Fonctionnalités des rivières - Agence de l`Eau Seine Normandie

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CHAPITRE 3
Fonctionnalités
des rivières
I Morphodynamique
1 - Les mécanismes naturels d’équilibre
Le contexte climatique et géomorphologique détermine la pente des rivières,
leurs profils longitudinal et transversal et la granulométrie des fonds.
Les processus d’érosion, de transport et de sédimentation résultent de la
dissipation de l’énergie cinétique du fluide en mouvement de l’amont vers
l’aval, sous l’influence de facteurs hydrauliques (vitesse du courant, hauteur
d’eau, débit et régime des crues) et géologiques (pente, dureté de la roche
mère, cohésion des matériaux du lit et des berges). Le transport liquide est
indissociable d’un transport solide. La rivière reçoit des particules emportées
par les eaux de ruissellement sur le bassin, en arrache à ses berges et à son lit,
en dépose et en reprend en fonction des gradients de vitesse. Lit et berges sont
donc en perpétuel réajustement.
Ph. 14 - Cette clôture atteste du lent déplacement du méandre,
facilité ici par l’absence de ripisylve.
Énergie et transport solide
La relation entre la pente et la vitesse est donnée par l’équation de Manning :
V=kR0.66p0.5n-1 (avec R : rayon hydraulique, p : pente, n : indice de rugosité,
k : coefficient dépendant des unités). Le rayon hydraulique R est le quotient de la
section mouillée par son périmètre.
Si S est la surface mouillée et Q le débit, la relation Q=VS permet d’établir facilement
que W = k’SV3.
L’énergie de l’eau en mouvement est donc proportionnelle au cube
de sa vitesse.
L’énergie cinétique est absorbée par la turbulence, les frottements, l’arrachement
et le transport des matériaux. On définit la puissance nette comme :
Pn = W-(Wfrottement + Wturbulence + Wtransport). Si Pn > 0, la rivière utilise cette puissance
pour arracher des matériaux à son lit. Si cette puissance devient négative, la rivière
dépose les matériaux qu’elle transporte. Par le jeu de l’érosion et de l’accrétion,
la rivière recherche un profil d’équilibre qui minimise l’énergie dépensée.
Le transport des matériaux se fait par charriage (les matériaux sont roulés
sur le fond), saltation (les grains sont décollés et retombent un peu plus
loin) ou mise en suspension, selon les vitesses du courant et l’adhérence
des matériaux. La force nécessaire à la mise en mouvement n’est pas
exactement proportionnelle à la granulométrie, les éléments très fins
(< 0.2 mm) sont, toutes choses égales par ailleurs, plus difficiles à arracher,
mais restent en suspension beaucoup plus longtemps.
Une accentuation locale de la pente, suite à un recalibrage, par exemple,
se traduit - à débit constant - par une érosion plus active : l’équilibre est
rétabli par l’augmentation de la charge solide et de la taille des sédiments
transportés. A l’inverse, une diminution de la pente, comme par exemple
la présence d’un seuil, déplace le système vers une accrétion : l’équilibre
est rétabli par un dépôt de matériaux et une diminution de la taille des
matériaux transportés.
En cas d’augmentation du débit liquide, lors d’une crue ou d’une ouverture
de vanne, l’équilibre est assuré par un entraînement plus important
d’éléments grossiers, alors qu’à l’étiage, le flot entraîne moins de sédiments,
voire en dépose pour ne conserver en suspension que les plus fins.
Toute variation d’un paramètre se traduit donc par le déplacement de
l’équilibre dans le sens d’une érosion ou d’une accrétion. En régime moyen,
le lit est en apparence fixe. Les dépôts compensent les arrachements, il
s’agit, en fait, d’un équilibre dynamique.
Les mécanismes d’érosion et de dépôt peuvent être figurés par cette dou-
ble balance dont un bras représente la charge (caractérisée par le débit
solide, la masse et la taille des sédiments transportés) et l’autre bras le flot
(caractérisé par le débit liquide et la pente).
d’après Lane, 1955

3 - Fonctionnalités des rivières
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En régime hydraulique normal, les eaux sont, la plupart du
temps, peu chargées en matière solide, ont un faible pouvoir
d’arrachement et restent limpides. Le transport solide est
réduit (mais jamais nul) et sans effet visible en dehors de
quelques berges concaves de faible cohésion soumises à
l’érosion, ou de sections à écoulement lentique où se poursuit
la sédimentation.
