les méthodes holistiques : comme le terme « holistique » le souligne, ce sont des méthodes généralistes qui considèrent le cours d’eau et son équilibre comme un « tout ». L’ensemble des paramètres pouvant caractériser le cours d’eau et ses usages sont alors à prendre en compte, il s’agit de véritables approches pluridisciplinaires (hydraulique, hydrologie, géomorphologie, qualité de l’eau, écosystèmes…). - les méthodes de microhabitats : Elles considèrent les préférences biologiques de certaines espèces piscicoles alors couplées aux données hydrauliques caractérisant un cours d’eau. Ainsi il est possible de simuler à l’aide d’un modèle informatique, les valeurs d’habitat dont disposeront les espèces considérées en fonction des débits, afin de déterminer quelle valeur il convient de déterminer comme DMB.

1.1. Méthodes hydrologiques Avec « Tennant » (1976) la plus connue d’entre elles, ces méthodes sont actuellement les plus employées dans différents pays comme la France, la Suisse et d’autres pays européens. Elles ont l’avantage d’être simple à appliquer, en utilisant des débits de référence dont la plupart des professionnels de l’eau disposent et auxquels on attribue simplement un pourcentage. Cependant, ces méthodes ne permettent pas d’intégrer l’écosystème du cours d’eau dans son ensemble et en particulier la dynamique des espèces aquatiques (périodes de reproduction, migrations,...). Il faut prendre conscience de ces limites et savoir ainsi nuancer les valeurs de DMB qui peuvent être obtenues. En effet, ces méthodes hydrauliques considèrent l’eau uniquement comme un fluide et non un habitat.


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Mesure du débit - limnimètre, source : SEA 74

Tennant 1976

USA

Méthode d’estimation

du DMB Hydrologique-001

1.1.1. Tennant

Domaines d’application

- Non spécifié. A priori, adaptable à tous les cours d’eau.

Principe

- Méthode basée sur une analyse détaillée d’une relation entre un pourcentage de débit moyen annuel et les caractéristiques hydrauliques et

physiques des cours d’eau. Elle consiste à choisir un pourcentage du débit moyen annuel pour définir un DMB en fonction de la situation de débit (cf. tableau ci-dessous).

Appareillage

- Aucun excepté le matériel nécessaire à l’obtention des débits moyens annuels.

Protocole

- Calcul du débit recommandé (DMB) à partir du débit moyen annuel.

Tableau : Débit recommandé en % du débit moyen annuel (DMA)

Situation de débit Débit réservé recommandé en % DMA

Octobre-Mars (étiage) Avril-Septembre (crue)

Situation de crue 200 200

Situation optimale 60-100 60-100

Situation supérieure 40 60

Situation excellente 30 50

Situation bonne 20 40

Situation acceptable ou dégradable 10 30

Situation pauvre ou minimale 10 10

Situation dégradée <10 <10 Source : méthode Tennant, 1976

Limites à l’interprétation

- Nécessite d’avoir un retour suffisant au niveau du suivi hydrologique d’un bassin pour pouvoir déterminer un débit moyen annuel significatif.

- Méthode utilisée pour désigner le pourcentage à appliquer ?

Pour aller plus loin…

- TENNANT D.L. (1976), Instream flow regime for fish, wildlife, recreation and related environmental resources, J.F. Orsborn and C.H. Allman (eds), Proc. Symp. and Spec. Conf. on Instream Flow Needs, Vol. Il, Amer. Fish. Soc, Bethesda, MD, p. 359-373.

- CAISSIE D., EL-JABI N., BOURGEOIS G. (1998), Evaluation du débit réservé par méthodes hydrologiques et hydrobiologiques, Revue des Sciences de l’Eau, 11(3), p. 347-364


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Source : SEA 74

Débits de Référence

France, Suisse, Allemagne, Espagne


du DMB Hydrologique-002

1.1.2. Débits de référence Domaines d’application

- Applicable à tous les cours d’eau.

Principe

- Utilise les débits de référence connus auxquels est simplement attribué un pourcentage de débit à respecter. L’idée est simple : plus le débit moyen du cours d’eau considéré est faible, plus la valeur de DMB à lui attribuer sera importante en termes de pourcentage.

Appareillage

- Matériel nécessaire à l’acquisition des données de référence.

Protocole

France : On utilise le débit d’étiage mensuel quinquennal (QMNA5), calculé à partir des séries de débit d’étiage, il s’agit d’un débit mensuel qui se produit en moyenne une fois tous les cinq ans. Il intervient notamment dans la définition du Débit Objectif d’Etiage (DOE). La réglementation fixe alors le débit réservé au 1/10e du module ou au 1/20e pour les cours d’eau à débit supérieur à 80m3/s.

Suisse : Utilise le Q347 (ou Q95) qui correspond au débit atteint, ou dépassé, en moyenne 347 jours par an soit 95% de l’année.

Allemagne : Dans le même principe que la Suisse, la détermination du débit se fait à partir du Q355.

Espagne : La règle générale était de ne pas passer en-dessous du 1/10e du débit moyen annuel (module, analogie avec la France).Depuis 2001, cette règle a été modifiée et trois équations servent maintenant à la détermination du DMB : DMB = 0,15 x Q347 / (ln Q347)² DMB = 0,35 x Q347 DMB = 0,25 x Q347 + 75 La valeur maximale obtenue par ces trois équations est sensée définir le DMB.


- Prise en compte des paramètres biologiques assez limitée.

- Décision subjective d’un pays à l’autre.

- Méthode pour désigner le pourcentage ? En Espagne, comment ont été obtenues les équations ?


- GARCIA BAUTISTA A. (2002), La problématique des débits réservés dans le contexte de l’Union Européenne, Rapport de stage, Cemagref Lyon, 22 p.

- CROVATTO K. (2006), Ricerca metodologica ed esperienze operative, Rapporti tecnici Deflusso Minimo Vitale dei corsi d’acqua, Autorità di Bacino Regionale Friuli Venezia Giulia, 34 p.


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1.2. Méthodes hydrauliques Ces méthodes hydrauliques s’attardent essentiellement à caractériser les données physiques du cours d’eau (section, largeur du cours d’eau, périmètre mouillé…) qui sont en lien avec les notions d’habitat et de débits. Les peuplements aquatiques sont davantage pris en compte par ces méthodes qui ne peuvent s’appliquer que dans des zones piscicoles. L’avantage principal de ces méthodes est qu’elles ne nécessitent pas de matériel important, ni de formation préalable longue pour pouvoir être opérationnel. On peut néanmoins s’interroger sur la part d’incertitude des résultats qui peut être importante. Notamment dans la méthode « Toe-Width » où l’erreur peut être importante selon le stade et l’espèce piscicole étudiés.

Source : SEA 74


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Source : EES Consulting (2009)

Toe-Width

USA


du DMB Hydraulique-001

1.2.1. Toe-width Domaines d’application

- Non spécifié. - Zone à peuplement piscicole. Salmonidés (truite)

Principe

- Méthode simplifiée. Utilise l’écartement des berges (distance d’une rive à l’autre du cours d’eau – « Toe-width ») comme variable la plus corrélée aux notions d’habitats et de débits (cf.méthode des micro-habitats). Repose sur des retours d’expériences et collectes de données sur une période d’environ 10 ans qui ont permis d’obtenir l’équation de Swift (1976) :

Equation de SWIFT (1976) Y = a (TW)b + SE avec Y = DMB

Y : débit conseillé exprimé en cfs (cubit foot per second, 1m3/s=35,315cfs), TW (Toe-Width): distance d’une rive à l’autre du cours d’eau, SE : erreur standard estimée en % de Y. Les constantes de Swift a et b sont fonction de l’espèce et du stade étudié (alevin, juvénile, adulte).

Appareillage

- Mètre, niveau optique, calculatrice.

Protocole

1. Un profil du cours d’eau est effectué. On mesure la largeur du lit de la rivière. (Swift définit bien son « toe-of-bank » comme le point de rupture de pente entre le lit de la rivière et le bord du cours d’eau). Un profil complet de ce transect est réalisé grâce au niveau. Il est parfois possible de repérer les « toe-of-bank » de chaque rive. On prend alors le point le plus bas.

2. On mesure la largeur de l’horizontale partant du point le plus bas jusqu’à l’autre rive. On obtient ainsi le « Toe-Width » utilisé dans l’équation de Swift.


- Définition du « toe-of-bank » pouvant être source d’incertitude. Problème lorsque le « toe-of-bank » le plus bas correspond au talweg (ligne rejoignant les points les plus bas du cours d’eau). Mesure du Toe-Width impossible, prendre alors le point haut s’il existe.

- Incertitude importante (cf. erreur standard de 28 à 56% selon le stade et l’espèce étudiés)


- HISS J.M (1993), Instream Flow recommandations for the Dungeness-Quilcene area salmon and steelhead streams, US Fish and Wildlife Service, Western Washington Fishery Resource Office, , 39 p.

- EES Consulting (2009), Toe-Width Assessment – Final Report, WRIA 59 Water Resource Management Board, Jan.2009, 19 p.

- GELLER L. (2009), Focus on Instream Flow Study Methods used in Washington State, Department of Ecology, State of Washington, Publication 09-11-019, July 2009, 4 p.

Source : EES Consulting (2009)


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Wetted Width – Wetted Perimeter

(Périmètre mouillé) USA - Australie


du DMB Hydraulique-002

1.2.2. Wetted perimeter (Périmètre mouillé) Domaines d’application

- Utilisé dans le cas de périodes en basses eaux et sur des profondeurs d’au moins 6 pouces (soit environ 15,5cm), les jeunes saumons se trouvant rarement dans des eaux plus basses (d’après GELLER L.).

- Zones à peuplement piscicole (essentiellement salmonidés)

Principe

- Cette méthode utilise le lien entre périmètre mouillé (périmètre de la section du cours d’eau en contact effectif avec l’eau, sans prendre en compte la largeur à la surface de l’eau) et l’habitat potentiel des espèces piscicoles. Elle permet d’indiquer à quel débit l’habitat devient stable, et où l’apport suffisant en nourriture pour les poissons est assuré pendant l’étiage.

Appareillage

- Appareil de mesure pour l’évaluation du périmètre mouillé.

Protocole

1. Série de mesures de périmètres mouillés en fonction de fluctuations de débits.

2. Réalisation d’un graphique rassemblant les données.

3. Point d’inflexion du graphique correspond au débit recommandé par la méthode.


- Manque de clarification dans les choix imposés par la méthode.

- Doutes émis quant à la véracité des résultats.


