SYstème Relationnel d’Audit de l’Hydromorphologie des

Appui scientifique à la mise en œuvre de la Directive Cadre européenne sur l’Eau

SYstème Relationnel d’Audit de l’Hydromorphologie des Cours d’Eau

PRINCIPES ET METHODES

Version V2

André CHANDESRIS, Nicolas MENGIN, Jean René MALAVOI, Yves SOUCHON, Jean-Gabriel WASSON CEMAGREF Département Gestion des Milieux Aquatiques Unité de recherche Biologie des Ecosystèmes Aquatiques Laboratoire d’Hydroécologie Quantitative Groupement de Lyon 3bis Quai Chauveau CP 220 69336 LYON CEDEX 09

Mars 2007

SYRAH CE – Propositions méthodologiques Page 2 sur 39 Rapport V2 mars 2007

Tables des matières SYstème Relationnel d’Audit de l’Hydromorphologie des

cours d’eau (SYRAH) ...................................................... 4 I - Quel «outil» pour l’audit de l’hydromorphologie ? ..... 4 I.1 - Principes et partis pris ............................................ 4

I.1.1 - Les questions posées .................................................................................................... 4 I.1.2 - Choix et partis pris ....................................................................................................... 5

I.2 - Conception d’un systeme d’audit ............................. 8 I.2.1 - Proposition d’un schéma conceptuel ........................................................................... 8 I.2.2 - Organisation du système d’audit – projet .................................................................... 9 I.2.3 - Quelle forme pour ce système d’audit ? .................................................................... 11

II - Méthode .................................................................. 13 II.1 - Evaluation des « forces motrices » ...................... 13

II.1.1 - Flux solides (Bassin versant) .................................................................................... 14 II.1.2 - Flux liquides (Bassin versant) .................................................................................. 17 II.1.3 - Flux solides (grandes sections de cours d’eau) ........................................................ 20 II.1.4 - Flux liquides (grandes sections de cours d’eau) ....................................................... 22 II.1.5 - Morphologie (grandes sections de cours d’eau) ....................................................... 22 II.1.6 - Conclusions .............................................................................................................. 25

II.2 - Bassin versant et tronçon géomorphologique ...... 26 II.2.1 - La sectorisation : pourquoi ? .................................................................................... 26 II.2.2 - Principe des entités emboîtées .................................................................................. 26 II.2.3 - La sectorisation : comment ? .................................................................................... 27

II.2.3.1 - Dissocier variables de contrôle et variables de réponse .................................... 27 II.2.3.2 - Discrimination des secteurs et des unités .......................................................... 27 II.2.3.3 - Discrimination des tronçons .............................................................................. 27 II.2.3.4 - Postulat d’interprétation .................................................................................... 27

II.3 - Evaluation des altérations physiques ................... 29 II.3.1 - Flux solides .............................................................................................................. 29

II.3.1.1 - Le déficit sédimentaire ...................................................................................... 29 II.3.1.2 - Le colmatage par excès de fines ........................................................................ 30

II.3.2 - Flux liquides ............................................................................................................. 31 II.3.2.1 - Perturbation du régime hydrologique ................................................................ 31 II.3.2.2 - Altération des débits (vitesses, hauteur) ............................................................ 31 II.3.2.3 - Variations brusques et répétées des débits : les éclusées .................................. 31 II.3.2.4 - Altération des étiages ........................................................................................ 32

II.3.3 - Morphologie ............................................................................................................. 33 II.3.3.1 - Réduction de sinuosité ...................................................................................... 33 II.3.3.2 - Suppression – altération du corridor végétal ..................................................... 33 II.3.3.3 - Blocage de la dynamique latérale ...................................................................... 34 II.3.3.4 - Déconnexion lit mineur / lit majeur .................................................................. 35 II.3.3.5 - Ralentissement des écoulements ....................................................................... 35 II.3.3.6 - Modification de la succession naturelle des faciès ............................................ 36 II.3.3.7 - Blocage de la dynamique latérale – déconnexion du lit .................................... 36 II.3.3.8 - Modification de la géométrie ............................................................................ 36

II.3.4 - Altérations de processus physiques - conclusion ..................................................... 37


Tables des figures

Figure 1. Emboîtement des échelles physiques ......................................................................................... 6 Figure 2. Cadre conceptuel de travail ....................................................................................................... 9 Figure 3. Analyse des bassins versants et des tronçons (sens hydromorphologique) ................................. 10 Figure 4. Tentative de représentation physique de SYRAH ...................................................................... 12 Figure 5. Cartes des hydroécorégions de montagnes (pentes médianes supérieures ou égales à 5%) ........ 15 Figure 6. Carte INRA d’érosion des Sols ( Montier et al., 1998) ................................................................ 16 Figure 7. Carte des Orientation Technico-Economique des EXploitation agricoles, OTEX, (RGA, 2000) ....... 17 Figure 8. Carte de la proportion de surface drainée (RGA,1988) .............................................................. 19 Figure 9. Carte de la proportion de surface irriguée (RGA, 1988) ............................................................. 19 Figure 10. Gravières en lit majeur extraits de la BD CARHAGE ® « thème hydrographie zonale » .......... 21 Figure 11. Descripteur de pression sur le fonctionnement hydrologique des cours d’eau - Ratio capacité

utile sur volume annuel écoulé (Agence de l’Eau Adour Garonne, 2003) .................................................. 22 Figure 12. Le Gier (69) : une pression d’occupation du sol de type urbain, Corine Land Cover, 2000 ....... 24 Figure 13. L’Ouche : pression d’occupation du sol de type agricole à l’aval, Corine Land Cover, 2000 ...... 25 Figure 14. identification de sous-tronçons au sein de tronçons géomorphologiques homogènes .............. 28


SYstème Relationnel d’Audit de l’Hydromorphologie des cours d’eau (SYRAH)

A la demande émanant du MEDD et des Agences de l’Eau, le Cemagref a été mandaté en 2006 pour la constitution d’un système permettant d’apprécier le niveau d’altération des processus hydromorphologiques de fonctionnement des cours d’eau, l’ objectif étant de disposer d’un outil de caractérisation hydromorphologique des milieux et d’aide au diagnostic pour les futures politiques de restauration.

Ce rapport, qui fait suite à celui sur l’état de l’art tant sur le plan scientifique que sur le plan plus opérationnel au niveau international, est consacré aux propositions de méthodes pour répondre à la question posée.

L’ensemble du projet sera constitué d’une part d’un ensemble de principes et de guides d’interprétations, et d’autre part de couches d’informations géographiques, de prescriptions techniques d’acquisition et de traitement de données, ainsi que d’autres supports plus concrets d’aide à la décision. Cet ensemble devra nécessairement avoir une structure modulaire permettant l’adaptation au contexte évolutif tant des pressions sur les milieux aquatiques (lié notamment à la mise en œuvre de programmes de mesures) que des connaissances des relations entre pressions physiques et état écologique.

I - Quel «outil» pour l’audit de l’hydromorphologie ?

I.1 - PRINCIPES ET PARTIS PRIS

I.1.1 - Les questions posées

L’évaluation de la qualité des milieux aquatiques a d’abord été effectuée, pendant les dernières décennies du vingtième siècle, au travers de la qualité chimique qui a constitué un outil efficace d’aide à l’action de restauration. Elle a été progressivement complétée par une évaluation de la qualité biologique, reprise dans le concept d’ « état écologique » affiché dans la Directive Cadre sur l’ Eau, en sus d’un « état chimique » lié à un panel de substances identifiées comme indésirables dans le milieu.

Parallèlement, et au fur et à mesure d’une reconquête de la qualité chimique, la réponse biologique est apparue globalement décevante . En effet, cette amélioration globale de la qualité chimique des eaux courantes a permis de mettre en évidence que d’autres paramètres pouvaient influencer de manière significative leur qualité biologique. Les facteurs d’explications des dégradations se situent également au niveau de l’habitat physique des communautés aquatiques, évidence s’imposant très tôt pour les poissons, et confirmée par la suite pour l’ensemble des compartiments biologiques des écosystèmes aquatiques.

L’atteinte d’un « bon état écologique » au sens de la Directive Cadre sur l’Eau repose donc également sur une reconquête des habitats, lesquels dépendent des processus de fonctionnement physique des cours d’eau.


Une analyse de l’altération de ces processus en relation avec ses incidences sur la biologie apparaît donc nécessaire pour se donner les moyens d’atteindre les objectifs visés par la Directive Cadre sur l’Eau.

Il convient de préciser que ce besoin d’audit de l’hydromorphologie est assorti de contraintes opérationnelles fortes dictées par les délais courts de mise en œuvre et les objectifs de résultats imposés par la Directive : l’identification de leviers d’actions efficaces permettant de cibler les problèmes et les actions à engager impose une approche pragmatique valorisant au maximum les connaissances acquises des liens entre biologie et cadre physique, à des échelles spatiales dépassant le cadre de l’habitat local et jusqu’à présent peu explorées.