Le modelé s’effectue essentiellement lors des écoulements de
plein bord, qui conjuguent fortes vitesses et charges transpor-
tées élevées. Les dépôts les plus fins ou les plus meubles non
encore fixés par la végétation sont alors remis en suspension
et évacués. La rivière procède à un véritable nettoyage de son
lit mineur. Ce rajeunissement permanent par les crues est
une caractéristique écologique majeure des cours d’eau,
propice à une biodiversité élevée. Les endroits fraîchement
érodés ou remaniés sont colonisés par des espèces végétales
ou animales pionnières, qui évoluent ensuite diversement. Ces
milieux ouverts sont également plus facilement occupés par les
plantes invasives.
Transport en solution
L’érosion s’accompagne de la mise en solution de divers éléments du substrat, notamment des matériaux carbonatés ou sulfatés
calciques. Le dioxyde de carbone de l’air en équilibre dans l’eau forme de l’acide carbonique, qui dissout le calcaire en transformant
la calcite, très faiblement soluble, en bicarbonate de calcium beaucoup plus soluble. Les réactions chimiques réversibles tendent à
s’opposer aux variations du milieu. Les bicarbonates constituent donc un système tampon qui stabilise le pH.
CO2+H2O H2CO3
H2CO3 H+ + HCO3
-
HCO3
- H+ + CO3 --
H2CO3 + CO3Ca Ca(HCO3)2
La très faible mobilité du lit sur la plus grande partie du linéaire et un risque de crue réduit
ont permis l’occupation des lits majeurs par les activités humaines.
Ph.
16
Ph.
15
Sur le secteur Seine-Aval, les crues débordantes sont rares
et avec des débits de pointe trop faibles pour provoquer des
remaniements significatifs des lits. Les rivières ont un espace de
divagation réduit dans leur lit majeur et un tracé très faiblement
évolutif à l’échelle humaine. Ce sont des rivières linéaires ou
à méandres. Leur lit mineur est bien défini et suffisamment
fixé par sa ripisylve naturelle pour que les propriétaires
riverains le considèrent comme immuable, contrairement aux
lits des rivières à régime nival ou torrentiel, qui présentent des
méandres très mobiles (berge concave verticale et soumise à
une érosion active tandis que la berge convexe est en pente
douce, formée de matériaux déposés récemment), des tresses,
ou sont erratiques dans un vaste lit majeur fréquemment
réinvesti et remanié. Les lents déplacements des méandres
vers l’aval ne sont perceptibles qu’à l’échelle du siècle.
Ph.
17
2 - Profils longitudinal et transversal - faciès d’écoulement
Les cours d’eau de Seine-Aval prennent leur source à des
altitudes modestes (130 m dans le Pays de Caux, 240 m dans
le Pays de Bray, 260 m dans le Perche, 160 m dans la forêt des
Yvelines) et ont un profil faiblement concave.
Les fleuves côtiers de Seine-Maritime ont des longueurs assez
courtes (70 km ou moins) pour conserver un profil à peu près
constant sur tout leur cours, la pente variant entre 4 o/oo et
2 o/oo. Ce sont des rivières à peuplements piscicoles rhéophiles.
Les rivières plus longues présentent des secteurs plus lents
sur leur aval, comme le cours de l’Eure en aval de Chartres
ou la partie basse de l’Epte, ce qui conduit à des peuplements
piscicoles mixtes ou cyprinicoles (cf. ch. 7).
La régularité du profil peut être interrompue par des petits
seuils, ruptures de pente causées par des variations locales de la
dureté des terrains traversés, qui contribuent à la structuration
et à la diversification des habitats aquatiques.

3 - Fonctionnalités des rivières
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Les méandres sont en évolution
continue et se déplacent vers l’aval à
l’échelle du siècle. Leur courbe in-
térieure est graduellement comblée
par les dépôts de sédiments, tandis
que la courbe extérieure s’élargit par
creusement du chenal et érosion de
la rive.