- GIPPEL C.J., STEWARDSON M.J (1998), Use of wetted perimeter in defining minimum environmental flows, Cooperative Research Centre for Catchment Hydrology, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Melbourne Australia, Regulated Rivers : Research & Management, 14 : 53-67, 15 p.


Source : Geller L. (2009)

Périmètre mouillé

Source : Beauchamp J., Université Picardie


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1.3. Méthodes holistiques Ces méthodes ont l’avantage d’être peu coûteuses en temps et financièrement. Elles peuvent être appliquées à court terme et suivies à chaque étape de leur mise en œuvre par l’ensemble des acteurs gestionnaires de l’eau. En effet, si on prend l’exemple de la méthode « Building Block », chaque étape fait l’objet d’un rapport et sollicite l’ensemble des acteurs concernées. Chacun est donc informé du déroulement de la méthode et peut comprendre l’ensemble des choix qui sont faits. De même pour le cas des méthodes utilisées en Italie, on remarque que chaque paramètre étudié est associé à un facteur dont le classement est bien explicite. Ainsi, cette transparence des méthodes holistiques permet une bonne « prise en main » des différents outils par les gestionnaires de l’eau. Ces avantages peuvent être nuancés par la simplification, peut-être trop poussée, des paramètres pris en compte dans l’estimation des débits biologiques. D’autre part, faisant appels aux jugements d’experts pour la méthode « Building Block », ou à des critères d’ordre qualitatif utilisés dans les méthodes italiennes, on peut penser que la subjectivité qui en découle peut être source d’erreurs et remettre en cause la reproductibilité des méthodes d’un territoire à l’autre [d’après REBILLARD V. (2006)].

Source : SEA 74


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Range of Variability Approach (RVA)

USA


du DMB Holistique-001

1.3.1. RVA Domaines d’application

- Utilisé dans le cas de rivière où la conservation de la biodiversité et la protection de l’écosystème sont des objectifs prioritaires dans la gestion du cours d’eau. (D’après RICHTER et al. 1997)

Principe

- Méthode qui prend en compte l’influence du régime naturel d’un cours d’eau sur son écosystème, pour proposer une meilleure gestion holistique.

- Cela comprend entre autres l’étude des variations intra et inter-annuelles du régime hydrologique, caractérisé par la magnitude (valeur du débit moyen sur une période donnée), la saisonnalité (régularité avec laquelle un événement hydrologique réapparaît), la durée (période temporelle associée à un régime particulier, crue ou étiage par exemple).

Appareillage

- Tout le matériel et les ressources nécessaires au suivi hydrologique à long terme d’un cours d’eau (matériel de mesures, traitement statistique…)

Protocole

1. Nécessite une analyse statistique pour tenter de reconstituer le régime naturel à partir de trente-deux indicateurs, répartis en cinq groupes. (Calcul de la moyenne, écart-type, et plage de variations) - Magnitude de l’écoulement mensuel, - Magnitude et durée des conditions extrêmes annuelles, - Saisonnalité des conditions extrêmes annuelles, - Fréquence et durée des « pics » et des « creux » de débit, - Taux de variations et fréquence des changements d’écoulement)

2. Fixer les objectifs de gestion pour chaque indicateur, en fonction des connaissances dont on dispose. L’écart-type est le critère souvent utilisé, il permet une flexibilité au niveau des usages de la ressource sans soumettre l’écosystème à un stress important.

3. Mise en place d’un système de gestion en utilisant si besoin des modèles hydrologiques pour faciliter la définition de nouvelles règles. Et surtout mise en place d’un suivi annuel, qui permet de réorienter les objectifs en fonction de l’évolution des connaissances.


- Les données hydrologiques sont plus faciles à rassembler que des données hydrauliques ou biologiques mais ici, la difficulté est de pouvoir disposer d’un suivi hydrologique de la zone étudiée sur une période d’au moins vingt ans, au pas de temps journalier. - Difficulté dans la hiérarchisation des différents indicateurs, quel poids doit-on accorder à chacun dans la définition d’un nouveau plan de gestion. - À long terme, il est préférable de compléter l’étude purement hydrologique avec d’autres modèles.


- RICHTER B.D. et al. (1997), How much water does a river need ?, Freshwater Biology, 37: 231–249.

- RICHTER B.D et al. (2003/02), Ecologically sustainable water management : Managing river flows for ecological integrity, Ecological Applications, Vol.13, n°1, 206-224.

- REBILLARD V. (2006), Détermination et mise en place des régimes réservés pour les cours d’eau, Synthèse technique, Engref Montpellier, Cemagref Lyon, 26 p.


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Building Block Methodology (BBM)

Afrique du Sud



1.3.2. Building Block Methodology Domaines d’application

- Non spécifié.

Principe

- Consiste à identifier pour chaque mois les composantes essentielles du régime naturel d’un cours d’eau, pour en déduire la valeur du régime d’écoulement qui facilitera le maintien de l’écosystème.

Appareillage

- Matériel de mesure pour le suivi hydrologique.

Protocole

1. Planification de l’étude avec collecte des données nécessaires, choix des sites de référence et détermination des objectifs.

2. Mise en place du groupe de travail (une vingtaine de personnes) réunissant les acteurs et les experts des domaines concernés (hydrologues, ingénieurs, gestionnaires, biologistes, …). Chaque spécialiste évalue alors l’impact de modifications de débit après avoir visité les sites d’étude. Ainsi, par la combinaison des avis des différents spécialistes, un régime hydrologique global est établi en fonction des objectifs précédemment fixés.

3. Analyse des régimes préconisés, en termes de faisabilité par rapport aux différentes contraintes imposées par les usagers de la ressource. En cas d’incompatibilité, il y a ajustement possible tout en limitant les impacts écologiques. Le régime alors accepté est ensuite traduit en véritables séries hydrologiques à partir de modèles climatiques et hydrologiques. Des études complémentaires plus poussées sont menées pour identifier des manques apparus durant l’analyse. Un programme de suivi est également mis en place pour pallier à l’évolution du mode de gestion au fil des années.


- Une mise en œuvre rapide de la méthode (moins de 1 an), mais la température et la qualité de l’eau ne sont pas prises en compte.

- Les résultats restent assez subjectifs, car s’appuient sur des avis d’experts, contestables par les différents acteurs à la différence des modèles déterministes. --- - Les études ayant été faites sur des sites encore préservés (contexte Afrique du Sud), la méthode est peu adaptée aux cours d’eau fortement aménagés, et s’inscrit plus dans une démarche de préservation que de restauration des écosystèmes existants.


- THARME R., KING J. (1998), Development of the Building Block Methodology for instream flow assessments and supporting research on the effects of different magnitude flows on riverine ecosystems, Water Research Commission Report n° 576/1/98, 452 p.

- THARME R. (2003), A global perspective on environmental flow assessment : Emerging trends in the development and application of environmental flow methodologies for rivers, River Research and Applications, Vol.19, 397-442.

- THARME R., KING J., VILLIERS M. (2008), Environmental flow assessments for rivers : Manual for the Building Block Methodology (updated ed.), Water Research Commission Report n°TT354/08,364 p.


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Autorità di Bacino del fiume Po

Italie


du DMB Holisitique-003

1.3.3. Les régions italiennes


- Cours d’eau ayant des caractéristiques de ceux présents dans le bassin du Pô. Comprend entre autres des cours d’eau de montagne (alpins, appenins) et de plaine.

Principe

- Méthode la plus utilisée, au niveau national. Reconnue pour sa facilité d’utilisation, ses faibles coûts de mise en œuvre et l’implication de plusieurs facteurs importants comme la qualité et la valeur naturelle du cours d’eau et d’une valeur absolue calculée par rapport à la superficie du bassin étudié.

Appareillage

- Rien de spécifique excepté les données nécessaires à rassembler pour le calcul.

Protocole

- La méthode se résume par l’équation suivante : DMV = Débit Minimum Biologique

DMV (l/s) = K x qmeda x S x M x Z x A x T

On y distingue deux sous-ensembles:

Composantes hydrologiques (variables fixées par l’Autorité de bassin du Pô) K : paramètre expérimental pour exprimer le % du débit moyen qui doit être considéré dans le calcul du DMV ; qmeda : débit spécifique moyen annuel par unité de surface (S) du bassin (l/s/km²) ;

Composantes correctives (paramètres prenant en compte si besoin, les caractéristiques spécifiques locales) M et A : facteurs de réajustement du DMV ; Z : valeur issue de l’analyse de trois paramètres – naturaliste – usages – qualité de l’eau ; T : facteur de variation du DMV dans le temps.


- Simplification poussée de l’équilibre biologique du cours d’eau. Interprétation à nuancer.


- Autorità di Bacino del fiume Po (2002), Delibera del Comitato Istituzionale n.7/2002 del 13 marzo 2002 allegato B « Criteri di regolazione delle portate in alveo »


Bassin hydrographique du fleuve Pô

Source : fr.academic.ru


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Regione Piemonte

Italie




- Adaptée aux caractéristiques des cours d’eau du Piémont. Cours d’eau de montagne.

- Utilisable dans le cas de cours d’eau influencé par des captages ou prises d’eau.

Principe

- Utilise l’expression adoptée par l’Autorité de bassin du Pô, qui a été revue au cours du projet de l’enneigement de « Alpette-Sises » lors des XXème Jeux Olympiques (Turin, 2006). - Formule adoptée par le Consortium Lombard de la Vallée du Ticino pour la définition du Débit Minimum Biologique du fleuve Ticino.

Appareillage


Protocole


DMV (l/s) = KA x KB x KC x q355-N x S

q355 : Débit caractéristique d'étiage (DCE), débit journalier dépassé en moyenne 355 jours par an.

q355-N : représente une valeur du q355 adaptée aux conditions locales, S : surface du bassin (km²)

KA : paramètre variant de 0,25 à 1, exprime la valeur hydrologique du q355 avec une fréquence de retour entre 3 et 5 ans.

KB : paramètre variant de 0,10 à 1, dépend du type et de l’âge de l’ouvrage concerné. Prend en considération l’introduction progressive des notions de Débit Minimum Biologique et s’échelonne de 0,1 pour les ouvrages construits avant 1994 jusqu’à 1 pour ceux après janvier 2005.

KC : paramètre variant entre 1 et 1,5, exprime le niveau de protection environnementale que l’on souhaite attribuer au cours d’eau.




