Cadre géomorphologique des écoulements: les lits fluviaux
L’écoulement des cours d’eau, tel qu’il vient d’être décrit, s’effectue dans un lit dont la taille et le tracé dépendent d’un grand nombre de facteurs, notamment le débit et la charge solide. Le rôle des courantsfluviaux (eau plus charge transportée) dans le façonnement du lit des rivières et, réciproquement, l’influence des caractères géomorphologiques de la vallée sur les formes de l’écoulement seront également pris en compte.
Combinés aux débits, les flux sédimentaires vont conditionner le façonnement des litsfluviaux. Leurs variations, à différentes échelles de temps, sont responsables d’une grande diversité géomorphologique des chenaux qui s’exprime par des stylesfluviaux très différents. Cette variabilité s’inscrit à l’intérieur de la plaine alluviale qui conditionne tous les flux et enregistre l’histoire du cours d’eau.
La charge sédimentaire
En dépendance des volumes écoulés, l’eau transporte des sédiments. Cette charge sédimentaire provient de l’érosion des versants, selon des processus contrôlés par le climat (gélifraction, altération chimique…) et la spécificité du bassin versant (lithologie, pentes, exposition, végétation…). Sa nature en dépend, ainsi que l’importance de sa production.
La charge solide à proprement parler couvre une gamme de particules dont la taille varie des argiles (< 2 microns) aux blocs (> 200 mm). Son transport est réalisé en suspension dans la masse d’eau ou par progression sur le fond du chenal selon plusieurs processus. Le .mode de déplacement dépend en grande partie de la taille des sédiments, mais aussi de la capacité du cours d’eau à les mobiliser. De ce fait, les mêmes sédiments pourront être charriés sur le fond ou déplacés en suspension en fonction des variations de la puissance du cours d’eau, d’une crue à l’autre, voire au sein d’un même épisode de crue.
Cette capacité à mobiliser les sédiments est appréhendée par deux paramètres complémentaires. La compétence de l’écoulement mesure les éléments les plus grossiers (charge de fond en général) susceptibles d’être déplacés par le cours d’eau. La charge limite détermine quant à elle le poids maximum de matériaux que la rivière peut transporter par unité de temps. Elle dépend du débit du cours d’eau, mais aussi de l’importance de la pente, qui conditionne les vitesses.
La charge de fond
Aussi appelée charge grossière, elle est constituée des sédiments transportés sur le fond du lit. Lors de son déplacement, cette charge est mobilisée sur une épaisseur qui ne dépasse pas le diamètre de quelques grains et les particules restent en contact, même partiel, avec le lit. Le transport peut s’effectuer par roulement des particules individuelles sur le fond, par saltation, les éléments progressant par petits sauts en se détachant du fond, ou par charriage, qui détermine un transfert en masse du matériau, toujours sur le fond du lit.
La charge de fond étant constituée par la fraction grossière des matériaux, son transport est assuré par les débits les plus forts, lors des crues. Il est donc très irrégulier dans le temps. C’est particulièrement vrai pour les organismes torrentiels qui fonctionnent par crises hydrologiques et engendrent le charriage épisodique d’importants volumes de sédiments. Plus en aval, sur les rivières de piémont et de plaine, les apports sont mieux régulés.
Ces déplacements sporadiques de la charge de fond concernent des volumes relativement faibles, parce qu’ils sont à la fois tributaires de la disponibilité en matériaux grossiers, souvent confinés dans le chenal d’écoulement, et de la compétence du courant. En rivière, la charge de fond représente en général moins de 10 % de la totalité des transports solides, bien qu’elle puisse atteindre 70% sur des cours d’eau montagnards. Les distances parcourues sont également très faibles. Lors de la crue exceptionnelle du Guil dans le Queyras, en juin 1957, les déplacements n’auraient pas excédé quelques centaines de mètres, 2 km au maximum (Tricart, 1977). C’est un ordre de grandeur assez représentatif des mesures réalisées sur d’autres cours d’eau, correspondant à un flux global de quelques kilomètres par siècle.
Les matières en suspension (MES)
Les matières en suspension constituent la fraction fine de la charge solide transportée par le cours d’eau. Ce sont, pour l’essentiel, des argiles (particules inférieures à 2 microns) et des limons (60 microns). Les particules sont portées dans la masse de l’eau, en relation avec leur densité, sans contact avec le fond de la rivière. La turbulence du courant (mouvements tourbillonnaires) entretient ce mouvement et détermine, lorsqu’elle s’accentue par exemple à l’occasion des crues, la mise en suspension de fractions fines plus grossières (sables) issues de la charge transportée sur le fond du Ht. Les particules se répartissent alors selon un granoclassement vertical décroissant en direction de la surface.