I.1.2 - Choix et partis pris

Certains principes de cadrage ont été retenus pour guider la construction de ce système d’audit au vu de l’expérience des systèmes d’évaluation existants, des éléments recueillis par la revue bibliographique, et de l’expérience acquise par le CEMAGREF et ses partenaires privilégiés.

Hiérarchie emboîtée

L’intégration de niveaux d’échelle différents permet à la fois de prendre en compte :

- l’organisation hiérarchique des systèmes : les déterminants primaires à l’échelle régionale (relief, climat, géologie) formatent les variables de contrôle (régime hydro-sédimentologique, structure de la végétation rivulaire, connectivité latérale du cours d’eau, et connectivité verticale). De celles-ci dépendent les facteurs clés du fonctionnement écologique des cours d’eau (habitat physique, climat aquatique, réseaux trophiques) ;

- les mécanismes d’altération des milieux : de l’activité humaine sur un bassin versant à la réponse de la communauté biologique au niveau de son habitat, en passant par l’altération des processus hydromorphologiques sur un tronçon de cours d’eau .


CADRE PHYSIQUE FONCTIONS BIOLOGIQUESECHELLE REGIONALE

TYPES DE VALLÉES

HYDRO-ECOREGIONS ORDINATION DU RÉSEAU

Biodiversité des peuplements

Stock d'espèces

Tronçons

1

11

1

11

2

2

2

2 1

3

3

4

Structures Géomorphologiques Dimension

Amont-aval

ECHELLE LINEAIRE

Territoire quotidien Réalisation de plusieurs fonctions (repos, nourrissage)

Équilibre des populations Habitat des phases critiques (zones de refuge, frayères)

Unités morphodynamiques Faciès agencés en séquences régulièresForme et dynamique du lit

TRONÇONSEGMENT

SÉQUENCE10 3 W

10 2 W10 1 W

Radier

ECHELLE LOCALE

Structures d'abris Hétérogénéité de l'écoulement et du substrat

Positionnement d'un individu

Réalisation d'une fonction biologique

FACIÈS

Variables physiques :- vitesse de courant - hauteur d'eau - structure granulométrique

AMBIANCE10 0 W MICRO-HABITAT10 -1 W

Queue de radier

10 -2 W

Figure 1. Emboîtement des échelles physiques


Recherche de facteurs de risques

Dans la mesure où les contraintes de délai, de moyen et d’efficacité imposent une approche limitant l’investigation exhaustive, le concept de hiérarchie emboîtée permet d’employer une analyse de type descendante (« top-down »), en renforçant l’analyse là où le niveau supérieur renvoie à l’existence de facteurs de risques d’altération importants.

Sous réserve de conforter cette démarche par des évaluations de contrôle en retour (afin de réduire les erreurs possibles), cette approche peut constituer une source d’économie importante, notamment pour les investigations coûteuses en moyen.

Par ailleurs, l’expérience montre que les approches fondées sur l’évaluation locale de l’habitat d’une ou plusieurs espèces cibles :

a) permettent difficilement, par une démarche « bottom-up », de remonter aux causes d’altérations de processus hydromorphologiques qui construisent et entretiennent ces habitats,

b) s’avèrent peu efficaces pour évaluer les activités humaines à l’origine de ces altérations,

c) ne constituent pas un moyen efficient d’action pour les gestionnaires sur l’origine des dégradations constatées.

Evaluation de processus d’altération

Les types de classification physique de cours d’eau proposés par la littérature scientifique reposent soit sur les formes, soit sur les processus de fonctionnement (cf volume 1). L’objectif du présent travail étant la recherche et l’identification de leviers d’action, l’approche des processus de fonctionnement apparaît plus prometteuse en terme de rapport coût/efficacité, voire de résilience de l’action, malgré l’existence de difficultés méthodologiques importantes qu’il convient de ne pas négliger.

Cette approche fondée sur les processus induit la construction d’un cadre d’analyse adapté devant se traduire par une sectorisation spécifique du réseau hydrographique, car le fonctionnement hydro-morphologique varie selon les contraintes exercées le long du cours d’eau par les déterminants primaires.

Valorisation des systèmes d’information géographiques

Envisagée en premier lieu pour limiter la prise de données sur le terrain, coûteuse en temps, alors que certaines de ces données sont déjà disponibles dans des bases nationales homogènes et standardisées, l’utilisation des couches d’information SIG et des logiciels dédiés permet également d’envisager la constitution de bases de données spatialisées ouvrant la possibilité d’interaction avec d’autres informations nécessaires à la gestion, la programmation, la décision et l’évaluation des actions de restauration.

Limitation, réduction du nombre de descripteurs

La majorité des approches opérationnelles existantes se caractérisent par un nombre important de descripteurs d’état, dont la redondance, la pertinence individuelle, la nature du phénomène réellement décrit (cause ou conséquence, altération de processus ou forme d’habitat) restent discutables.

La recherche de descripteurs d’altérations physiques sera orientée en fonction de l’altération de processus clairement identifié et de l’absence de redondance.


I.2 - CONCEPTION D’UN SYSTEME D’AUDIT

I.2.1 - Proposition d’un schéma conceptuel

Le cadre conceptuel élaboré (Fig.2) retient trois niveaux hiérarchiques principaux pouvant se décliner autant en terme d’échelle spatiale (bassin, tronçon, site) qu’en termes de mécanismes d’altérations (pressions induites par les activités humaines, altérations physique des processus, altérations des structures de communautés biologiques découlant souvent induites d’ altérations de l’habitat).

Les liens descendants entre ces niveaux sont fondés sur une approche de risques pour le niveau inférieur (une pression identifiée se traduira par un risque d’altération physique qu’il conviendra d’analyser précisément). Mais ces liens devront être corrigés par une évaluation en retour (si une altération physique est constatée de manière généralisée malgré une absence de pression, une recherche d’explication sera nécessaire, soit pour identifier les erreurs ou imperfections de l’analyse de niveau supérieur, soit pour identifier des liens non pris en compte par les hypothèses de départ).

Les outils d’investigation, systèmes d’information géographique et recueils de données sur le terrain, peuvent également se décliner dans cette approche hiérarchisée du général (information géographique disponible) au particulier (géométrie du lit mineur, substrat, …).

Ce schéma conceptuel présente toutefois une difficulté : les liaisons de causalité entre altérations physiques et altérations écologiques sont assez bien maîtrisées pour certaines espèces piscicoles cibles, mais restent encore mal établies pour les autres espèces du milieu aquatique pris dans son ensemble (incluant également invertébrés benthiques, diatomées, macrophytes).

Echelle bassin versant tronçon site

outil S IG mesures terrain experts et mesures

causalité

Forces motrices

Activités humaines RISQUE

filtre

Altération desprocessus

hydromorphologiques

RISQUE

connaissances limitées à renforcer

filtre

ALTERATION ECOLOGIQUE


Figure 2. Cadre conceptuel de travail

Ce schéma s’insère dans une logique DPSIR (Driving forces – Pressures – State – Impact – Response) développé par l’EEA (European Environmental Agency), respectant les recommandations de l’OCDE où nous retrouvons comme premier niveau les Forces motrices (ou activités humaines à l’origine de la dégradation). Le deuxième niveau constitue l’Impact sur le milieu physique (altérations des processus morphologiques), le lien entre ces deux niveaux étant composé par les Pressions que l’on peut représenter par les ouvrages (barrages, seuils, renforcement de berges), voire par les travaux (stabilisation, recalibrage) ou activités (prélèvements).

Le troisième niveau d’ « altération écologique » représente l’aboutissement local de l’altération des processus (donc de l’impact) dans ces effets sur les niches écologiques des espèces, certains paramètres dans la structure de leur population (abondance, diversité, structure d’age, taxons sensibles,….) renvoyant un Etat Ecologique par le biais de métriques adaptées.

Le lien entre ce deuxième et troisième niveau est constitué par un changement d’échelle important, ainsi qu’une sélection de types d’altérations physiques dont l’influence sur l’état écologique aura été validé ou reconnu (ce dernier point constitue encore un champ d’investigation pour combler les manques de connaissances actuels).

En résumé, le volet « Impact » de l’approche DPSIR est développé dans la relation de causalité entre les altérations de processus physiques et les altérations écologiques à effet direct sur l’état écologique. C’est bien celui-ci qui constitue l’objectif final de la Directive Cadre sur l’Eau.

I.2.2 - Organisation du système d’audit – projet

L’audit peut ainsi être décomposé en plusieurs grandes phases de réalisation dont certaines sont susceptibles d’être, dès à présent, écrites précisément. D’autres nécessitent des mises au point techniques et organisationnelles. Enfin, les contours de certaines, dont les connaissances actuelles disponibles sont moindres, ne permettent pas d’être décrits précisément à ce jour.