- Regione Piemonte (2004), Piano di Tutela delle Acque R 3.1.1/1, R 3.1.1/2 « Deflusso Minimo Vitale »

- Consorzio Lombardo della Valle del Ticino, « Determinazione del deflusso minimo vitale del fiume Ticino ai sensi dell’art.25 della Legge 36/1994 », Delibera del Consiglio Direttivo n.183 del 18.05.1995


Région Piémont, un caractère montagneux marqué.

Source : informagiovani-italia.com


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Regione Lombardia

Italie




- Cours d’eau ayant des caractéristiques semblables de ceux présents dans le bassin du Pô. Comprend entre autres des cours d’eau de montagne et de plaine.

Principe

- Sont différenciées les situations des grands bassins et des petites dérivations. Pour les grands bassins, le DMB est calculé à partir de la définition mise au point par l’autorité de bassin du Pô.

Appareillage


Protocole

- La méthode se résume par les équations suivantes : DMV = Débit Minimum Biologique

DMV (l/s) = K x qmeda x S x M x Z x A x T (pour grands bassins, cf.Autorità di bacino del fiume Po)

DMV (l/s) = 1,6L/s.km² x S x P x A x Q x N (pour petites dérivations)

S : superficie du bassin soumis à l’impact de l’ouvrage (comprend également les zones déjà influencées par des captages existants à l’amont du captage prévu) K : paramètre expérimental qmeda : débit spécifique moyen annuel par unité de surface (S) du bassin (l/s/km²) (Qmedia/S) M : paramètre morphologique Z : paramètre prenant compte des exigences naturaliste (N), usagers (F), et qualité de l’eau (Q) A : paramètre pour les interactions et échanges entre eaux de surface et eaux souterraines T : variation des rejets du captage sur l’ensemble de l’année P : facteur des précipitations moyennes annuelles



- Distinction entre petites dérivations et grands bassins non trouvée.


- Delibera n.VII/1048 del 28 luglio 2004, (2004) « Atto di indirizzo per la tutela di uso e tutela delle acque della regione Lombardia – linee strategiche per un utilizzo razionale, consapevole e sostenibile della risorca idrica », 23 p.


Région Lombardie, source : ccmonline.fr


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Autorità di bacino interregional del fiume

Magra (Liguria-Toscana) Italie




- Adaptée aux caractéristiques des cours d’eau des régions Ligurie et Toscane. Adaptation possible aux cours d’eau de montagne.

Principe

- Basé sur le modèle proposé par l’autorité de bassin du Pô, pour faire évoluer celui-ci vers une prise en compte des spécificités locales.

Appareillage


Protocole


DMV(l/s) = S x RSPECIFICO x P x A x QB x N x QR x G x L + M S : superficie du basin influencé par le captage (km²) RSPECIFICO : constante expérimentale, égale à 1,6l/s.km² P : précipitations moyennes annuelles A : altitude moyenne du bassin étudié QB : qualité du cours d’eau (indicateurs biologiques de qualité) N : intérêt naturaliste QR : évaluation de la qualité chimique de l’eau restituée G : facteur géomorphologique pour ajuster la nature des rejets à la morphologie du lit du cours d’eau (ex : la réduction du débit imposée par une prise d’eau exerce un impact environnemental plus important quand le lit du cours d’eau est large et plat ; inversement, la réduction du débit provoque une réduction des surfaces en eau dans le cas de cours d’eau encaissés (lit étroit, profondeur et pentes des berges élevées) L : facteur considérant la distance entre la prise d’eau et le point de restitution, le long du tronçon influencé. M : facteur de variation du débit.




- Autorità di Bacino Interregionale del fiume Magra (2006), Piano di stralcio.


Bassin hydrographique du fleuve Magra, entre Toscane et Ligurie

source : adbmagra.it


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Autorità di Bacino Regionale Calabria

Italie




- Utilisable dans le cas de cours d’eau soumis à des captages ou prises d’eau... D’après le modèle, les bassins versants dont l’altitude moyenne est supérieure à 800m ne peuvent pas être étudiés.

Principe

- S’inspire de la méthode proposée par la vallée de la Valtellina avec la loi n°102/90 et celle de l’autorité de bassin du Pô. Elle s’est enrichie au cours des 15 années d’expérience et en particulier avec une étude sur le bassin du fleuve Serchio.

Appareillage

- Nombreuses données à connaître au préalable (précipitations, géologie du site, …). Nécessite pour leur acquisition un certain nombre d’outils propres à chaque donnée.

Protocole

- Le modèle se résume en une équation : DMV = Débit Minimum Biologique

DMV = Z + Md où Z = A x B x C x D x E x F x G x H (l/s) Md : terme de variation du débit, variable en fonction du débit observé en amont (sensé prendre en compte les variations de débit lié au régime hydrologique naturel du cours d’eau, qui influe sur les cycles biologiques des différentes biocénoses). A : superficie du bassin hydrographique influencé par l’ouvrage (km²) B : rejet spécifique fixé à 1,6l/s/km² C : précipitations moyennes annuelles sur le bassin considéré D : altitude moyenne du bassin E : perméabilité moyenne des terrains constituant le bassin F : qualité biologique du cours d’eau (utilisation de l’IBGN (IBE) ou autres indicateurs de qualité) G : nature du paysage (agricole, protégé, sauvage…) H : longueur du captage, H = 1 + (D x 0,025), D étant la distance en km mesuré le long du cours d’eau entre le captage et le point de restitution (si aucun rejet prévu, H = 1,2)

Les paramètres C,D,E,F et G sont sous forme de coefficients compris entre 1 et 1,2, qui ont été affectés en fonction des classes préétablies par la méthode.


- Le choix des classes et surtout leur utilisation, laissent à l’utilisateur une certaine liberté. Pour un même cas d’étude, l’estimation du DMB semble être subjective et peu transposable.

- Point positif : la simplicité d’utilisation


- Segreteria Tecnica dell’Autorità di Bacino Regionale della Calabria (2007), Criterio per la definizione del deflusso minimo vitale (DMV) dei corsi d’acqua interessati da derivazioni, in attesa dell’ approvazione del piano di tutela delle acque, con la collaborazione del prof. VELTRI P., 8p.

Région Calabre, des cours d’eau sous influence méditerranéenne

Source : informagiovani-italia.com


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Autorità di Bacino del fiume Adige

Italie




- Adaptée aux caractéristiques des cours d’eau du bassin de l’Adige. Application aux cours d’eau de montagne peut-être remise en cause, les provinces de Trente et Bolzano n’ayant pas adopté la méthode pour leurs cours d’eau.

Principe

- Méthode obtenue suite à une étude pratique.

- Les provinces autonomes de Trente et Bolzano ont préféré fixer une valeur minimale de rejet de 2l/s/km² de bassin considéré. Une variation saisonnière est prise en compte dans la réglementation de Trente où le DMB à fixer suivant le type d’ouvrage, est compris entre 2l/s/km² et 4,5l/s/km² pour la saison hivernale, et entre 3l/s/km² et 7l/s/km² pour la saison estivale. Ces chiffres ont été obtenus suite à l’étude faite sur le territoire de Trente, subdivisé en 555 sous-bassins classés selon leurs caractéristiques physiques.

Appareillage


Protocole


DMV (l/s) = DMV0 (S/S0) [(1-φ)χ / (0,6α + 0,43 (1 - φ) + 0,07γ)] + α

DMV0 : unité de mesure du Débit minimum biologique calculé à la section de référence S : superficie du bassin hydrographique S0 : superficie du bassin à la section de référence α et φ : constantes expérimentales γ : constante hydrodynamique pour les transports solides χ : constante biologique





Bassin hydrographique du fleuve Adige,

Source : bacino-adige.it


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1.4. Méthodes avec Simulation d’habitat Ce type de méthode a été développé au début des années 1980. Il s’agit des méthodes les plus contraignantes techniquement, dont la maîtrise peut s’avérer difficile. Une quantité impressionnante de données doit être collectée (hauteurs d’eau, vitesses d’écoulement, substrat, couverture, données météorologiques, températures de l’air et de l’eau, pentes, densités biologiques…). Elles ont toutefois la grande capacité de pouvoir faire correspondre à une variation de débit, une variation d’habitat propre à une espèce piscicole. Ce qui en termes d’estimation de débit biologique semble être très pertinent. Depuis de nombreuses années, ces différentes méthodes ont évolué et ont pu intégrer de plus en plus d’espèces piscicoles aux modèles. Aujourd’hui, on remarque que les travaux de recherche ont permis de simplifier l’utilisation de ces méthodes au maximum, en évitant d’occasionner des erreurs trop importantes. C’est le cas par exemple d’ « Estimhab » avec la méthode « Evha » où les données à collecter sont moins importantes, les manipulations moins nombreuses. Les résultats obtenus étant identiques, le choix d’utiliser une méthode complète ou simplifiée se fera suivant le degré d’informations et les objectifs que les utilisateurs se fixent. L’inconvénient est qu’un certain nombre de facteurs ne sont pas pris en compte dans ces méthodes. La qualité de l’eau, la température, les variations morphologiques des cours d’eau (le lit de la rivière pendant les crues par exemple), les problèmes de connectivité entre différents types d’habitat… sont tout autant de facteurs physico-chimiques, géomorphologiques à intégrer. Il est alors conseillé de ne pas se limiter aux seuls résultats de ces méthodes, mais de les associer à une interprétation plus globale.

Source : N.LAMOUROUX, Cemagref - Présentation journée technique ARRA 26.04.2010


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Instream Flow Incremental Methodology

(Méthode IFIM) USA


du DMB

Simulation d’habitat-001 GLOBALE

1.4.1. IFIM Domaines d’application

- Non spécifié. Application en montagne non vérifiée

- Zones à peuplement piscicole

Principe

- Série de modèles informatiques qui prennent en compte la gestion des conflits (LIAM), la simulation de l’habitat physique (PHABSIM – RHABSIM), la dynamique des populations salmonidés (SALMOD), la température (SNTEMP), la relation variables physiques (température, habitats) et chimiques (oxygène,…) (SIAM). Ainsi, IFIM permet d’intégrer dans une même étude les aspects qualité de l’eau, sédiments, température et autres variables (prédateurs, nourriture) qui influent sur le peuplement piscicole.

- Méthode des micro-habitats. Consiste à coupler des modèles biologiques à des modèles hydrauliques. Ainsi, cette approche permet de caractériser la capacité d’accueil d’un tronçon de cours d’eau pour un débit donné et pour une espèce piscicole, en obtenant une valeur de Surface Pondérée Utile (SPU) qui représente l’habitat disponible.

Appareillage

- Appareils de mesure des débits et de relevés topographiques, logiciel IFIM.