L’amplification de la courbure est
un élément normal de l’évolution du
dessin du méandre et aboutira, in fine,
à la coupure du virage et à son isolation
du cours d’eau, créant un bras mort
qui reste connecté au chenal principal
lors des crues. Ph.
19
Coupure de méandre dans la basse vallée de la Saâne, et formation d’un bras mort.
Il est souvent tentant
de consolider la berge
extérieure d’un méandre
pour éviter l’élargisse-
ment de la courbure et
gagner de la surface culti-
vable ou constructible. Le
fl ot est alors contraint de
réguler sa charge solide
en rognant la sinuosité et
en surcreusant le chenal,
ce qui accroît les risques
de déstabilisation des
berges.
L’espace de mobilité (ou fuseau de mobilité) d’un cours d’eau
correspond à la partie du lit majeur dans laquelle le méan-
drage et le déplacement du lit sont actifs. Ce concept a été
introduit récemment dans la réglementation par l’arrêté du 13
février 2002 fixant les prescriptions générales applicables aux
consolidations, traitements ou protections de berges soumis
à déclaration en application des articles L. 214-1 à L. 214-6 du
code de l’environnement. Les études d’incidence des aménage-
ments effectués dans le lit majeur doivent définir cet espace
en tenant compte de l’évolution historique du cours d’eau, de
la présence des ouvrages et aménagements significatifs faisant
obstacle à la mobilité du lit mineur à l’exception des ouvrages
et aménagements à caractère provisoire, et en s’appuyant sur
les dispositions des SDAGE et SAGE, les études disponibles et
des expertises. Cette délimitation de l’espace de mobilité doit
être conduite sur un secteur représentatif du fonctionnement
géomorphologique du cours d’eau en amont et en aval du site,
ayant une longueur minimale de 5 km, selon une méthodologie
qui reste à préciser.
Ph.
20 - Cette section de la Béthune doit à sa pente et à la nature du
sous-sol argileux d’avoir une relative mobilité..
Ph.
21 - Près des sources du Val Jouen, les fortes pentes de la Béthune (de
l’ordre de 15 o/oo) sont à l’origine d’un lit au tracé rectiligne, au profil encaissé
et à la charge solide élevée (substrat grossier constitué de blocs et où la roche
mère affleure par endroit). Ce profil, plutôt propre aux régions montagneuses,
est peu fréquent sur le secteur Seine-Aval.
Cette situation « naturelle » ne tient pas compte des multiples
barrages, qui réduisent considérablement la pente réelle du fil
d’eau (cf. chap. 8).
On évalue la sinuosité d’un
tronçon en rapportant la
longueur développée du tracé
à la distance en ligne droite
entre le point amont et le
point aval. Un cours d’eau est
sinueux lorsque la sinuosité
est comprise entre 1.25 et
1.5, méandriforme au-delà. La
sinuosité est une des grandeurs
caractéristiques d’un tronçon
de cours d’eau.
Ph.
18 - La Béthune en aval de Mesnière-en-Bray.
L’article L.211-12 C. env. (loi du 30 juillet 2003) stipule
que « dans les zones de mobilité d’un cours d’eau […] ne
peuvent être réalisés les travaux de protection des berges,
remblais, endiguements et affouillements, les constructions
ou installations et, d’une manière générale, tous les travaux
ou ouvrages susceptibles de faire obstacle au déplacement
naturel du cours d’eau ».

3 - Fonctionnalités des rivières
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II Fonctionnalités écologiques
1 - Cycle de la matière organique - Flux amont-aval
Dans tout écosystème, la matière qui circule le long des chaî-
nes trophiques effectue un cycle et passe alternativement d’un
état minéral à un état organique sous l’action d’organismes
producteurs, consommateurs et décomposeurs, et des proces-
sus de biosynthèse et de biodégradation. L’énergie lumineuse,
transformée en énergie chimique dans la photosynthèse, est le
moteur de ce cycle.
L’écosystème rivière se distingue des écosystèmes terrestres
ou lacustres par l’existence d’un flux longitudinal. Ce flux porte
sur la matière minérale et les sels minéraux mais aussi sur la
matière organique et les organismes vivants. Sous la dépendance
du courant, il conditionne le fonctionnement de la rivière de sa
source à son embouchure.