Nous retiendrons qu’en première phase de diagnostic, l’évaluation des forces motrices à large échelle est réalisable avec des moyens relativement limités (couches d’informations géographiques libres et disponibles, croisement et agrégation des informations réalisables simplement).

L’évaluation des altérations de processus physiques apparaît plus complexe, car plusieurs étapes sont à prendre en compte.

En premier lieu, il faut identifier les variables pertinentes d’altération. Sont visées ici les altérations de processus de fonctionnement physique, à l’exclusion d’éléments descriptifs susceptibles de renseigner sur l’état du cours d’eau sans permettre de remonter à l’origine de la dégradation de cet état.

Ces variables doivent être mesurables, non redondantes entre elles et en nombre limité.

Un cadre d’analyse adapté, constitué d’un réseau hydrographique de tronçons élémentaires, doit être construit. En effet, les processus hydromorphologiques dépendent de contraintes liées aux structures géomorphologiques (géologie, pente de la vallée, forme de la vallée), et les résultats de l’évaluation des altérations ont une valeur différentes selon le type de processus concernés (par exemple, on ne peut comparer des


valeurs brutes des variables entre un cours d’eau s’écoulant dans une gorge étroite à forte pente, et une rivière dans un large lit majeur avec un faible pente) .

Des données géographiques, bases des indicateurs d’altération de processus de fonctionnement physique doivent être collectées (acquisition des couches nécessaires, constitution ou compléments de jeux de données).

Les méthodes techniques de traduction de l’information géographique brute en indicateurs d’altération de processus géomorphologiques sont à construire, valider et standardiser.

L’interprétation de ces indicateurs doit, pour envisager une utilisation fiable et efficace, être adaptée aux types de fonctionnements des cours d’eau ( ainsi la densité de seuils en travers d’un cours d’eau n’aura pas le même sens pour un cours d’eau à forte pente et à transport solide important que pour un cours d’eau de plaine à faible transport solide).

Les altérations de processus non décrites par les méthodes employant des SIG seront à collecter par d’autres moyens, privilégiant une approche de terrain. Ces derniers restent à décrire et à mettre au point dans un contexte de délais et de coûts à optimiser.

Reste encore, et non pris en compte par le système développé dans le cadre de cette étude limitée au diagnostic, les phases d’identifications des actions à engager et de définition des corrections à réaliser dans le cadre d’une politique de restauration des cours d’eau.

Les étapes principales de la démarche peuvent être résumé par le tableau ci-dessous (Fig.3), en précisant que chaque étape est ponctuée par une évaluation globale de l’atteinte des cours d’eau concernés, évaluation dont le résultat aura une influence sur l’effort à fournir à l’étape suivante, selon un enchaînement logique.

Figure 3. Analyse des bassins versants et des tronçons (sens hydromorphologique)

Outils d’é valuation Etapes Niveau d’évaluation caractéristiques Phasage opérationnel

(a) Forces motrices(activités humaines)

Diffuses / localisées / ou par aménagement

SIG

(b) ALTERATION PHYSIQUE

Flux liquides (hydrologie)Morphologie

(c ) ALTERATION PHYSIQUE

Flux sédimentaires

Chenalisation

DIAGNOSTIC

Terrain

(d)Sources d’ALTERATION

Identification des actions

CorrectionsRESTAURATION


I.2.3 - Quelle forme pour ce système d’audit ?

Le SYstème d’Audit de l’Hydromorphologie est une méthode permettant poser les bases d’une évaluation de l’altération des processus physiques, en ciblant l’impact de celle-ci sur l’état écologique.

Dans cette première phase de construction du système, il s’agit d’établir des éléments méthodologiques, mais également d’envisager des aspects techniques pour une mise en oeuvre opérationnelle à l’échelle du territoire métropolitain.

Ainsi dans un délai court (2 ans), délai permettant aux partenaires des différents niveaux d’engager les actions opérationnelles les plus adaptées dans le cadre de la mise en œuvre de la Directive Cadre sur l’Eau, il est envisageable de mettre à disposition les moyens pratique d’organiser la collecte des données, l’évaluation globale de risques afin d’entrevoir les actions de gestion-programmation, la méthodologie d’approche de problématiques locales pour lesquelles des actions sont à engager dans des délais assez brefs.

Afin de tenir compte des progrès possibles en terme de données, mais aussi en connaissances dans les relations à différentes échelles entre physique des cours d’eau et biologie et pour répondre de façon progressive aux différents besoins :

- le système est amené à évoluer,

- la possibilité d’ajouter des modules complémentaires doit être ménagée.

En effet, la construction du système s’effectue au fur et à mesure des progrès réalisés :mise au point de prescriptions, interprétations, utilisations ; progression de la connaissance des liens entre physique et biologie.

La forme du système d’audit s’apparente à un ensemble d’éléments méthodologiques complétés d’éléments plus techniques permettant une usage concret plus immédiat.

En résumé, la démarche SYRAH permet d’envisager dans l’immédiat deux formes de « productions » (Fig. 4) :

- des documents écrits de référence répondant à l’une des sous-problématiques soulevées ;

- des « outils » opérationnels destinés à être mis en œuvre et utilisés par des opérateurs maîtres d’ouvrage, voire des opérateurs techniques. Ces outils peuvent être du type cahier de prescriptions pour acquérir des informations, ou atlas interactif d’informations géographiques ciblées ou cadre d’analyse des évaluations.

Les questions de recherche contribuant à la progression des connaissances constituent le socle des futurs éléments qui enrichiront à terme le système.


Outil SYRAH

sectorisation géomorphologique

atlas des pressions

prescriptionstechniquesacquisition

données

protocole réseau

….sectorisation géomorphologique

atlas des pressions

prescriptionstechniquesacquisition

données

protocole réseau

….

état de l’art et pratiques

méthodes d’acquisition des altérations physiques

restitution/interprétations des informationsliens physique-biologielogiques d’action

restauration

……

état de l’art et pratiques

méthodes d’acquisition des altérations physiques

restitution/interprétations des informationsliens physique-biologielogiques d’action

restauration

……

Figure 4. Tentative de représentation physique de SYRAH


II - Méthode

L’approche utilisant l’emboîtement hiérarchique des systèmes physiques des cours d’eau nous permet de cibler le dysfonctionnement des processus de fonctionnements physiques à l’origine d’une altération possible de l’état écologique.

Le cadre d’étude de ces dysfonctionnements est construit sur la base des facteurs contrôlant ces processus, de nature géomorphologique.

La correction de ses dysfonctionnements implique la connaissance de leur origine qui prend sa part dans les « activités humaines » ou « Forces motrices ».

La méthode proposée consiste :

- à identifier et quantifier les « Forces Motrices » susceptibles de générer des altérations de processus de fonctionnement ;

- de mettre en œuvre un ensemble de moyens visant à préciser les altérations par la construction d’un cadre de travail, l’identification de variables, leurs moyens de mesures, l’interprétation des valeurs obtenues ;

- de préciser au mieux les relations possibles entre les dysfonctionnements de processus et l’état écologique résultant, objectif de ces travaux.

II.1 - EVALUATION DES « FORCES MOTRICES »

L’identification des « forces motrices » (ou activités humaines) constitue la première étape de la démarche afin de sélectionner les secteurs géographiques (bassins ou grandes sections de cours d’eau) où les risques d’altération physique risquent d’être présents.

En fonction de l’expérience acquise par les différentes méthodes mises en oeuvre ces dernières décennies et de l’étude de la bibliographie correspondante, il est proposé de les analyser en les regroupant :

selon les grands processus de fonctionnement physique des cours d’eau :

flux sédimentaires (ou transport solide),

flux liquides (ou hydrologie) ;

selon les altérations morphologiques sur le lit mineur ; et en prenant en compte la problématique de la continuité longitudinale en terme de

biologie et de sédiments.

Le présent chapitre propose un ensemble de descripteurs de ces « forces motrices » dont l’origine de la donnée est mobilisable sous forme de couches d’information géographique de niveau national, et analysable dans un premier temps à l’échelle de grands bassins versants du type « régions hydrographiques » de la BD Carthage.

Nous proposons d’affiner cette analyse à un niveau inférieur mais plus pragmatique à l’échelle de grandes sections de cours d’eau, définies par les limites d’HER2 et les confluences de rang n-1 pour les rangs supérieurs au moins à 4.


Il n’est pas question de traiter ici tous les cas théoriques possibles, mais seulement ceux identifiés comme étant a priori à l’origine d’altérations majeures du fonctionnement physique des cours d’eau français et correspondant à des activités humaines dominantes.

L’intérêt de l’utilisation de ce type d’informations (outre une réduction attendue du coût) est de garantir une homogénéité de l’approche sur l’ensemble du territoire national, élément essentiel à la cohérence du système proposé.