Protocole

1. Identification du problème (en deux parties : aspect législatif-institutionnel avec identification des partis concernés, leurs intérêts, les informations nécessaires,… ; et analyse physique avec localisation de l’espace étudié et caractérisation des ressources mises en jeu) 2. Planification de l’étude (identification des documents et informations existantes ou à constituer, réflexions sur les moyens d’acquérir ces données non disponibles (mesures, simulations, expertises…). Cette phase doit aboutir à la constitution d’un plan d’action, où doivent figurer la faisabilité de l’étude avec échéancier, ainsi que les ressources humaines et financières mises en jeu.) 3. Réalisation de l’étude (phase active d’acquisition des données, modélisation, synthèse des premiers résultats) 4. Analyses des alternatives (adéquation des objectifs, analyse des propositions de chacun des partis…) 5. Résolution du problème (discussions, négociations, choix d’une ou plusieurs alternatives)


- Formation particulière nécessaire à la bonne maîtrise de l’outil.

- Répétition des mesures (méthode assez longue, compter une semaine de terrain étalée sur 3 à 4 mois). Réalisation des mesures hautement dépendantes des conditions de débits (Opportunité).


- BOVEE K.D. et al. (1998), Stream habitat analysis using the instream flow incremental methodology, U.S. Geological Survey Information and Technology Report 1998-0004, 130 p.

- STALNAKER C.B. et al. (1995), The Instream Flow Incremental Methodology : A Primer for IFIM. Washington DC, U.S. Geological Survey Biological Report 29, 45 p.


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Hatfield & Bruce Méthode Canada


du DMB Simulation d’habitat-003

1.4.2. Hatfield & Bruce


- Non spécifié.

Application à la montagne -> non vérifiée

- Zones à peuplement piscicole (salmonidés)

Principe

- Méthode reposant sur l’extrapolation de nombreux résultats obtenus par la méthode IFIM.

T.Hatfield et J.Bruce ont développé une série d’équations capables d’estimer le débit qui maximise le WUA issu des résultats IFIM [Weighted Usable Area, correspond à la section mouillé (m²) multipliée par la valeur d’habitat (0 à 1) que l’on retrouve dans le modèle Estimhab].

Appareillage

- Pas de travail de terrain. Nécessite seulement du matériel informatique.

Protocole

1. Recueillir les données de débit moyen annuel, et les coordonnées (longitude et latitude) de la rivière.

2. Entrer ces données dans les équations de Hatfield & Bruce.


- Méthode rapide, utilisant des résultats d’une méthode reconnue. Toutefois elle ne peut remplacer une analyse détaillée d’un bassin versant et d’une rivière.


- HATFIELD T. and BRUCE J. (2000), Predicting salmonid habitat-flow relationships for streams from western North America, North American Journal of Fisheries Management 20: 1005-1015



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EVHA

France (Cemagref)



1.4.3. Evha – Estimhab Domaines d’application

- Cours d’eau de pente < 5% et hauteurs d’eau < 2m. - Zones à peuplement piscicole.

Principe

Méthode des micro-habitats. Le principe de cette méthode est d’intégrer dans un modèle des paramètres physiques du cours d’eau, qui permet de définir les ‘’habitats’’, et des informations biologiques répondant aux caractéristiques des espèces présentes. Elle consiste donc à coupler une description hydraulique dynamique d’une portion représentative de cours d’eau avec des modèles de préférence d’habitat d’espèces ou groupes d’espèces se comportant de façon semblable vis-à-vis de l’habitat (guilde). (D’après note ESTIMHAB, SOUCHON Y. et al. (2003) – Cemagref)

Appareillage

- Matériel nécessaire au relevé des largeurs et hauteurs d’eau, à la mesure de la taille moyenne du substrat, et du débit du cours d’eau le jour de l’intervention.

- Matériel informatique. Logiciels en libre accès sur www.cemagref.fr (Rubrique Le Cemagref >

L'organisation > Les centres - 9 centres en France métropolitaine, un centre en Martinique > Lyon > Milieux Aquatiques,

Ecologie et Pollutions > Laboratoire Dynamiques, indicateurs et modèles en écohydrologie > Logiciels)

Protocole

- Sectorisation du cours d’eau en tronçons morphologiques homogènes. Sur chaque tronçon, une station représentative est choisie et étudiée en détails (estimation du débit médian interannuel Q50, mesures des hauteurs et vitesses d’eau, et de la granulométrie du substrat)

- Mettre en place une campagne de mesures afin d’obtenir les données nécessaires à intégrer dans le modèle (hydrauliques et topographiques essentiellement).

-Interprétation des résultats : le modèle n’offre pas de chiffre ‘’magique’’ sur un débit biologique à mettre en place. Il nécessite une utilisation et une interprétation par un spécialiste.


- Lourdeur du protocole. - Application impossible à des cours d’eau non salmonicoles (obstacle levé depuis l’obtention de courbes de préférences pour d’autres espèces que la truite et le saumon). - Difficulté d’interprétation (les sorties logiciels ne se substituent pas à une expertise hydro-écologique correcte : écologie et dynamique du cours d’eau et de ses biocénoses). - Non prise en compte d’autres facteurs limitants comme la température et les variables physico-chimie.


- GINOT V. (1998), Logiciel EVHA. Evaluation de l'habitat physique des poissons en rivière (version 2.0.). Guide de l'utilisateur. Cemagref Lyon BEA/LHQ et Ministère de l'Environnement, Direction de l'Eau, Paris, France, 176 p.

Source : GELLER L. (2009)

http://www.cemagref.fr/

http://www.cemagref.fr/le-cemagref

http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation

http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres

http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres/lyon

http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres/lyon/ur-maly


http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres/lyon/ur-maly/laboratoire-dynamiques-indicateurs-et-modeles-en-ecohydrologie

http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres/lyon/ur-maly/laboratoire-dynamiques-indicateurs-et-modeles-en-ecohydrologie/logiciels/resolveuid/b172c8bb508c87364db5a2c912389a3e



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ESTIMHAB

France (Cemagref)



1.4.1. Evha – Estimhab Domaines d’application

- Cours d’eau de pente < 5% et hauteurs d’eau < 2m. - Zones à peuplement piscicole. Non testé en situation de montagne

Principe

Bénéficiant des apports d’EVHA, ESTIMHAB se base sur le même principe de fonctionnement, mais ‘’simplifié’’. En effet, de nombreux retours d’expérience traités en France métropolitaine (>200) ont permis de faire évoluer le logiciel. Ce sont surtout les mesures de terrain et la modélisation hydraulique qui ont été modifiées, avec la disparition des opérations de lever topographique et de calage de ligne d’eau (contraignantes sous EVHA).

Appareillage

-Logiciel en téléchargement gratuit sur :

http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres/lyon/ur-maly/laboratoire-dynamiques-indicateurs-et-modeles-en-ecohydrologie/documents/logiciel-estimhab-uk/view

Protocole

- Sectorisation du cours d’eau Idem EVHA.

- Campagne de mesures : La saisie et le traitement des données sont simplifiés par rapport à EVHA

Source : SOUCHON Y. et al. (2003)


- Le choix entre EVHA et ESTIMHAB relève de l’examen comparatif entre modes opératoires, informations souhaitées (cartographie, profil,…), et gammes d’espèces ou guildes disponibles.


- SOUCHON Y. et al. (2003), La méthodologie ESTIMHAB dans le paysage des méthodes de microhabitat. Note technique, Cemagref Lyon, BELY, Laboratoire d’hydroécologie quantitative, 9 p.




http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres/lyon/ur-maly/laboratoire-dynamiques-indicateurs-et-modeles-en-ecohydrologie/fichier-pdf/microhabitatsnotedirenysv00703



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Physical HABitat SIMulation (PHABSIM) Riverine HABitat SIMulation (RHABSIM)

USA (partie intégrante d’IFIM)



1.4.1. Phabsim – Rhabsim Domaines d’application

- Non spécifié. Application à la montagne -> limite des 5% de pente comme Estimhab ? - Zones à peuplement piscicole.

Principe

Même principe que pour EVAH/ESTIMHAB - Méthode des micro-habitats. Consiste à coupler des modèles biologiques à des modèles hydrauliques. Ainsi, cette approche permet de caractériser la capacité d’accueil d’un tronçon de cours d’eau pour un débit donné et pour une espèce piscicole, en obtenant une valeur de Surface Pondérée Utile (SPU) qui représente l’habitat disponible. - RHABSIM est une version remaniée du modèle PHABSIM. Plus simple d’utilisation et compatible avec Windows.

Appareillage

- Matériel informatique. Logiciel disponible sur www.fort.usgs.gov/products/software/phabsim - Données (hauteur d’eau, vitesses d’écoulement, susbtrat). Matériel nécessaire à l’acquisition des données.

Protocole

1. Première étape : Composante hydraulique Intégration des données pour le calibrage du modèle hydraulique. Le modèle est alors capable de prévoir les caractéristiques étudiées (hauteur, vitesse, substrat) dans des conditions différentes de celles mesurées (soit à des débits différents).

2. Deuxième étape : Composante habitat Saisie des préférences d’habitat pour chaque espèce de poissons considérée et aux différents stades de l’espèce (juvénile, adulte,…).

3. Troisième étape : Calcul du WUA (Weighted Usable Area) Combinaison des prédictions de profondeurs d’eau et vitesses d’écoulement du modèle hydraulique avec celles du modèle habitat. On obtient le WUA en « square feet of habitat per 1000 feet of stream ». Permet de connaître les débits favorables au développement des espèces considérées.

(WUA = HV (valeur d’habitat modèle Estimhab) x section mouillée)


- Attention dans un graphique rassemblant les résultats du WUA en fonction du débit (cf.ci-contre). Les pics de WUA ne correspondent pas forcément aux meilleures conditions. Une confusion peut-être faite entre quantité et qualité d’habitat pour des mêmes valeurs de WUA.


- WADDLE T.J. (2001), PHABSIM for Windows User's Manual and Exercises, U.S. Geological Survey Open-File Report 2001-340, 288 p. - GELLER L. (2010), Frequently Asked Questions on IFIM: An Overview of the Instream Flow Incremental Methodology, Department of Ecology, State of Washington, Publication QR-W95-104, 4 p.

Source : GELLER L. (2010)

http://www.fort.usgs.gov/products/software/phabsim


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STATHAB / FSTRESS

France (Cemagref,CNRS)



1.4.2. Stathab – FSTress Domaines d’application

- Non spécifié. Application à la montagne -> non vérifiée - Zones à peuplement piscicole. Possible adaptation aux macro-invertébrés benthiques.