Le cycle de la matière organique présente une
composante verticale plus ou moins prépondérante
selon les courants. En faciès lentique, la
photosynthèse se fait essentiellement en surface
par le phytoplancton ; la matière organique est
consommée par le zooplancton et les organismes du
necton (poissons…), les débris organiques tombent
sur le fond, sont consommés par le zoobenthos
détritivore, puis sont minéralisés lentement, sur
place. Si la lame d’eau est importante, les échanges
gazeux avec l’atmosphère sont très faibles dans les
basses couches. Dans les eaux courantes, ce cycle
fonctionne selon un gradient horizontal et non plus vertical.
Les phénomènes de turbulence équilibrent les échanges
gazeux dans toute l’épaisseur. Les organismes planctoniques
dérivent et sont moins abondants, la photosynthèse joue un
moindre rôle, une part importante de la matière organique
disponible localement provient du transport amont-aval et n’est
que partiellement utilisée, à son passage, par les organismes.
Les échanges verticaux ne reprennent de l’importance que sur
les parties les plus en aval des rivières, caractérisées par la
dominance des faciès lentiques et une plus grande profondeur.
2 - Communautés vivantes et réseaux trophiques
Lorsqu’une feuille tombe dans l’eau
elle subit une série de dégrada-
tions mécaniques et biochimiques :
lessivage et lixiviation des compo-
sés hydrosolubles, colonisation par
des microorganismes et désagré-
gation en débris fins intégrés au
sédiment puis transformation en
diverses molécules. Les composés
très fermentescibles se décompo-
sent rapidement en produits solu-
bilisés et minéralisés, les composés
cellulosiques et surtout la lignine
et les tanins sont plus stables. Les
particules qui échappent à ces
processus sont intégrées dans des
composés phénoliques précurseurs
de complexes humiques (acides
fulviques, acides humiques, humi-
nes). Ces composés complexes,
plus résistants à l’activité micro-
bienne, subissent à leur tour une
minéralisation lente au sein des
sédiments (cf. chap. 4).
Les matériaux organiques
allochtones
Les feuilles mortes et la litière des
rives sont entraînées par le courant,
déposées dans les zones de calme,
remises en suspension lors des
crues. Au cours de ces phases de re-
distribution spatiale, les matériaux
organiques sont dilacérés, dégradés
et enfin minéralisés. La durée de
dégradation des débris organiques
est très variable selon leur nature,
la température et l’oxygénation de
l’eau, l’action abrasive du courant,
l’action des invertébrés et des
microorganismes. La dégradation
d’une feuille d’aulne s’étale sur 2 à
10 mois, celle d’une feuille de saule
sur 6 à 20 mois.
Le plancton
Le développement d’un véritable plancton, ensemble d’organis-
mes de petite taille et faiblement mobiles, vivant normalement
en suspension dans l’eau (diatomées, chlorophycées et autres
algues, protozoaires, rotifères, crustacés), n’a lieu que dans le
cours inférieur et les biefs les plus lents. Dans les eaux couran-
tes, la possibilité d’ensemencement du milieu en organismes
planctoniques à partir de zones d’eaux calmes et le temps de
séjour de l’eau dans la rivière, sont des facteurs limitants. Dans
les rivières de plaine, le phytoplancton se développe entre mai
et octobre, avec une biomasse variable, très liée à la concentra-
tion en nutriments dans la zone euphotique. Certaines algues
colonisatrices (cyanophycées notamment) peuvent proliférer
(blooms algaux) ou disparaître rapidement en fonction de ces
conditions. Leur dégradation libère des nutriments qui permet-
tent à d’autres espèces de se développer. Lorsque la photosyn-
thèse est importante, un cycle quotidien de l’oxygène apparaît
avec une sursaturation en milieu de journée (cf. eutrophisation
p. 37).

3 - Fonctionnalités des rivières
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Les macrophytes
Le courant, l’éclairement, la nature du substrat, la profondeur
et les sels dissous sont les facteurs déterminants des
peuplements. Les bryophytes sont confinées aux substrats durs
et abondent dans les zones de sources, tandis que l’implantation
des phanérogames dépend des possibilités de pénétration du
sol par les racines. Comme en milieu terrestre, la colonisation
par la végétation se fait selon une dynamique temporelle, des
espèces pionnières modifiant suffisamment les conditions
locales pour que d’autres espèces s’implantent. Les principaux
groupements sont analysés dans le chapitre 4 consacré au lit.