II.1.1 - Flux solides (Bassin versant)

La problématique de l’altération du transport solide se traduit par un excès ou déficit des flux solides par rapport à un fonctionnement connu.

Deux types de phénomènes principaux peuvent être identifiés.

- le blocage du transit sédimentaire lié à la présence de barrages

- le colmatage lié à l'excès diffus de sédiments fins issus de pratiques agricoles sur des terrains propices à l'érosion des sols.

Barrages

La présence d’ouvrages transversaux (barrages, seuils) sont parfois à l’origine d’un blocage du transit sédimentaire de la charge de fond.

Les impacts de ces ouvrages ne sont toutefois sensibles que dans les secteurs où le débit solide est naturellement important .

Il est proposé de limiter cette analyse aux zones géographiques concernées par cette dynamique de manière significative (relief marqués, fortes pentes) et donc aux régions de montagnes et aux ouvrages structurants (barrages de hauteurs supérieures à 5 mètres).

Nous proposons donc d’analyser les secteurs dans les hydroécorégions de pentes médianes supérieures à 5% (fig. 2-1)


Figure 5. Cartes des hydroécorégions de montagnes (pentes médianes supérieures ou égales à 5%)

Les descripteurs de ce type de pression sur le fonctionnement physique seront :

la densité d’ouvrages (N/km2) ;

le cumul de volume (Mm3) ;

le cumul de hauteur (en m.).

Ces trois descripteurs permettent d’obtenir une évaluation globale du risque de d’altération des processus de fonctionnement du transport solide.

Un exemple comparant le bassin du Doubs et de la Durance permet de fixer quelques ordres de grandeur.

Bassin versant Durance Doubs

surface 14 400 km2 7 700 km2

densité d’ouvrages 3.1 ouvrages / 1000km2 2.4 ouvrages / 1000km2

volumes 164 000 m3/km2 20 000 m3/km2

hauteurs 896 m 241 m

Les données sources mobilisables sont essentiellement les bases de données d’ouvrages existantes (CEMAGREF Lyon 2005, Agences...) avec des compléments à mettre en oeuvre en particulier en matière de renseignements quantitatifs (hauteurs, volumes, surfaces, longueurs,...).

La constitution et la gestion d’une base nationale pour les gros ouvrages (hauteur > 5m) apparaissent indispensables et pourraient être menés de pair avec les bases « plans d’eau », en cours de constitution dans le cadre de la mise en oeuvre de la Directive Cadre sur l’Eau.

Pratiques agricoles favorisant l'érosion des sols vulnérables

L’érosion des sols, aggravée par les activités humaines (par certaines pratiques agricoles en particulier), est à l’origine du phénomène de « colmatage » qui affecte le substrat de nombreux cours d’eau sur l’ensemble du territoire.

Le transport et le dépôt « naturel » de sédiments fins doivent cependant être différenciés des phénomènes prenant leur source dans les activités humaines.

Il apparaît donc indispensable de distinguer les secteurs où le transport solide est naturellement important (zones de montagne essentiellement) de ceux où il constitue une mobilisation non naturelle des couches superficielles du sol.

Nous proposons ainsi de limiter l’évaluation de l’excès diffus de sédiments fins aux zones de plaines et de collines (fig. 2-1).

Deux documents de portée nationale sont susceptibles d’être utilisés :

la carte INRA d’aléas d’érosion des sols, (Montier et al., 1998),

la carte des orientations technico-économiques des exploitations agricoles (OTEX), données issues du dernier Recensement Général de l’Agriculture (RGA 2000).


Le premier (fig. 2-2) décrit à large échelle le risque d’érosion, résultant d’une combinaison d’informations relatives aux caractéristiques des sols (battance et érodabilité), pente des terrains, occupation des sols, hauteur et intensité des précipitations.

Le croisement avec le deuxième document (fig. 2-3) permet de mieux cerner les liens avec l’usage agricole des sols, en particulier pour les cultures sollicitant les couches superficielles du sol (permanente ou terres labourées).

Un parcours rapide de ces deux cartes permet d’identifier en première approche les contextes particulièrement propices au phénomène de colmatage (Artois, Bretagne Ouest, Coteaux Aquitains, avant-pays Dauphinois...).

Les descripteurs à retenir sont, à ce stade :

les zones à aléas notés « moyen », « fort » ou « très fort » ;

les pourcentages d’OTEX dominants.

Ces données sources sont d’accès libre et facilement mobilisables.

Figure 6. Carte INRA d’érosion des Sols ( Montier et al., 1998)


Figure 7. Carte des Orientation Technico-Economique des EXploitation agricoles,

OTEX, (RGA, 2000)

II.1.2 - Flux liquides (Bassin versant)

L’altération des flux liquides se traduit, en données globales, essentiellement par activités générant un déficit d’eau à l’étiage (drainage, irrigation) ou par ensembles d’ouvrages de nature à modifier le régime des eaux (stockage pour l’industrie, l’irrigation ou l’alimentation en eau potable et, pour certains cas particuliers, régulation des débits).

Drainage, irrigation

Ces deux activités sont de nature à aggraver les étiages, soit par suppression de la régulation naturelle constituée par les zones humides, soit par prélèvements directs dans le milieu en période de déficit pluviométrique.

Deux types de documents sont utilisables à large échelle à partir de données dérivées du RGA : les surfaces drainées et irriguées, (les données utilisées ici sont celles du RGA 1988, homogène et disponible à l’échelle cantonale, les changements depuis cette date ne devant pas modifier de manière significative les résultats d’une analyse à large échelle).

Une traduction de cette information peut être une carte de la proportion de surface concernée par rapport à la surface totale étudiée (fig. 2-4 et 2-5).

Il convient de prendre en compte, pour l’information « irrigation », le fait que la ressource sollicitée peut correspondre à des nappes, non directement connectées aux cours d’eau (Tables Calcaires, Alsace), ou à une ressource abondante peu impactée (vallée du Rhône, Durance).


Reste donc concerné à l’échelle nationale le Grand Sud-Ouest.


Figure 8. Carte de la proportion de surface drainée (RGA,1988)

Figure 9. Carte de la proportion de surface irriguée (RGA, 1988)


Barrages, retenues collinaires

Ouvrages conçus pour la rétention d’eau, leurs impacts peuvent se traduire de façon diverse selon les usages envisagés (exportation brute, stockage différé dans le temps, dérivation puis restitution).

A ce stade d’analyse (grand bassin versant), les descripteurs quantitatif pertinents sont du type cumul de volume ou de hauteur.

Le problème actuel se situe au niveau de la mobilisation de la donnée (base barrage incomplète au niveau national pour les grands ouvrages), pas de base de données connue de retenues collinaires à large échelle (bassin).

Par ailleurs, l’évaluation du lien entre altération physique de cours d’eau (réduction des étiages) et présence de retenue collinaire est complexe, si la présence de ce type d’ouvrage constitue un risque de dysfonctionnement hydrologique, des études complémentaires seront nécessaires pour préciser les ordres de grandeur du niveau d’altération induit par ces ouvrages (voir note en annexe 1).

II.1.3 - Flux solides (grandes sections de cours d’eau)

Il s’agit ici de préciser des descripteurs dont le report sur les axes du réseau permet d’améliorer la localisation et la quantification de la pression physique.

L’échelle d’analyse reste toujours large : grandes sections de cours d’eau, limitées par les hydroécorégions de rang 1, et les changement de rangs de Strahler pour les grands cours d’eau.

Les gravières

Les extractions de granulats (en lit mineur et lit majeur, anciennes ou récentes) sont à l’origine de perturbations importantes du processus de transport solide dans certains cours d’eau (annexe 2). Le déséquilibre de flux solide a des répercutions sur des pas de temps parfois très longs si les volumes d’extraction ont été importants.

Les cours d’eau concernés sont ceux d’une certaine importance disposant d’un plancher alluvial conséquent. Aussi, il est proposé de se focaliser sur les cours d’eau de rang de Strahler supérieur ou égal à 4, et de se restreindre aux vallées alluviales.

Les exemples sont assez nombreux, à proximité géographique de grosses agglomérations ou d’infrastructures de transport importantes (Seine à l’amont de l’agglomération parisienne…).

Les documents homogènes et disponibles à l’échelle globale, permettant de décrire ce type d’objet, seront essentiellement les couches géographiques d’occupation de sol (Corine Land Cover) ou de description d’objets hydrographiques (thème hydrographie zonale de la BD CARTHAGE® fig. 2-6).

Plusieurs descripteurs sont envisageables :

densités des gravières en lit majeur (Nb/km) ;

surface cumulée (ha/km) ;

présence/absence.

Une validation préalable, sur la base de cas connus, de ces descripteurs et de la qualité des couches d’information disponibles est néanmoins nécessaire.


La constitution de bases complémentaires d’information ou le recours à des documents plus « fins » de description (de type BD Topo IGN) pourraient éventuellement être envisagés pour garantir un niveau minimal de quantification de cette pression.