Principe

- De la même manière que les modèles d'habitat classiques, STATHAB et FSTRESS combinent un modèle hydraulique (décrivant la variabilité de l'habitat hydraulique au sein de tronçons) et des modèles biologiques pour des espèces, guildes ou stades de vie. Ils utilisent la méthode des micro-habitats. - Ces deux modèles sont des modèles statistiques, simplifiant les démarches avec des relevés topographiques et hydrauliques moins précis. Ils permettent la quantification des caractéristiques hydrauliques qui contrôlent la distribution des espèces piscicoles indicatrices.

Appareillage

- Logiciels référents. (STATHAB, FSTRESS) En libre accès sur www.cemagref.fr (Rubrique Le Cemagref >

L'organisation > Les centres - 9 centres en France métropolitaine, un centre en Martinique > Lyon > Milieux Aquatiques,

Ecologie et Pollutions > Laboratoire Dynamiques, indicateurs et modèles en écohydrologie > Logiciels)

Protocole

STATHAB 1. Nécessite la constitution d’un certain nombre de fichiers d’entrée au format texte, qui vont être ensuite traités et analysés par le programme. Dans ces fichiers d’entrée, l’utilisateur doit saisir les paramètres mesurés sur les tronçons étudiés (en particulier vitesse, profondeur et rugosité).

2. Le modèle fournit un indicateur J, par combinaison linéaire des différentes caractéristiques des tronçons considérés : J = aV + b1V1 + b2V2 + b3V3 +…+ c1H1 + c2H2 + c3H3 + c4H4 +…+ d1R1 + d2R2 +…

Tous les volumes et surfaces correspondants sont considérés pour des tronçons de longueur 1m. V : Volume total du tronçon, Vi : classes de vitesse, Hj : classes de profondeur, Rk : classes de rugosité, a, bi, cj, dk : coefficients expérimentaux.

STATHAB estime pour différents débits, les volumes et surfaces respectivement associées aux différentes classes de vitesse, profondeur et rugosité des tronçons étudiés.

FSTRESS - Même principe que STATHAB, mais les fichiers d’entrée sont réduits (les informations relatives à la rugosité et profondeur des tronçons sont inutiles, ainsi que la limite des classes). Les mesures de terrain nécessaires sont similaires à celles décrites pour STATHAB, en excluant celles de rugosité.

FSTRESS estime des indices de validité en relation avec des contraintes de cisaillement présentes au fond du lit des cours d’eau.


- Difficulté de bien cerner les différences entre ces outils et les modèles EVHA-ESTIMHAB. - Mesures simplifiées par rapport à un relevé topographique complet, mais interprétation complexe.


- LAMOUROUX N., Guide d’utilisation des logiciels STATHAB et FSTRESS, Cemagref, Esa CNRS 5023 (Univ Lyon 1)

- GIRARD V. (2008), ANDESIM. Modélisation des habitats hydrauliques favorables aux invertébrés benthiques des rivières andines d'Equateur, Août 2008, 22 p.

http://www.cemagref.fr/

http://www.cemagref.fr/le-cemagref

http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation

http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres

http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres/lyon



http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres/lyon/ur-maly/laboratoire-dynamiques-indicateurs-et-modeles-en-ecohydrologie


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SYNTHESE : METHODES D’ESTIMATION DE DEBITS BIOLOGIQUES

DES METHODES VARIEES, PLUS OU MOINS PRECISES ET COMPLEXES A METTRE EN ŒUVRE POUR L’ESTIMATION D’UN DEBIT MINIMUM BIOLOGIQUE

Plusieurs points ressortent de cette vision d’ensemble des principales méthodes d’estimation des débits biologiques. Les méthodes présentées jusqu’ici permettent bien d’obtenir un débit sensé être le débit biologique recherché. Cependant, l’incertitude des résultats peut être importante en fonction de la méthode employée (jusqu’à 56% pour la méthode « Toe-Width »). De plus, il est parfois indispensable d’effectuer un suivi hydrologique sur une longue période (20 ans) avant de pouvoir envisager l’utilisation de méthodes comme celles de « Tennant » ou « RVA ». De plus, que ce soit pour la méthode « Wetted perimeter » ou pour les méthodes hydrologiques dans leur ensemble, les choix qui ont été faits lors de leur conception restent opaques. On peut se demander sur quels critères ces méthodes se fondent, pourquoi ce pourcentage plutôt qu’un autre, comment le justifier,… ? Il paraît alors difficile pour l’utilisateur de s’approprier correctement la méthode, et de savoir quelles en sont les limites. D’autre part, les méthodes hydrauliques ainsi que les méthodes de simulation d’habitat sont uniquement applicables en zone piscicole, ce qui peut constituer une limite importante par rapport à l’étude de nombreux cours d’eau, apiscicoles notamment. Cependant, un nouveau modèle de simulation d’habitat intitulé « ANDESIM »1, semble être en cours de développement et serait adapté aux macroinvertébrés benthiques. On remarque également que certaines méthodes, essentiellement celles de simulation d’habitat, imposent à l’utilisateur une formation préalable afin de pouvoir être capable de les appliquer, mais surtout pour mieux maîtriser les subtilités qu’on trouve au niveau de l’interprétation (ex : « PHABSIM » – « RHABSIM »). Au final, aucune méthode ne parvient véritablement à prendre possession de tous les facteurs influençant l’estimation d’un débit biologique à la fois. Comme dans le cas des méthodes hydrologiques, la prise en compte des paramètres biologiques est parfois limitée. Il est souvent conseillé de coupler l’utilisation d’une méthode avec une autre méthode du même type ou complètement différente pour une estimation plus fine des débits biologiques (ex : « RVA », « ESTIMHAB », « Hatfield & Bruce »). En complément à ces méthodes d’estimation de débit, apparait régulièrement l’utilisation d’indicateurs de qualité de l’eau. Ceux-ci apparaissent en effet, comme des outils nécessaires à l’application de plusieurs méthodes (en particulier aux méthodes italiennes de la région de Calabre, et Ligurie-Toscane).

1 GIRARD V. (2008), ANDESIM – Modélisation des habitats hydrauliques favorables aux invertébrés benthiques

des rivières andines d’Equateur, Polytech Montpellier, IRD-Quito, EMAAP-Quito, FONAG, 22p.


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Partie 2. Les indicateurs qualité : des outils complémentaires Alors que ces indicateurs ne permettent pas de déterminer véritablement des débits biologiques, il semble difficile de les exclure de la démarche. En effet, les méthodes proposées par ces indicateurs sont sensibles à de nombreux paramètres tel que le débit, mais aussi aux paramètres physico-chimiques, ou encore à la morphologie du cours d’eau par exemple. Ces facteurs sont autant d’éléments qui permettent à ces indicateurs d’être de véritables méthodes « intégratrices », pouvant donner une appréciation globale de la qualité d’un cours d’eau et de son équilibre biologique. Réfléchir à l’emploi de ces outils dans une démarche d’estimation de débits biologiques peut apporter une plus-value intéressante. Ces indicateurs ont été classés en fonction du type d’éléments sur lesquels ils se fondent : - les indicateurs faunistiques - les indicateurs floristiques

2. 2.1. Indicateurs faunistiques

Trois indicateurs seront présentés dans cette partie :

- l’Indice Biologique Global Normalisé (IBGN), qui traduit la qualité de l’eau et de l’habitat, en étudiant les macro-invertébrés benthiques (ensemble des larves d’insectes, des vers, des mollusques, et des petits crustacés peuplant le fond de nos rivières, dont diamètre supérieur à 500 microns).

- L’Indice Poisson Rivière (IPR), se base sur l’étude des populations piscicoles et permet d’évaluer l’impact anthropique sur l’état écologique d’un cours d’eau.

- L’Indice Oligochètes de Bioindication des Sédiments (IOBS), qui en étudiant les oligochètes aquatiques, traduit des problèmes de pollution dans les sédiments d’un cours d’eau. Son utilité semble déjà plus restrictive par rapport à l’étude des débits biologiques.

« Ces indicateurs sont basés sur la capacité des populations en place à donner des informations sur la

qualité du milieu dans lequel elles vivent (la bioindication). Jusqu’aux premières années 2000, ces

méthodes proposaient, outre protocole d’échantillonnage, traitement en laboratoire et niveaux de

détermination taxonomique, un mode de calcul (tableaux à entrées multiples ou formule mathématique)

permettant d’obtenir un indice chiffré. Elles fournissaient généralement aussi une grille de lecture de cet

indice, permettant de faire correspondre à cette note une classe de qualité (5 classes, allant du bleu au

rouge dans les documents cartographiques).

La mise en œuvre de la Directive-Cadre Européenne sur l'Eau (DCE) a nécessité une reprise complète de ces

protocoles, pour les adapter ou en développer de nouveaux, compatibles avec les nouvelles prescriptions.

Il s’agit désormais d’évaluer un niveau de qualité écologique, traduit par un rapport entre la qualité

observée et un niveau de référence situé autant que possible à l'abri de toute influence humaine. La

plupart des méthodes sont donc en cours de développement ou de test dans les réseaux de mesure et de

surveillance nationaux. » Source : Association française de limnologie, aflimno.free.fr (août 2010)


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Indice Biologique Global Normalisé (IBGN)

Norme Française T90-350

Indicateur qualité Faunistique-001

2.1.1. IBGN Domaines d’application

- Appliqué à un site d’eau courante isolé, il permet de situer la qualité hydrobiologique globale du cours d’eau. Eviter les zones des sources et les milieux atypiques tels que les zones estuariennes et les canaux.

- Appliquée comparativement (par exemple en amont et aval d’un rejet) permet d’évaluer dans les limites de sa sensibilité, l’effet d’une perturbation sur le milieu.

- Macroinvertébrés benthiques : ensemble des larves d’insectes, des vers, des mollusques, et des petits crustacés peuplant le fond de nos rivières, dont le diamètre est supérieur à 500 microns.

Principe

- L’IBGN permet d’évaluer la qualité générale d’un cours d’eau au moyen d’une analyse des macro-invertébrés benthiques, considérée comme une expression synthétique de cette qualité générale.

Appareillage

- Appareils de prélèvement équipés d’un filet d’ouverture de mailles de diamètre 500 microns. -> Pour eaux courantes (faciès lotique) : échantillonneur type « Surber » surface de base 1/20m²

-> Pour eaux calmes (faciès lentique) : Echantillonneur type « Troubleau ». Traction sur 50cm, ou, à défaut, par mouvement de va-et-vient sur une surface équivalente (surface supplémentaire, prospectée par rapport à celle du Surber, compense la fuite d’une partie des individus).