La charge en suspension provient de l’érosion des versants (ruissellement, effet splash des gouttes de pluie), mais aussi des berges du cours d’eau. La sensibilité du bassin versant à l’érosion et le climat jouent ainsi un rôle essentiel dans la distribution des particules transportées en suspension. La pente, le couvert végétal, la nature des roches, l’intensité des précipitations vont déterminer les quantités de matériaux délivrées au cours d’eau. De manière très générale, les concentrations seront faibles dans les régions océaniques à couvert végétal dense et au relief peu accentué : on relève par exemple 37,9 mg/1 sur la Seine à Poses (Meybeck, 2001). Les valeurs les plus élevées sont observées dans les régions sèches aux sols dénudés, très sensibles à l’érosion mécanique. Des valeurs de 15 760 mg/1 ont été mesurées sur le Colorado au Grand Canyon.
Le transport de la charge en suspension est beaucoup plus efficace lorsque les débits sont élevés, en période de hautes eaux ou lors des crues. Sur la Têt, fleuve côtier français se jetant dans le golfe du Lion, l’essentiel du transfert des MES se produit au cours de crues éclairs, qui surviennent généralement en automne. Cette variabilité saisonnière se double d’une très grande irrégularité annuelle, dans un rapport de 1 à 100.
Le transport en suspension n’agit pas directement sur la géométrie du chenal d’écoulement. En revanche, il participe lors des débordements en période de crue à la construction des levées de berge et de la plaine alluviale. Ces dépôts fins favorisent la cohésion des berges et agissent ainsi indirectement sur les paramètres qui contrôlent la morphologie du chenal.
Les substances dissoutes
L’eau, agent de transport chimiquement actif, véhicule des substances dissoutes non visibles, d’origine minérale et organique. Elles peuvent représenter une part substantielle de la charge totale transportée par la rivière.
Ces substances dissoutes proviennent de sources variées et sont, en premier lieu, fournies par l’altération chimique des roches constitutives des bassins versants (60 % des apports), dans des proportions très variables dépendant de la nature lithologique du substratum. Les ions bicarbonates (HCO3 ) et calcium (Ca++) prédominent très souvent en raison de l’abondance des roches carbonatées et de leur grande sensibilité à la dissolution.
Les éléments dissous proviennent également de l’entraînement des aérosols contenus dans l’atmosphère, lors des précipitations. Ils sont d origine naturelle et anthro- pique, tels les sels dissous issus de l’océan et plus abondants à proximité des côtes (sodium, chlorures, magnésium), les poussières volcaniques, les éléments issus de la biomasse (lessivage des sols, feux de forêts, décomposition de la matière organique), les fumées d’usine et des voitures…
À l’échelle mondiale, l’apport annuel aux océans des éléments dissous est évalué à 3,7.109 tonnes, et la concentration moyenne des cours d’eau à 120 mg.l »1 (Walling et Webbs, 1987). Cela représenterait 38% de la charge solide totale transportée par les cours d’eau (Knighton, 1984).
Dégradation spécifique
La charge sédimentaire véhiculée par le cours d eau est la résultante de 1 érosion affectant le bassin versant. On l’exprime par la de’gradation spécifique, rapportant le poids annuel des alluvions transportées par le cours d’eau à la superficie du bassin hydrographique (t.kmr2.an~i). Ce paramètre intègre la totalité de la charge, mais est plus particulièrement représentatif des volumes de matériaux en solution et en suspension, dans la mesure où la charge de fond représente une fraction très faible du total des alluvions. C’est un critère d’évaluation qui masque la variabilité géographique des apports sédimentaires car les zones de contribution en matériaux ne s étendent généralement pas à l’intégralité du bassin versant, mais concernent quelques secteurs particulièrement productifs. Cela est d’autant plus vrai que le bassin est plus important et donc plus hétérogène.
À l’échelle de la planète, les valeurs de la dégradation spécifique s’échelonnent entre 1 et plus de 50000 t.km^.an1(Bravard et Petit, 1997). Les contrastes régionaux s’expliquent avant tout par le facteur climatique (facteur zonal). On retrouvera de ce fait des zones propices à la production de matériaux, où 1 érosion mécanique est particulièrement efficace. Ce sont en particulier les zones de hautes latitudes et celles régies par un climat tropical sec. Les milieux de montagne, également très pou voyeurs en sédiments, se greffent sur cette zonation climatique et la rendent pl complexe. À l’opposé, les moyennes latitudes tempérées aux reliefs peu marqués et à forte couverture végétale constituent des zones peu productrices. L’évolution vers les climats chauds et humides marque généralement un changement dans la nature de la charge, le transport en solution devenant prédominant en raison de l’efficacité croissante des processus de l’altération biochimique et de la dissolution.
Selon Serrât et al., les rivières européennes se situent dans une moyenne comprise entre 30 t.km 2.an_1 et 88 t.km’2.an_1, plus élevée si l’on prend en compte les zones de piémont. Des valeurs de 250 à 350 t.km’2.an 1 sont proposées pour la bordure pyrénéenne orientale. Peiry a enregistré pour l’Isère grenobloise entre 215 et 1200t.km~2.an_1 (1994-1997). Pour une grande partie des cours d’eau états-uniens, Léopold avance des valeurs qui se situent dans une fourchette de 100 à 800 t.km~2.an_1. Pour le Huang-He chinois (Fleuve Jaune), qui draine d’épais recouvrements loes- siques très sensibles au ruissellement, des valeurs considérables sont observées l2127t.km-2.an1).
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