Figure 10. Gravières en lit majeur extraits de la BD CARHAGE ® « thème hydrographie zonale »

Barrages

L’échelle de la section de cours d’eau permet d’approcher plus précisément les ordres de grandeur de pression exercée sur le milieu par les ouvrages.

En complément de l’approche à l’échelle du bassin versant, dans les zones de montagne, le descripteur «% de bassin versant contrôlé par des ouvrages structurants » devrait permettre d’améliorer l’évaluation du risque de perturbation des processus de transport solide.

En première approche, et sous réserve de validation, l’ordre de grandeur de 50% serait indicateur de forte pression, et 10%, seuil à partir duquel le risque de d’altérations physiques serait à prendre en compte.

30 km


II.1.4 - Flux liquides (grandes sections de cours d’eau)

Barrages

Une approche en terme de cumul de volume stocké par rapport au volume écoulé naturellement (module naturel reconstitué) constitue une approche complémentaire de l’évaluation de l’activité « stockage » sur les cours d’eau.

Ce descripteur a déjà été utilisé dans le bassin Adour Garonne (fig. 2-7) dont une étude, réalisé par Agence de l’Eau propose 0.5% comme seuil à partir duquel la pression est significative.

Figure 11. Descripteur de pression sur le fonctionnement hydrologique des cours d’eau -

Ratio capacité utile sur volume annuel écoulé (Agence de l’Eau Adour Garonne, 2003)

II.1.5 - Morphologie (grandes sections de cours d’eau)

L’échelle des grandes sections de cours d’eau semble la mieux appropriée pour appréhender les pressions à l’origine d’altérations morphologiques sur les cours d’eau.

Seuils

Ces ouvrages, fréquents sur l’ensemble du réseau hydrographique, résultent dans la majorité des cas d’équipements historiques de production d’énergie (moulin), de prélèvements d’eau et, dans une moindre mesure, d’ouvrages de stabilisation du profil des cours d’eau.

En fonction de leur cumul et de leur densité sur le réseau, ils sont susceptibles de provoquer des altérations physiques de plusieurs types (Annexe 3).

A ce stade d’évaluation et de quantification des forces motrices, il convient de s’intéresser à la densité d’ouvrages (Nb/km) pour sélectionner les portions de cours d’eau


où une analyse plus fine des altérations physiques induites par cette pression est nécessaire.

Les valeurs limites à retenir dans un premier temps seraient de 1 seuil par km confirmant une pression forte, 1 seuil pour 10 km restant le seuil inférieur en dessous duquel le risque d’altération est très faible.

Actuellement, hormis les Schémas Départementaux de Vocation Piscicole, renseignés dans l’objectif d’identifier des impacts sur les communautés piscicoles, seules des études réalisées localement au niveau de certains bassins peuvent permettre d’appréhender cette pression.

Les données sources actuellement disponibles sont de nature et de qualité variables selon les études entreprises dans les bassins.

Dans l’état actuel de ces bases de données, seule une exploitation de celles estimées fiables semble réaliste pour rendre compte dans un premier temps de cette pression physique sur le fonctionnement du cours d’eau.

Voies de communication dans le corridor

Les infrastructures de transport modifient en général de façon durable le fonctionnement des cours d’eau quand elles sont situées dans le lit majeur et selon leur proximité avec le cours d’eau (modifications morphologiques induisant des changements de fonctionnement hydraulique lors des crues fréquentes).

Les exemples les plus marquants sont les vallées des Alpes, voies de communication, où le cours d’eau doit souvent « laisser la place » aux différentes infrastructures de transport dans un lit majeur contraint en largeur (Tarentaise, Maurienne, Arve...). Mais de nombreuses vallées alluviales sont également concernées ailleurs.

Le descripteur de ce type de pression pourrait se résumer à une densité linéaire (en km/km) dans un corridor de largeur proportionnelle à la dimension du cours d’eau.

A l’échelle de travail considérée, les données mobilisables sont celles diffusées par l’IGN, en particulier, le produit ROUTE500® dérivé de la BD CARTO®.

Usages des sols dans le corridor

Deux types d’utilisations de sols, l’agriculture à fort impact et l’urbanisation, sont susceptibles de générer plus ou moins directement des altérations physiques (protection de zone inondable, rectification du tracé...).

Le croisement de la couche d’information géographique Corine Land Cover 2000 avec le réseau hydrographique permet d’identifier l’ensemble des tronçons susceptibles d’être affectés.


Figure 12. Le Gier (69) : une pression d’occupation du sol de type urbain, Corine Land Cover, 2000


Figure 13. L’Ouche : pression d’occupation du sol de type agricole à l’aval, Corine Land Cover, 2000

Voies d’eau navigables

Le caractère navigable d’un cours d’eau ou la présence d’une voie d’eau navigable dans le lit majeur est synonyme de modifications morphologiques, voire de modifications très significatives dans le fonctionnement hydraulique.

Cette information est mobilisable de manière générique à partir de la BD CARTHAGE®.

Le descripteur de pression peut, à ce stade, se limiter au caractère navigable des voies d’eau existantes dans le lit majeur.

Extractions de granulats en lit majeur

Cité pour mémoire, cette activité étant par ailleurs traitée dans le paragraphe relatif aux flux solides.

II.1.6 - Conclusions

L’évaluation des activités humaines et des pressions, réalisée au regard des deux processus de fonctionnement (flux solides, flux liquides) et de la structure résultante (morphologie), permet, par une approche à deux échelles différentes (le bassin versant et les grandes sections de cours d’eau) de pré-identifier des sous-ensembles de cours d’eau (ou de secteurs géographiques) susceptibles d’être affectés par des altérations hydromorphologiques (Tableau récapitulatif en annexe 4).

Cette méthode, si elle permet de limiter les champs d’investigation et d’analyse des altérations, reste dépendante des données mobilisables, parfois de qualité incertaine, parfois à construire (ex. bases de données « seuils »).

Une phase complémentaire d’investigation, sur la base de tests sur situations connues, permettra de préciser les seuils de pression en deçà desquels les altérations physiques restent peu probables et au delà desquels les altérations existent de manière significative et certaine.

Par ailleurs, se distingue un certain nombre de pressions, pour lesquelles la définition d’un descripteur semble difficile : la chenalisation des cours d’eau en zone agricole ne semble pas liée de manière évidente avec des descripteurs facilement mobilisables.

Or, il apparaît que c’est une cause majeure d’altération des cours d’eau petits et moyens en zone rurale.


II.2 - BASSIN VERSANT ET TRONÇON GEOMORPHOLOGIQUE

Le fonctionnement physique des cours d’eau est contrôlé par les processus d’érosion/transfert/dépôt de sédiments. Ces processus engendrent des formes fluviales en plan, en travers et en long que l’on est capable aujourd’hui de corréler à certains fonctionnements écologiques. La passerelle la plus utilisée pour établir ces corrélations est basée sur le concept d’« habitat » des communautés biologiques.

II.2.1 - La sectorisation : pourquoi ?

La sectorisation géomorphologique d’un cours d’eau a pour objet de distinguer, au sein d’un cours d’eau entier, des entités spatiales emboîtées présentant un fonctionnement naturel homogène.

L’évolution amont-aval de la physionomie et du fonctionnement physique d’un cours d’eau peut être brutale (lors d’un passage brusque de la montagne à la plaine, ou de gorges à un vaste lit majeur) ou continue (augmentation progressive de la largeur de la vallée, réduction progressive de la pente).

Il est donc nécessaire, tant dans un objectif d’étude que de gestion, de tenir compte de cette évolution.

A une échelle plus opérationnelle, ces tronçons pourront aussi être utilisés comme entités de gestion (programmation de travaux, évaluations financières …).

II.2.2 - Principe des entités emboîtées

* secteur (quelques milliers de fois la largeur du lit (L)) * unité (quelques milliers de fois L) * tronçon (plusieurs centaines de fois L) * sous-tronçon (quelques centaines de fois L) * segment (une centaine de fois L) * faciès (quelques dizaines de fois L)

Nous distinguons habituellement 6 entités emboîtées présentant, chacune à leur échelle, une homogénéité des processus géomorphologiques et des processus écologiques qui leurs sont corrélés.

Nous proposons que, dans le cadre de cet audit, les premiers niveaux de sectorisation soient déterminés de manière précise et définitive sur l’ensemble des cours d’eau français afin d’obtenir une base homogène de découpage qui sera utilisée dans le cadre de l’audit mais qui servira aussi de canevas spatial « de base » pour diverses études ultérieures.


II.2.3 - La sectorisation : comment ?