- Loupe binoculaire pour l’identification des taxons. Documents associés (clés de détermination,…)

Protocole

1. Prélèvement : Huit prélèvements par station étudiée, sur des habitats distincts. Chaque habitat est caractérisé par un couple « Support-Vitesse d’écoulement ».

À défaut de présence de certains habitats (comme dans un torrent de montagne), on peut opérer les prélèvements suivant les strates du lit du cours d’eau. La surface des blocs est échantillonnée puis séparément, la surface intérieure et le substrat sous-jacent font l’objet d’un second prélèvement.

2. Analyse : Lavage, tri et détermination des espèces récoltées.

3. Calcul de l’indice : établi à partir de deux tableaux de détermination comprenant la variété taxonomique (nombre total de taxons récoltés) et les groupes faunistiques indicateurs (prise en compte des taxons indicateurs représentés par au moins 3 ou 10 individus selon les taxons).


- La globalité de la méthode ne permet pas d’identifier les causes d’une note basse, on peut tout au mieux diagnostiquer une altération du milieu et émettre des hypothèses quant à ses origines.

- Perte de sensibilité dans des milieux aux situations typologiques extrêmes (sources, ruisselets, rivières à régime torrentiel, zones calmes des grands cours d’eau, estuaires)


- NF T90-350 (2004), Qualité de l'eau - Détermination de l'indice biologique global normalisé (IBGN).

- Association Eaux et Rivières de Bretagne, Fiche pratique – Détermination de l’Indice Biologique Global Normalisé.


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Indice Poisson Rivière (IPR)

Fish-Based Index (FBI) Norme Française T90-344


2.1.2. IPR Domaines d’application

- Cours d’eau de France métropolitaine (sauf Corse). Déconseillé de l’appliquer aux cours d’eau présentant des caractéristiques très spécifiques et non pris en compte pour définir les références comme par exemple : les exutoires de plans d’eau naturels, les secteurs de sources issues de résurgences, les secteurs soumis à l’action des marées, les réseaux drainant les zones de marais.

- Zones à peuplement piscicole

Principe

- Consiste à mesurer l’écart observé entre la composition du peuplement sur une station donnée et la composition du peuplement attendue en situation de référence, c’est-à-dire dans des conditions pas ou très peu modifiées par l’homme.

Appareillage

- Matériel nécessaire à l’échantillonnage des poissons par pêche électrique. -> Conseil : se référer à la norme NF EN 14011, 2003. Qualité de l’eau – Echantillonnage des poissons à l’électricité. T90-358

- Utilisation de l’outil de calcul de l’IPR développé par l’ONEMA sous Excel. Téléchargeable gratuitement avec le guide d’aide à l’utilisation sur : www.onema.fr/Indice-poissons-riviere

Protocole

1. Rassembler les données nécessaires au calcul : surface échantillonnée (en m²), nombre d’individus capturés pour chaque espèce ou groupe d’espèces et la connaissance de 9 variables environnementales (surface du bassin versant drainé, distance à la source, pente cours d’eau, profondeur moyenne, altitude, Température moyenne de l’air à deux périodes (janvier et juillet), …)

2. Saisie des données dans l’interface Excel pour effectuer le calcul de l’IPR.


- Ne prend pas en compte la biomasse et la taille des individus. Par conséquent, il est peu sensible dans le cas des cours d’eau naturellement pauvres en espèces (1 à 3 espèces) pour lesquels les premières manifestations de perturbations sont une modification de la structure d’âges des populations.

- Résultats à interpréter avec précaution lorsqu’une part significative des espèces capturées n’intervient pas dans le calcul de l’indice (autres espèces que les 34 prises en compte dans l’IPR).

- Attention à avoir une surface d’échantillonnage suffisante, les résultats sont d’autant moins fiables que l’échantillon comporte peu d’individus.


- OBERDORFF T. et al. (2002), Adaptation et validation d’un indice poisson (FBI) pour l’évaluation de la qualité biologique des cours d’eau français, Bull. Fr. Pêche Piscic. 365/366 : 405-433.

- NF T90-344 (2004), Qualité de l’eau – Détermination de l’indice poissons rivières (IPR).

- ONEMA, CSP (2006), L’indice Poissons Rivière (IPR) - Notice de présentation et d’utilisation – éd. Avril 2006.

http://www.onema.fr/Indice-poissons-riviere


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Indice Olichochètes de

Bioindication des Sédiments (IOBS) Norme Française T90-390


2.1.3. IOBS Domaines d’application

- Applicable en principe à toutes les eaux courantes et tous les bassins hydrographiques européens. Notamment, les cours d’eau où prédominent les sédiments fins et sableux.

- Semble encore applicable dans des eaux où les chlorures ne dépassent pas la concentration de 5000 mg.L-1 [D’après le guide méthodologique de l’IOBS (2002)]

- Ne s’applique pas aux sédiments constitués presque exclusivement par une fraction organique (ex : tourbe)

Principe

- Décrit la qualité biologique des milieux où prédominent les sédiments fins ou sableux (canaux, rivières canalisées…) par une analyse des oligochètes aquatiques (vers) qui s’y trouvent. Indique des pollutions métalliques ou organiques.

Appareillage

- Appareils de prélèvement (carottier, Haveneau, Surber, bennes, seau, tamis,…) - Matériel d’extraction, - Matériel de préparation et d’examen des lames microscopiques.

Protocole

1. Prélèvements de sédiments par station selon un protocole d’échantillonnage tenant compte du type de sédiments.

2. Extraction des oligochètes.

3. Montage des oligochètes entre lame et lamelle puis identification des taxons présents.

4. Détermination des valeurs de l’IOBS. (IOBS = 0 pour un échantillon sans oligochètes, note supérieure à 6 représente une très bonne qualité)

IOBS = 10 x S.T-1

S : nombre total de taxons identifiés parmi les 100 oligochètes T : pourcentage du groupe dominant de Tubificidae, avec ou sans soies capillaires, adultes et immatures confondus.


- Pas toujours performant dans les sédiments fins de sources et sédiments sableux de cours d’eau de montagne car les sédiments ont une faible capacité d’assimilation face à des rejets polluants réels mais modérés.


- CEMAGREF Lyon (2002), Indice Oligochètes de Bioindication des Sédiments (IOBS) – Guide méthodologique, Etude des Agences de l’Eau n°88.

- NF T90-390 (2002), Détermination de l’indice Oligochètes de Bioindication des sédiments (IOBS).

Source : Cemagref (2002)


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2.2. Indicateurs floristiques Les deux indicateurs présentés ici, l’Indice Biologique Macrophytique en Rivière (IBMR) et l’Indice Biologique Diatomées (IBD), sont tous les deux fondés sur l’analyse des macrophytes (plantes aquatiques, principalement des algues). Ces macrophytes sont sensibles à la qualité de l’eau et des sédiments. La présence, la prolifération ou la disparition de certaines espèces permet essentiellement de mettre en évidence les risques de pollution et l’évolution du milieu.

Source : hydrobio-dce.cemagref.fr


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Indice Biologique Macrophytique

en Rivière (IBMR) Norme Française T90-395

Indicateur qualité Floristique-001

2.2.1. IBMR Domaines d’application

- Applicable principalement aux cours d’eau « naturels » ou artificialisés de petite ou moyenne dimension où les macrophytes sont dominantes. Il existe une annexe normative pour une adaptation méthodologique aux grands cours d’eau (où la végétation est souvent limitée aux zones rivulaires).

- Difficile à utiliser dans les cours d’eau de montagne à forte énergie, car les éléments biologiques sont peu présents et représentatifs des fortes contraintes naturelles. Dans les cours d’eau plus végétalisés, certains groupes macrophytiques (bryophytes, peut-être algues) peuvent être utilisables, mais cela passe par une analyse écologique spécifique. Méthode en cours de développement (d’après CHAUVIN C. (2010), Aquaref).

Principe

- Fondé sur l’examen des macrophytes pour déterminer le statut trophique des rivières. L’IBMR traduit essentiellement le degré de trophie lié à des teneurs d’ammonium et orthophosphates, ainsi qu’aux pollutions organiques les plus flagrantes.

Appareillage

- Matériel d’observation de laboratoire ou de terrain (loupe,..). - Clés de détermination des taxons.

Protocole

1. Observation in situ des peuplements macrophytiques sur une station d’une centaine de mètres. 2. Identification des taxons. 3. Estimation de leurs recouvrements avec prélèvement éventuel pour vérification taxonomique. 4. Calcul de l’IBMR à partir de la liste floristique comprenant 208 taxons (algues, bryophytes, plantes vasculaires) qui donne une note de 0 à 20 (supérieur à 14, très bonne qualité).

IBMR = ∑ (Ei x Ki x CSi) / ∑ (Ei x Ki)

Ei : coefficient de sténoécie (capacité d’adaptation de l’espèce i) -> 1 pour une espèce euryèce (grande capacité d’adaptation) à 3 pour une espèce sténoèce (faible capacité d’adaptation) Ki : coefficient d’abondance de l’espèce i (1 à 5) CSi : Côte spécifique d’oligotrophie de l’espèce i (0 à 20)


- Indépendamment du degré trophique du cours d’eau (richesse en nutriments), la note de l’IBMR peut varier également en fonction des caractéristiques physiques du milieu comme l’intensité de l’éclairement et des écoulements.


- NF T90-395 (2003), Qualité de l'eau - Détermination de l'indice biologique macrophytique en rivière (IBMR).

- BREUGNOT E. (2007), Déterminisme spatio-temporel des peuplements macrophytiques en grands cours d’eau – application à la Garonne et à la Dordogne, Université Bordeaux 1, Cemagref, 322 p.

- À paraître: Guide méthodologique et technique pour l’application de l’IBMR. (Guide d’Application AFNOR, prévu pour 2010).


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Indice Biologique Diatomées (IBD)

Norme Française T90-354

Indicateur qualité Floristique-002

2.2.2. IBD Domaines d’application

- Applicable à l’ensemble des cours d’eau, excepté les zones estuariennes.

Principe

- Destiné à appréhender la qualité de l’eau, cet indice s’applique à des algues microscopiques fixées sur les pierres des lits des cours d’eau (diatomées benthiques) qui fournissent une information différente de celles qui dérivent en suspension dans l’eau. Les diatomées sont des algues à paroi siliceuse, et sont surtout connues pour réagir aux pollutions organiques, nutritives (azote et phosphore) salines, acides et thermiques et peuvent aussi apporter des informations sur l’importance du marnage.