II.2.3.1 - Dissocier variables de contrôle et variables de réponse

Pour discriminer ces 3 premiers niveaux de sectorisation (secteurs, unités, tronçons) il nous semble important de n’utiliser que des variables de contrôle de la dynamique fluviale. En effet, si ces variables (et leurs modalités) sont bien choisies, elles doivent permettent d’identifier des entités géomorphologiquement homogènes, donc au sein desquelles les valeurs des variables de réponses devraient être théoriquement homogènes. Ce postulat s’applique essentiellement aux tronçons.

II.2.3.2 - Discrimination des secteurs et des unités

Les secteurs et unités géomorphologiques peuvent être identifiés sur la base de leur appartenance à une hydroécorégion de niveau 1 (HER1) et de niveau 2 (HER2). Ces hydroécorégions (Wasson et al., 2002) sont en effet calées sur des variables de contrôle majeures que sont principalement la géologie puis le relief et enfin le climat.

II.2.3.3 - Discrimination des tronçons

Variable de contrôle essentielle des processus géodynamiques, des phénomènes d’inondation, voire des pressions socio-économiques, c’est la largeur du fond de vallée alluvial (Fz et Fyz des cartes géologiques au 1 :50 000) qui nous guide principalement dans la sectorisation en tronçons homogènes. Sont ajoutés comme paramètres discriminants complémentaires : les confluences avec des cours d’eau de rang n-2 représentatives de l’hydrologie et des changements morphologiques associés.

II.2.3.4 - Postulat d’interprétation Notre postulat d’interprétation, expliquant l’intérêt majeur de la notion de tronçon géomorphologique homogène, est alors le suivant :

un tronçon homogène tel qu’identifié par les critères exposés ci-dessus, doit en théorie, selon les lois de la géomorphologie fluviale, présenter des caractéristiques géomorphologiques homogènes : géométrie (largeur, profondeur), pente, sinuosité, style fluvial etc. Si un tronçon homogène présente des portions de son linéaire manifestement différentes les unes des autres, on peut alors suspecter une ou plusieurs altérations hydromorphologiques.

En effet, le tronçon constitue le niveau élémentaire de fonctionnement du processus géomorphologique naturel, pouvant se traduire par des caractéristiques morphologiques.

C’est donc sur ce niveau que se focalisera l’analyse des altérations des processus ou de la structure physiques, tout en ménageant la possibilité de renforcer l’étude à un niveau inférieur pour détecter des détection d’altérations affectant une partie de celui-ci.


Figure 14. identification de sous-tronçons au sein de tronçons géomorphologiques homogènes

Le principe d’analyse est alors le suivant. Si un tronçon géomorphologiquement homogène présente des sous-tronçons à style fluvial, pente ou largeur du lit mineur notablement différents (le seuil du « notablement » reste à définir) c’est que :

soit le tronçon n’est pas totalement homogène sur le plan des variables de contrôle et des modalités choisies (auquel cas il faudra revoir le découpage)

soit des interventions humaines ont modifié directement ou indirectement les valeurs des variables de réponse. Il s’agit alors d’identifier les sous-tronçons « naturels » et évaluer les altérations dues aux aménagements.


II.3 - EVALUATION DES ALTERATIONS PHYSIQUES

Les altérations physiques retenues à ce niveau ont été sélectionnées :

en limitant le plus possible les redondances possibles ;

en précisant les processus hydromorphologiques affectés ;

en limitant le nombre d’altérations décrites.

La recherche de descripteurs simples et reproductibles, en limitant le recours à l’expertise, et construits à partir de bases mobilisables homogènes à large échelle a été privilégié.

Le recueil des valeurs des descripteurs s’effectuent à une échelle inférieure à celle du tronçon géomorphologique qui constitue le cadre d’analyse de manière à garantir une bonne précision à cette échelle.

L’analyse des altérations est proposée selon le schéma général adopté pour l’audit différenciant les deux processus de fonctionnement de bases (flux liquides, flux solides) et la structure résultante (traduite par la morphologie), en dissociant les approches utilisant les outils SIG des approches nécessitant un parcours de terrain.

Pour l’analyse des altérations de processus physiques, il convient de séparer :

- les installations, ouvrages ou travaux (barrage, recalibrage, digue, ….) ;

- l’altération du processus de fonctionnement hydromorphologique (déficit sédimentaire, réduction de fréquence de crues, modification des successions de faciès, déconnexion du lit majeur,…) ;

- les descripteurs d’altération (granulométrie du substrat, ratio capacité retenue/volume annuel écoulé, alternance de faciès, longueur cumulée de digues dans le lit majeur,……).

II.3.1 - Flux solides

Les conséquences des activités modifiant les équilibres du transit des débits solides (barrages et usages des sols) se traduisent par deux types d’altération :

Incision – Apparition de la roche mère (Bedrock) par disparition du plancher alluvial - Changement de style fluvial (annexe 1) par déficit de flux solides ;

le colmatage du substrat par excès de production de « fines » en amont.

II.3.1.1 - Le déficit sédimentaire

Cette altération prend son origine soit dans une réduction des processus d’érosion naturel, soit dans l’existence de « pièges » à sédiments, résultant soit d’ouvrages en travers de type grande retenue hydroélectrique, soit, de manière extrêmement fréquente et diffuse sur les moyens et grands cours d’eau, par l’existence de gravières en lit majeur, témoins passés (ou actuels) d’extractions massives de sédiments.

Ces gravières, si elles sont en connexion avec le cours d’eau pendant les crues « morphogènes » de fréquence faible (2 à 5 ans), qui correspondent au maximum de


capacité de transport solide, constituent alors des bacs de décantations stockant la majeure partie du sédiment transporté par le cours d’eau.

La quantification des gravières dans le lit majeur, à l’aide de base de données géographiques existantes, constitue un descripteur assez fiable du risque d’altération de processus lié au déficit de transport solide en aval.

Par ailleurs, la granulométrie du substrat du plancher alluvial constitue une information majeure lorsque l’analyse des activités humaines laisse présager un déficit de transport solide. Toutefois, cette caractérisation de la granulométrie nécessite donc le recours à des prospections de terrain.

Pour que cette variable présente un intérêt en termes d’interprétation de la fonctionnalités morphodynamiques, il semble intéressant de disposer d’au moins 6 modalités (qui pourront éventuellement être simplifiée par la suite) :

Classes granulométriques (mm)

Substratum roche 6

>256 blocs 5

64-256 galets 4

2-64 graviers 3

0.00625-2 sables 2

<0.00625 limons et argiles 1

II.3.1.2 - Le colmatage par excès de fines

Il constitue une altération majeure, notamment dans les cours d’eau de faible dimension, et sa relation avec l’état écologique est assez directe, s’agissant d’une perturbation importante de l’habitat des macro invertébrés benthiques et hyporhéiques, voire également des macrophytes, éléments clefs des réseaux trophiques.

En revanche, l’estimation du colmatage est elle même complexe et nécessite d’être précisée par un protocole reproductible adapté.

Les voies d’amélioration envisageables résident dans la validation des liens entre pressions et altération et devraient permettre d’alléger les investigations de terrain.


II.3.2 - Flux liquides

II.3.2.1 - Perturbation du régime hydrologique

Cette altération hydrologique est le fait soit de retenues hydro-électriques conçues pour utiliser les apports saisonniers hivernaux et printaniers tout au long de l’année (barrages de montagne par exemple), soit de retenues destinées au soutien d’étiage et à la régulation des crues (barrages réservoirs du bassin de la Seine par exemple).

Le premier descripteur retenu est le ratio du volume de stockage (capacité utile) de ou des retenues par rapport au volume annuel écoulé.

Les données exploitables sont les bases de données « barrages », et les cartes de modules interannuels naturels reconstitués (Sauquet 2005).

L’analyse de la comparaison des régimes naturels reconstitués en cours de définition à l’échelle nationale (Sauquet, 2006), par rapport à l’hydrogramme observé, permettrait de valider les ordres de grandeur des perturbations induites.

II.3.2.2 - Altération des débits (vitesses, hauteur)

Essentiellement liée aux ouvrages de prélèvements (énergie, ou autres usages), ce type d’altération a fait l’objet de développement de modèles du type micro habitat, permettant une évaluation relativement directe de l’impact envisageable sur la biologie (poissons et invertébrés).

Ce type d’altération, très localisé, doit être évaluée d’abord par une approche cumulative :

proportion relative de tronçons court-circuités ou soumis à un prélèvement,

proportion (par équipement) des volumes dérivés,

associée à l’évaluation du ratio volume dérivé par rapport au module interannuel reconstitué.

Les données nécessaires à la constitution des descripteurs ne sont pas disponibles à l’échelle nationale ; en revanche, ces données devraient être mobilisables au niveau des Agences de l’Eau.

II.3.2.3 - Variations brusques et répétées des débits : les éclusées

Typique de certains équipements hydro-électriques, les éclusées sont à l’origine de perturbations des conditions d’habitat des organismes aquatiques.

Elles peuvent concerner des cours d’eau de petites tailles (micro-centrales de moyennes montagne), mais certains grands systèmes sont également affectés par ce type d’altération (cas du Rhône en amont de Lyon).