Appareillage

- Matériel de prélèvement (brosse, récipients…)

- Matériel d’extraction et d’observation microscopique.

Protocole

1. Prélèvement des échantillons par grattage de pierres.

2. Préparation des diatomées visant à éliminer le contenu cellulaire pour ne garder que le squelette siliceux, plus facilement observable. Traitement des échantillons à l’eau oxygénée, montage entre lame et lamelle.

3. Observation et identification des taxons présents au microscope.

4. Calcul de l’indice avec une note comprise entre 1 et 20. La note 0 est attribuée aux situations où il n’a pas été possible de dénombrer des diatomées.


- Essentiellement utilisé pour la mise en évidence des altérations chimiques. Ce qui est facilité dans les situations extrêmes, en basses eaux (débit minimal, température maximale) ou en période critique (rejets, activités humaines…).

- Complément intéressant aux macroinvertébrés benthiques qui renseignent essentiellement sur la qualité du milieu (qualité et diversité des habitats) et la qualité de l’eau (matières organiques en particulier)


- NF T90-354 (2007), Qualité de l'eau - Détermination de l'Indice Biologique Diatomées (IBD).

- DRUART J.C, LAINE L. (2006), Indice Biologique Diatomique – Exemple de la rivière Arve (74), INRA Thonon-les-Bains, Poster pour Congrès de l’Eau en Montagne 2006, Megève.

- OIEau (2000), La qualité biologique des cours d’eau en France – Edition 2000, Ministère de l’environnement, 17 p.

Source : Cemagref.fr


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SYNTHESE : INDICATEURS QUALITE

LES INDICATEURS QUALITE ET LEUR VASTE DOMAINE D’APPLICATION Ces indicateurs ont l’inconvénient, si l’on considère celui-ci comme tel, de donner une appréciation de la qualité de l’eau, un jugement parfois peu évocateur. Certes, ils sont des outils synthétiques et faciles d’utilisation, mais le fait de déterminer la qualité de l’eau comme étant bonne, mauvaise, ou même « moyenne », peut laisser l’utilisateur dans une certaine confusion. Ils apparaissent néanmoins comme de bons outils de suivi suite à l’application d’un Débit Minimum Biologique [D’après « Cellule débits réservés », EDF (2004)] Pour certains indicateurs encore en phase de développement comme l’IBMR *dont le guide méthodologique et technique (AFNOR) devrait paraître fin 2010], peu de retours d’expériences sont actuellement disponibles. Il est alors difficile d’affirmer les avantages de chacun des indicateurs ou de faire ressortir véritablement leurs lacunes. Si on prend l’exemple d’une note basse d’un IBGN, il est difficile d’interpréter le résultat. On peut uniquement diagnostiquer l’altération du milieu et émettre des hypothèses quant aux causes de cette altération (d’après l’Association « Eaux et Rivières de Bretagne »). Ces difficultés d’interprétation se feront davantage sentir dans des milieux extrêmes, notamment les zones de sources ou les rivières à régime torrentiel. Les indicateurs comme l’IBGN perdent alors de leur sensibilité ou voient leurs lacunes mises en relief. Par exemple l’IPR, dans les cours d’eau pauvres en espèce, ne prend pas en compte les facteurs de biomasse et de taille des individus alors qu’ils sont les premiers touchés [D’après ONEMA, CSP (2006)]. Cependant, on peut affirmer que les éléments fondateurs de ces indicateurs peuvent être fortement employés dans les démarches d’estimation de débits biologiques. Que ce soient les macroinvertébrés benthiques, les macrophytes,… la grande diversité de ces organismes permet de couvrir un domaine d’application relativement large et vraisemblablement la majorité des cours d’eau français.


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ANNEXE

Critères pour la détermination des débits biologiques des méthodes italiennes

En général, les méthodes de définition du DMB peuvent être divisées en deux grandes catégories. Les méthodes rapides régionalisées (en fonction des régions italiennes) qui utilisent des paramètres hydrologiques synthétiques et les méthodes "expérimentales" qui visent à déterminer la relation entre le débit et la qualité de l'habitat en utilisant généralement des espèces qui sont optimales pour une référence fixe.

Les méthodes régionales : Dans cette première catégorie sont regroupés les indicateurs qui expriment le DMB sur la base des caractéristiques morphologiques et hydrologiques du bassin. Ils sont les moyens les plus rapides et faciles à adopter, dans le cas où les données hydrologiques nécessaires sont disponibles. L’estimation du DMB, exprimé en pourcentage du débit moyen ou d’étiage, éventuellement modulé par la valeur, se fait en fonction des sous-bassins versants (l/s x km2). Ce sont des méthodes qui ne sont pas basées sur une évaluation objective du DMB mais elles correspondent à une "médiation" entre les parties (usagers) concernées avec une valeur pour un débit biologique minimum qui rejoigne approximativement des valeurs ‘’naturelles’’. Le débit minimum préconisé varie selon différents types de variables, ainsi que de l’échelle d’étude:

-Les variables morphologiques : Elles sont basées sur la définition d'un débit spécifique (par unité de surface). Dans ces méthodes la valeur pour la contribution au DMB est supposée constante dans un assez grand territoire. Toutefois, étant donné l'impossibilité de représenter de cette manière certaines situations spécifiques, divers facteurs de correction ont été introduits. -Les variables hydrologiques ‘’simplifiées’’ : le DMB est fonction de certaines valeurs caractéristiques de l'écoulement dans la section concernée, comme par exemple le débit moyen mensuel, le débit moyen annuel, etc -Les variables hydrologiques et morphologiques : Elles expriment une équation de régression entre le seuil de viabilité, et certaines variables hydrologiques, et la morphologie du bassin. – elles sont basées sur l'identification des valeurs de fréquence ou la durée de ruissellement. Un exemple simple est celui basé sur le débit moyen minimum de 7 jours (moyenne mobile) avec une période de retour de 10 ans (Q7-10, utilisé dans certains États américains).

NB: En ce qui concerne le calcul du débit moyen, qui rentre en considération dans différentes méthodes, il doit être le plus proche possible de l'écoulement naturel calculé à partir des stations de surveillance avec au moins cinq ans de mesures.


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Les méthodes expérimentales : Ces méthodes sont basées sur des techniques expérimentales visant à une identification précise de la détermination des conditions environnementales optimales pour obtenir une sorte de référence : profondeur, vitesse, température de l'eau et les caractéristiques du substrat. Elles sont caractérisées par la singularité de l'estimation du débit minimum biologique et ne sont valables que localement et limitées à l'espèce. Nous pouvons différencier deux types d’indicateurs utilisés dans ces méthodes. Les indicateurs ‘’simples’’ comme l'utilisation des variables hydrauliques non transformées, le périmètre mouillé ou la largeur de la section utile pour le développement d’une espèce, et les indicateurs complexes comme des variables hydrauliques couplées à des paramètres biologiques (par exemple PHABSIM). Les méthodes mixtes La typologie mise en place (méthodes régionales et méthodes expérimentales) ne permet pas de classer toutes les méthodes. Aussi les méthodes ne rentrant pas dans ces deux catégories ou pouvant être classées dans l’une ou l’autre des catégories sont regroupées dans une catégorie intitulée « méthodes mixtes » ou « méthodes hybrides ».


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Classification des différentes méthodes en fonction de leurs caractéristiques : Les différentes méthodes existantes, selon les variables indépendantes considérés dans les critères de définition, peuvent être distinguées en différents sous-groupe. Les schémas ci-dessous illustrent les critères méthodologiques les plus répandus pour le calcul du DMV.

Source : Provincia di Genova (2009), Piano di bacino stralcio sul bilancio idrico - PARTE

GENERALE, Direzione Pianificazione Generale e di Bacino. a) Méthodes qui utilisent des variables à l'échelle du bassin. On retrouve dans cette catégorie les méthodes ‘’rapides’’ et de régionalisations qui définissent la valeur de DMB en utilisant des données relativement facile à trouver sans enquête sur le terrain.


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b) Les méthodes qui utilisent comme variable d'entrée la moyenne annuelle. Le débit moyen annuel est certainement la variable hydrologique la plus facile à trouver. Par conséquent, il existe de nombreuses méthodes qui, compte tenu de cela, se reporte au débit moyen pour la définition du débit minimum biologique. Parmi les plus célèbres, la méthode Montana (Tennant, 1976) qui identifie une ‘’tranche’’ optimale pour définir le DMB entre 10 et 60% du débit annuel moyen. c) Les méthodes basées sur la reconstitution du débit naturel. Elles font parties des méthodes les plus communes, adoptées dans de nombreux pays, avec des critères basées sur le débit moyen. Ce sont les paramètres hydrologiques de références les plus couramment utilisés, comme par exemples la norme suisse qui se réfère au débit Q347, ou celle de la Région Piémont qui définit le DMB sur un débit de 355 jours. La définition des paramètres hydrologiques de référence dans ce cas est arbitraire car elle n'est généralement pas rapportée à la qualité de l'habitat fluvial. d) Les méthodes qui utilisent des variables hydrauliques Il s’agit ici des méthodes expérimentales basées sur l'hypothèse qu'il existe une corrélation entre les variables hydrauliques (périmètre mouillé, largeur de la section, etc.), dépendantes du débit, et l'amélioration de l'écosystème fluvial. Concrètement, les variations de conditions hydrauliques induites par l'écoulement, sont considérés comme représentatives des effets biologiques sur l'habitat. Une des méthodes répondant à cette catégorie est, par exemple, la méthode du périmètre mouillé (Nelson, 1980). e) Les méthodes qui utilisent plus d'une variable hydraulique et structurelle Ces méthodes sont beaucoup plus complexes est se base sur la prise en compte de plusieurs variables, souvent sous la forme d'indices agrégés. Cette catégorie comprend les méthodes de microhabitats (exemple :PHABSIM) qui utilisent des variables hydrauliques et structurelles (profondeur, vitesse, couverture, substrat) traitées en fonction de leur importance biologique. Elles représentent la superficie de l'habitat optimal pour les espèces de référence. L'hypothèse ici est que la surface mouillée d'un cours d'eau ne peut pas être utilisée de la même manière par les différentes espèces ou lors de leurs différents stades de vie. Par exemple, les œufs de nombreuses espèces de poissons ont des exigences en termes de profondeur, vitesse du courant et substrat qui sont très différentes de celles des adultes ou des stades juvéniles. Certains auteurs (Wesch, 1980), définissent des indices d'aptitude hydrauliques en utilisant des critères binaires (convient / ne convient pas), à différentes échelles.