Les descripteurs seront ceux traduisant au mieux le stress induit en terme d’habitat hydraulique soit le ratio débit maximal par rapport au débit plancher traduisant les différences de débits imposées au milieu sur un pas de temps court, et le ratio débit minimal par rapport au module interannuel reconstitué traduisant l’ordre de grandeur de la perturbation par rapport aux conditions naturelles.


Les données sont, dans ce cas d’altération, plus difficiles à obtenir car elles dépendent plus directement de l’exploitant, mais il apparaît utile, à terme, d’engager un processus d’acquisition systématique de cette information.

II.3.2.4 - Altération des étiages

Il est communément admis que les pompages diffus et le drainage soient à l’origine d’aggravation des étiages.

Ce type d’altération est mentionné pour mémoire.

En effet, la quantification de cette altération semble assez difficile et nécessite des études approfondies compte tenu du caractère variable des débits d’étiage dont les mesures sont entachées d’incertitudes souvent importantes.

Il apparaît que ces descripteurs sont relativement difficiles à manipuler :

- ils nécessitent un accès facile aux bases d’informations relatives aux activités (fichiers d’ouvrages),

- une validation de cet impact à l’échelle du tronçon semble indispensable par comparaison des ordres de grandeurs vis-à-vis de la variabilité de l’hydrologie des cours d’eau.

L’étude préalable des activités humaines liées aux flux liquides est susceptible là aussi d’aider à optimiser l’effort d’investigation à mener.


II.3.3 - Morphologie

Evaluations à partir d’outils d’information géographiques

II.3.3.1 - Réduction de sinuosité

Ce type d’altération, aux conséquences morphodynamiques et hydrauliques importantes, est assez généralisé sur l’ensemble des cours d’eau qui ont subi des rectifications de tracé souvent dans le cadre de travaux d’aménagements ruraux, mais aussi en liaison avec les infrastructures de transport, voire avec les travaux de lutte et de protection contre les inondations.

La rectitude du tracé en plan d’un cours d’eau se traduit généralement par une homogénéisation des variables hydrodynamiques et des substrats, donc une forte banalisation des habitats aquatiques. Cet impact est cependant tempéré par la puissance du cours d’eau et son transport solide. Un cours d’eau puissant et disposant d’apports solides grossiers encore importants sera moins pénalisé qu’un cours d’eau de plaine à faible transport solide.

Le ratio longueur totale du cours d’eau par rapport à la distance à vol d’oiseau à l’échelle du tronçon géomorphologique constitue un indicateur fiable et éprouvé, mobilisable à partir de couches d’informations géographiques de l’IGN (BDTopo, couche hydrographique).

L’analyse devra prendre en compte la possibilité naturelle de divagation du cours d’eau (fond de vallée d’une largeur supérieure d’environ 5 fois celle du cours d’eau).

II.3.3.2 - Suppression – altération du corridor végétal

Située à l'interface entre les milieux terrestres et aquatiques, la végétation rivulaire ou ripisylve joue un rôle très important au sein des écosystèmes d'eau courante :

- le rôle de "corridor" sous la forme d’un cordon assure une continuité biologique entre des milieux souvent fragmentés, facilitant les échanges et les déplacements entre les différentes communautés animales ;

- les racines des arbres, les troncs tombés dans l'eau, les débris végétaux (ou embâcles) créent une diversité d'habitats favorable à la faune aquatique, en faisant office successivement de lieux de cache, de supports de ponte ou de source de nourriture pour de nombreux poissons et invertébrés ;

- la végétation des berges, par son ombrage, permet également de maintenir une température des eaux fraîche ;

- à long terme, un surcroît de lumière peut être source de sur-développement d'algues aquatiques et d'eutrophisation du milieu, néfaste à la vie des organismes vivants ;

- les formations végétales riveraines garantissent un apport constant en matière organique (feuilles mortes, insectes tombant des arbres, etc.). De plus, beaucoup d'insectes « aquatiques » ont besoin des tiges de la végétation riveraine pour se développer (éphémères, libellules, etc.) ;

- les ripisylves participent à l'élimination de pollutions diffuses, en réduisant la teneur des eaux en nitrates et phosphates et en diminuant la concentration en


pesticides (une certaine largeur est alors nécessaire pour assurer cette fonction).

Le descripteur élémentaire peut être la proportion de surface couverte par rapport à la surface de corridor (la largeur du corridor est à définir plus précisément, selon que le choix se focalise sur l’existence ou non d’un simple corridor (alignement d’arbres, ou de formations végétales plus étoffées).

II.3.3.3 - Blocage de la dynamique latérale

Elément important de l’équilibre des processus morphodynamiques, cette altération peut être identifiée sur la base du constat de l’existence d’obstacles latéraux, d’occupation pérenne dans le lit majeur (notamment exprimé par la présence de voies de communication), voire de signes « historiques » de changement de tracé du cours d’eau.

Un hydrosystème fluvial naturel est caractérisé par une diversité géomorphologique dont le moteur est, notamment dans un cours d'eau à méandres, l'érosion des berges et la migration latérale du chenal vif. Dans ce processus de migration, le chenal vif se déplace en érodant sa rive concave et en déposant des sédiments en transit sur sa rive convexe (bancs de convexité). Quand les méandres atteignent un certain rayon de courbure, ils peuvent être recoupés naturellement à l'occasion de crues, même moyennes. La partie de méandre ainsi recoupée devient alors un bras mort, dans un premier temps plus ou moins alimenté par le chenal vif, puis seulement par la nappe d'accompagnement. Il va progressivement se combler par apports de sédiments et de matière organique en période de crue, pour enfin faire partie intégrante du lit majeur sous la forme d'un marais ou d'une simple dépression topographique.

Ces processus d'érosion, transport de sédiments, dépôt, recoupement de méandre, ont pour effet de créer, détruire, recréer, à une échelle de temps comprise entre 10 et 100 ans en moyenne (fréquence extrêmement variable selon les cours d’eau), une diversité de milieux dont la grande richesse écologique tient justement à leur fréquence de régénération et à leur assemblage sous forme de mosaïques sur une surface relativement restreinte (parfois seulement quelques milliers de m2).

Le blocage des processus géodynamiques se traduit donc par un appauvrissement général de la qualité fonctionnelle du corridor fluvial.

L’absence de processus d’érosion latérale entraîne de surcroît une baisse de la « production » de sédiments grossiers par reprise du stock alluvial disponible sur les berges. Or, l’équilibre débit liquide/débit solide est un élément essentiel de la dynamique fluviale. Cet effet est d’autant plus sensible sur les cours d’eau à dynamique active et coulant dans des alluvions non cohésives.

La quantification des ponts, barrages, infrastructures en bordure immédiate du lit (routes, voie ferrée, bâtiment), et dans un couloir élargi assimilé au lit majeur (10 largeurs au minimum) permet de rendre compte de l’importance de cette altération à l’échelle d’un tronçon.

Dans certains cas particuliers, une analyse historique permet parfois d’affiner la quantification de cette altération et d’identifier plus précisément les phénomènes à l’origine du processus.


II.3.3.4 - Déconnexion lit mineur / lit majeur

Les annexes latérales représentent, en particulier pour les cours d’eau moyens à grand, une partie importante des habitats pour les différentes communautés des milieux aquatiques.

Une déconnexion totale ou partielle avec le lit mineur peut toucher uniquement la plaine alluviale mais aussi les annexes hydrauliques (bras morts, noues, lônes, marais, etc.) ;

Leurs caractéristiques sont très variables selon les cours d’eau et les interventions subies :

• elles peuvent être permanentes : plus aucune connexion n’existe quel que soit le niveau atteint par les crues ;

• elles peuvent être temporaires ou se traduire « seulement » par une moindre fréquence de connexion : par exemple, les connexions qui avaient lieu au moins une fois par an ou une fois tous les 2 ans, ne se font plus que tous les 5 ans, tous les 10 ans, etc.

Selon l’intensité de ces "déconnexions", les impacts sur les milieux naturels sont plus ou moins importants et plus ou moins réversibles. D’une manière générale la déconnexion du lit majeur de son lit mineur se traduit par :

• un appauvrissement des milieux naturels du lit majeur lié à une absence de submersion fréquente ;

• un appauvrissement des biocénoses terrestres associées ;

• un appauvrissement de certains compartiments des biocénoses aquatiques dont une partie du cycle de développement est liée à ces connexions (notamment la reproduction pour certaines espèces de poissons).

Le descripteur retenu sera pour cette altération la longueur cumulée des digues présentes dans le lit majeur.

Un complément/validation de terrain sera dans certains cas à envisager.

Dans ce cas également, on peut, en première approche, considérer que cette altération est fortement dépendante de l’occupation des sols dans le lit majeur.