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f) Les méthodes qui utilisent de nombreuses variables A cette catégorie appartiennent les méthodes qui utilisent des techniques de régression multiple pour définir l'habitat optimal de l'espèce de référence. Très souvent, ces modèles sont en corrélation avec la productivité maximale (capacité de charge) d'un habitat fluvial à l'égard d'une espèce cible ou à un élément biologique variable plus ou moins important. Parfois, comme dans le cas du modèle Binns (Binns et al., 1979), les variables d'entrée sont biologiquement transformées en scores d’aptitudes. La méthode de l'indice de qualité des habitats (Habitat Quality Index) de Binns et Eiserman (1982) est un autre exemple de ce genre, qui a été développée à l’origine pour les rivières du Wyoming, et appliquée pour le calcul des DBM italiens. Cet indice applique le concept de transformation biologique d'un grand nombre de variables (22) et leur attribues un score proportionnel à leur importance biologique. Le résultat de cette transformation et la sélection ultérieure des variables et un modèle de régression linéaire multiple qui concerne la biomasse des espèces de référence (salmonidés) à toutes les variables d'entrée. Source : Provincia di Genova - Direzione Pianificazione Generale e di Bacino. -Document élaboré en 2009 par Alessandro TOMASELLI, Ilaria SPINETTI, Fabio DE ANTONI, Luca DE FALCO, Alessio BRANDINO, Marco GRITA ; Vérifié par Aurelio GIUFFRE, Maria TRAVERSO et Mauro LOMBARDI -Traduction partielle de l’italien au français : SEA 74


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Glossaire Benthique : Relatif à l’ensemble des organismes qui vivent sur les fonds des mers et cours d’eau et s’y déplacent peu (benthos). Biocénose : Désigne l'ensemble des organismes vivants qui vivent et se reproduisent dans un écosystème donné. La biocénose désigne donc l’ensemble des êtres qui vivent dans les mêmes conditions de milieu, dans un espace donné. Degré trophique : Se rapporte à tout ce qui est relatif à la nutrition d’un tissu vivant ou d’un organe. Ici, fait référence à la quantité d’éléments nutritifs présents dans le milieu et nécessaire à la survie d’un organisme. Diatomée : Algue unicellulaire microscopique à enveloppe externe siliceuse. Débit Objectif d’Etiage : Débit moyen mensuel pour lequel sont simultanément satisfait le bon fonctionnement du milieu aquatique et, en moyenne huit années sur dix, l’ensemble des usages (activités, prélèvements, rejets,…). Les DOE ont jusqu’ici souvent été définis à partir des débits de référence, notamment le QMNA5 (en l’absence d’estimation sur des bases biologiques). [D’après le cahier technique n°4, ARRA (2010)] Débit minimal : valeur de débit maintenu à l’aval d’un ouvrage (rivière court-circuitée, barrage pour l’hydroélectricité…) en application de l’article L-214-18 de la LEMA de 2006. Cet article vise explicitement les « ouvrages à construire dans le lit d’un cours d’eau », et les « dispositifs » à aménager pour maintenir un certain débit. Il oblige à laisser passer un débit minimal garantissant la vie, la circulation et la reproduction des espèces aquatiques. Ce débit minimal est au moins égal au dixième du module (au 1/40e pour les installations existantes au 29/06/84) ou égal au débit entrant dans l’ouvrage si ce dernier est inférieur au dixième du module. Certains cas particuliers (par exemple production hydroélectrique) peuvent déroger et abaisser ce débit minimal au 1/20e du module. Les actes réglementaires peuvent fixer des valeurs de débit minimal différent selon les périodes de l’année. Le débit miniimal est souvent appelé à tort, débit réservé. [D’après le cahier technique n°4, ARRA (2010)] Débit Minimum Biologique : Débit garantissant la vie, la circulation et la reproduction des espèces aquatiques. [D’après le cahier technique n°4, ARRA (2010)] Empirique : Qui tient de l’expérience spontanée ou commune, n’a rien de rationnel ni de systématique. Euryèce : qualifie une espèce capable de supporter d’importantes variations de facteurs écologiques (température, hydrodynamisme, pression, lumière, etc.) [D’après Aquaportail.com, août 2010] (opp. Sténoèce) Faciès : Aspect d’une biocénose où la prédominance locale de certains facteurs provoque la prépondérance d’une ou d’un petit nombre d’espèces. Holistique : Qui relève de l’holisme, qui s’intéresse à son objet comme constituant un tout. [D’après cnrtl.fr, août 2010]


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Hydraulique : Désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. Hydrologique : Relatif à l’hydrologie, science de la terre qui s’intéresse au cycle de l’eau, c’est-à-dire aux échanges entre l’atmosphère, la surface terrestre et son sous-sol. IBD : (Indice Biologique Diatomées) Il est basé sur l’analyse de la flore diatomique fixée sur le fond des cours d’eau. IBGN : (Indice Biologique Global Normalisé) Traduit la qualité de l’eau et de l’habitat en étudiant les macro-invertébrés benthiques. IBMR : (Indice Biologique Macrophytique en Rivière) Il est basé sur l’analyse des macrophytes. IOBS : (Indice Oligochètes de Bioindication des Sédiments) Décrit la qualité biologique des milieux par une analyse des oligochètes aquatiques se trouvant dans les sédiments fins ou sableux. IPR : (Indice Poisson Rivière) Permet d’évaluer l’impact anthropique sur l’état écologique d’un cours d’eau en se basant sur l’étude des populations piscicoles. Macrophytes : Terme générique pour désigner les plantes aquatiques visibles à l’œil nu. Lentique : Désigne le biotope (ou biocénose) des eaux calmes comme les lacs et étangs. Lotique : Désigne le biotope (ou biocénose des eaux courantes. Macro-invertébrés benthiques : Ensemble des larves d’insectes, des vers, des mollusques, et des petits crustacés peuplant le fond de nos rivières, dont le diamètre est supérieur à 500 microns. Modèle : Représentation simplifiée d’un processus, d’un système à l’aide d’expressions mathématiques. Module : (interannuel et mensuel) il est évalué par la moyenne des débits moyens (annuels ou mensuels) sur une période d’observation suffisamment longue (au moins 30 ans) pour être représentative. On parle de module spécifique lorsque le module est rapporté à la surface du bassin versant. Oligochètes : Sous-classe des annélides, vers annelés comme le lombric. Oligotrophie : Pauvreté du milieu en substances nutritives entraînant une diminution de la production végétale et animale. [D’après le Système d'information sur l'eau des bassins Rhône-Méditerranée et Corse, août 2010] Périmètre mouillé : périmètre d’une section transversale d’un cours d’eau. Q347 (ou Q95): Débit atteint ou dépassé en moyenne pendant 347 jours par an (soit 95% du temps). [D’après l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne]


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Q355 : Débit atteint ou dépassé en moyenne pendant 355 jours par an. QMNA5 : (Débit d’étiage mensuel quinquennal) Débit d’étiage mensuel qui se produit en moyenne une fois tous les cinq ans. Le QMNA5 constitue le débit de référence pour l’application de la police de l’eau. *D’après le cahier technique n°4, ARRA (2010)] Station : correspond à la zone où s’effectue les mesures. La définition d’une station est propre à chaque protocole opératoire. Sténoèce : Désigne les êtres vivants qui présentent une niche écologique étroite et présentant une faible capacité d’adaptation lors de variations de facteurs écologiques propres à son habitat. Surface Pondérée Utile : Somme des surfaces de chaque cellule ( qui est une étendue de zone de quelques mètres carrés), pondérées par un coefficient variant localement entre 0 et 1 en fonction de l’adéquation des conditions morphodynamiques par rapport aux exigences du poisson. Talweg : Correspond à la ligne qui rejoint les points les plus bas d’une vallée. Taxon : Entité censée regrouper les organismes vivants possédant des caractères communs. Toe-of-bank : Terme défini par SWIFT (méthode « Toe-Width ») comme le point de rupture de pente entre le lit de la rivière et le bord du cours d’eau. Toe-width : Correspond à la distance d’une rive à l’autre d’un cours d’eau. (Méthode éponyme) Valeur d’habitat : représente la valeur du coefficient utilisé pour le calcul de la Surface pondérée utile.


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Conclusion Cette notice méthodologique, première partie du travail de la fiche action AB3, a permis de faire le point sur la variété des approches possibles et la grande diversité des méthodes d’estimation des débits biologiques à partir de dix-sept exemples (France, Suisse, Allemagne, Espagne, Italie, Etats-Unis, Canada, Afrique du Sud, Australie... ) La brève description de chacune des méthodes a montré que la majorité d’entre elles n’étaient pas directement exploitables en situation de cours d’eau de montagne caractérisés par des régimes spécifiques (pluviométrie, nivologie, pentes, morphologie, turbulence, intermittence... ). Au terme de cette première étape, il apparaît nécessaire de bien définir, avec l’ensemble des participants de l’action, les acteurs locaux et avec un appel complémentaire d’experts, les termes de « cours d’eau de montagne » ou « cours d’eau de tête de bassin » afin de repréciser la mission. L’enjeu sera alors de parvenir à distinguer les méthodes qui pourraient s’adapter aux contraintes spécifiques de ces cours d’eau, une fois celles-ci clarifiées et éventuellement de les compléter sur le plan scientifique afin de les faire mieux ‘’coller’’ à la réalité de nos situations de montagne. En effet, il semble que la démarche des « débits biologiques » ne puisse se résumer à des questions de quantité d’eau. Comme l’a montré en 2004 le groupe de travail national « Cellule débits réservés » mis en place à l’initiative d’Electricité De France, un accroissement des débits ne s’accompagne par forcément d’une amélioration de l’habitat et de la diversité biologique. Ce que suggèrent les débits biologiques, à savoir un débit garantissant la vie, la circulation et la reproduction des espèces aquatiques, ne se limite vraisemblablement pas à des quantités d’eau en transit, mais doit passer par une analyse des pressions pour juger de l’intérêt ou non de chercher à évaluer un DMB et sur quels critères. Les notions de régime, de variabilité intra-annuelle, de transport solide, de morphologie, d’écoulement turbulent, de température, d’habitat… sont autant de paramètres sur lesquels les caractéristiques des cours d’eau de montagne se fondent. La suite de l’action consiste donc à prendre en compte ces paramètres et à réfléchir aux moyens de les intégrer aux méthodes d’estimation de débits biologiques, ce qui est un objectif très ambitieux dans le cadre de cette fiche action…