II.3.3.5 - Ralentissement des écoulements

Concerne l’ensemble des cours d’eau de pentes moyennes à faibles, équipés de seuils (annexe 3).

Ces seuils, outre les perturbations qu’ils provoquent au niveau de l’équilibre morphodynamique du cours d’eau (modification des flux liquides et solides, ralentissements des écoulements, « point dur » limitant les processus naturels d’érosion), ont des effets assez directs sur certains aspects du fonctionnement biologique du cours d’eau.

On peut citer, entre autres, la réduction de proportion des habitats à écoulement rapide (radiers), l’augmentation des risques d’eutrophisation, l’augmentation de la température à l’étiage, les modification biotiques (communautés d’espèces caractéristiques de milieux plus lents et souvent plus ubiquistes)...

Les descripteurs permettant de quantifier le niveau d’altération sont :

les hauteurs de seuils cumulées ;


le ratio pente de la ligne d’eau résultante par rapport à la pente naturelle du cours d’eau.

On peut calculer ces descripteurs sous réserve de construire une base de données géoréférencées de ces ouvrages en caractérisant a minima les hauteurs.

Les calculs de pente « naturelles » de cours d’eau sur la base d’outils de type SIG nécessitent encore à ce jour des développements techniques pour réduire les incertitudes.

La base d’information existante à l’IGN constituée par les profils des cours d’eau recensés du début du vingtième siècle aux années cinquante constitue une base informative très précise permettant de compléter plus finement l’analyse de cette altération.

Evaluations nécessitant une visite de terrain

Quatre altérations de type morphologique nécessitent une évaluation de terrain.

Celle ci pourrait se limiter aux tronçons présentant soit des risques d’altérations résultant de l’analyse des « activités humaines », soit des indices d’altérations marqués pour les éléments précédemment décrits à l’aide de SIG.

Il n’est question que de les citer dans un premier temps, car la première priorité est clairement mise sur l’extraction des données générales déjà manipulables sous SIG.

II.3.3.6 - Modification de la succession naturelle des faciès

L’alternance de faciès, naturelle dans les rivières à méandres, résulte de l’équilibre dynamique du fonctionnement hydromorphologique. Les séquences rythmiques, radiers – mouilles, suivent une périodicité constante d’une valeur multiple de 6 fois en moyenne la largeur du lit mineur.

L’alternance de ces formes a un effet écologique direct en terme de diversité d’habitat physique (hauteur d’eau, vitesse et substrat), donc d’incidence prévisible sur les communautés biologiques.

Il est possible d’envisager un descripteur d’estimation de la périodicité, là où existent des présomptions d’altération liées à la morphologie.

II.3.3.7 - Blocage de la dynamique latérale – déconnexion du lit

Il apparaît nécessaire pour compléter les cas où les techniques utilisant les données des SIG peuvent s’avérer insuffisantes pour représenter ces deux types d’altération, à condition d’établir au préalable la proportion de cas potentiels insuffisamment repérés..

Toutefois il semble nécessaire d’évaluer en préalable la proportion de cas potentiels où les évaluations à partir d’outils d’information géographiques est insuffisante.

Les descripteurs pourraient être du type SEQ physique tel qu’utilisés dans le bassin Rhin-Meuse (berges enrochées, bétonnées...).

II.3.3.8 - Modification de la géométrie

Traduction principale du déséquilibre du fonctionnement morphodynamique, croisé avec une évaluation de la puissance spécifique du cours d’eau, elle peut constituer un indicateur précieux de l’état de réversibilité des altérations subies par le cours d’eau.


L’évaluation, par des mesures de terrain sur des bases simples à définir, des hauteurs « plein bord », et de la largeur « plein bord » permettrait d’évaluer un débit de plein bord à comparer aux débits de crues fréquentes.

Cette comparaison pourrait permettre de définir le degré de « chenalisation » du cours d’eau.

II.3.4 - Altérations de processus physiques - conclusion

L’ensemble des descripteurs d’altérations retenus est de treize, dont trois seront nécessairement mesurés sur le terrain avec des modalité restant à définir.

Des redondances entre descripteurs sont encore possibles, mais la combinaison des résultats issus de l’analyse pourra être adaptée en fonction des contextes géomorphologiques et des contextes de pressions, pour améliorer la lisibilité du rendu final de l’analyse.

D’une manière globale, les descripteurs d’altérations retenus présentent une certaine compatibilité avec les systèmes d’évaluation déjà utilisés (Qualphy, EVACE) ce qui permet d’envisager l’exploitation d’une partie de données déjà collectées pour constituer la base géographique de l’audit.

On peut récapituler l’ensemble des altérations retenues par le tableau suivant.

L’exploitation des données résultant de ces analyses fera l’objet d’un autre rapport dans lequel sera notamment explicité:

- comment moduler l’interprétation des valeurs brutes en fonction des contextes géomorphologiques (régionaux et locaux );

- comment fixer des seuils de valeurs selon les objectifs poursuivis, le niveau de risque accepté et l’état des connaissance des liens entre altération de processus et biologie.

Les modalités d’acquisition d’informations sur le terrain constitue également un champ d’investigation à venir pour lequel la prise en compte de l’expérience pratique existante, des données déjà collectées, voire de tests à réaliser est à effectuer.

Cette liste d’altérations retenus constitue un socle permettant de mettre en œuvre la collecte, et l’organisation d’une base de données dont l’exploitation permet d’envisager une connaissance améliorée de la situation des processus de fonctionnements physiques.


Altération des processus de fonctionnements

physiques

Installation Ouvrages Travaux Activités

Descripteur quantitatif Origine des

données

FLUX SOLIDE

Déficit sédimentaire Gravières en lit majeur

N gravières/km BDTOPO®

Colmatage (excès de fines)

A construire terrain

FLUX

LIQUIDE

Altération de régime hydrologique

Grandes retenues

Cap. utile/Vol. écoulé BDonnées

Agence

Altération des débits Dérivations % long. court-circuitée

% volume dérivé

BDonnées

Agence

Variations brutales et fréquentes (éclusées)

Hydro-électricité

Qmax / Qplancher BDonnées

Agence

Abaissement des étiages Pompages

drainages

Qmin/Qmin théorique

(difficile à quantifier)

BDonnées

Agence

Morphologie résultante

Réduction de sinuosité Rectification

Recalibrage

Ltotale /Laxe BDTOPO®

Altération du corridor Occupation sol à proximité

% longueur avec absence corridor

BDTOPO®

Altération de la dynamique latérale

Occupation sol en lit majeur

Longueur des voies de communication/km

BDTOPO

Déconnexion lit min./lit maj.

Digues et talus en lit majeur

Longueur des digues /km

BDTOPO®

Ralentissement des écoulements

Seuils transversaux

Nombre / km

Pente / pente naturelle

BDonnées

Agence

Altération des successions de faciès

Résultante de IOTA divers

A définir terrain

Augmentation du débit de plein bord (géométrie du lit mineur)

Résultante de IOTA divers

Qplein bord / Q 2ans terrain


II.4 - CONCLUSION

Deux niveaux de diagnostics sont ainsi proposés, le premier, à large échelle, s’intéressant aux forces motrices ou activités humaines à l’origine des perturbations, le deuxième ciblant plus précisément les altérations des processus de fonctionnement hydromorphologiques.

L’objectif a été d’éviter la redondance des variables étudiées en essayant de couvrir le plus grande part du champ des forces motrices et des altérations existantes.

Ceci n’exclura pas la possibilité d’altération écologique d’origine « physique », non identifiée par ce processus d’analyse « bottom-up », qu’il conviendra de compléter par un contrôle rétro-actif ascendant, avec une expertise locale à organiser, compatible avec l’échelle de l’analyse effectuée.

L’analyse des forces motrices est susceptible de permettre une première approche (en terme de risques d’altération) des problèmes dominants à un niveau régional (de bassin) ce qui peut constituer un appui aux besoins d’orientations, de définition d’objectifs, voire de pré-programmation d’actions.

L’analyse des altérations, plus complexe et nécessitant l’acquisition de données, constitue un chantier au terme plus long.

A court terme (2007), il est envisagé que le CEMAGREF réalise :

- un atlas des cartes de forces motrices ;

- un cahier de prescriptions techniques pour l’acquisition de données à partir des couches d’information géographiques nationales (BDTOPO®) ;

- un guide d’aide à l’interprétation des variables collectées.

Parmi les questions qui restent à explorer, on peut noter :

- l’amélioration de la connaissance générales des liens biologie/habitats/altérations de processus physiques, en particulier pour les compartiments biologiques explicitement identifiés par la DCE pour qualifier l’état écologique;

- la définition de procédures et protocoles pour l’acquisition des données nécessitant une investigation de terrain ;

- la définition et l’encadrement du suivi des actions de restaurations engagées de façon à valoriser l’efficacité de celles-ci.

Documents

SYstème Relationnel d’Audit de l’Hydromorphologie des