Les herbiers constituent l’habitat du périphyton (algues et
bactéries fixées sur les végétaux, invertébrés et poissons),
les espèces se répartissant de la base au sommet des touffes
selon leur rhéophilie. Les cyprinidés sont plus directement
inféodés aux herbiers que les salmonidés, qui les utilisent
cependant comme abri, la stratégie de toutes les espèces étant
de réduire l’énergie nécessaire pour éviter leur entraînement
vers l’aval. Les herbiers sont également utilisés par les poissons
comme lieu de nourrissement, de ponte et de refuge contre les
prédateurs.
Les invertébrés
La faune invertébrée est diversifiée, remarquablement similaire
d’une zone géographique à l’autre, essentielle à la vie piscicole
et très sensible aux pollutions organiques, thermiques ou
chimiques (cf. IBGN p. 29). La faune la plus riche est celle des
fonds pierreux qui offrent, à l’échelle des invertébrés, des
conditions hydrauliques et granulométriques d’habitats variées.
Les herbiers abritent une biomasse importante d’invertébrés
brouteurs.
Les invertébrés se répartissent en détritivores, phytophages
et prédateurs. De très nombreuses espèces sont omnivores à
tendance détritivore ou carnivore, leur régime variant avec leur
stade de développement. Les dilacérateurs se trouvent plutôt
sur les parties amont, les microphages sur les parties basses. Les
organismes rhéophiles du benthos présentent des adaptations
morphologiques leur permettant de résister au courant :
aplatissement dorso-ventral des larves d’éphéméroptères,
ventouses, griffes puissantes, fourreau des trichoptères alourdi
de graviers. Les autres se cantonnent dans les parties les moins
exposées, la couche limite, les interstices. Dans tous les cas,
une partie de la faune benthique dérive vers l’aval, fortuitement
ou régulièrement, cette dérive étant plus ou moins importante
selon les espèces, leur stade de développement et les aléas
hydrauliques (crues). Elle peut atteindre un taux journalier
de 1 %. Les espèces ont adopté diverses stratégies pour la
compenser : taux de reproduction élevé ou multiplication
asexuée rapide, remontée des femelles adultes à vol aérien
vers l’amont. Dans les zones de faible vitesse et les parties aval
(potamon), la dérive est réduite, les organismes qui peuplent
ces milieux sont rarement pourvus d’un stade aérien de
recolonisation.
Les poissons
Au sommet des réseaux trophiques se trouvent les poissons.
Un petit nombre sont herbivores, la plupart sont omnivores à
tendance carnivore (carpe, tanche, gardon, ablette, barbeau,
truite…). Leur biomasse est très variable et dépend tout
autant des conditions morphodynamiques que de la quantité
de nourriture disponible. Voir le chapitre 4 consacré au lit et le
chapitre 7 sur la gestion piscicole.
NB : La qualité réelle des peuplements d’invertébrés et de
poissons est évidemment très influencée par les pollutions
diverses (cf. ch 2).
Ph. 22 -
Quelques invertébrés locaux.
De gauche à droite : mollusque gastéropode hydrobiidé, achète glossiphonidé, plécoptère ténioptérigydé, éphéméroptère éphéméridé, trichoptère hydropsychidé.
Les organismes hyporhéiques vivent dans les interstices des alluvions. La
composition de cette faune dépend de la granulométrie du substrat. Elle comprend
des organismes caractéristiques (nématodes, oligochètes, crustacés…) au cycle
entièrement aquatique, auxquels s’ajoutent quelques larves d’insectes ayant une
phase aérienne et une faune microbienne. Contrairement aux organismes du sol
en milieu terrestre, qui jouent un rôle majeur dans le recyclage de la litière, les
organismes hypogés du benthos profond ont un rôle plus modeste puisque le
transfert de matière organique a une forte composante longitudinale.
Adaptation au courant de quelques invertébrés benthiques
Vitesse limite m/s
Liponeura cinarescens (diptère) 3
Simulium sp. (diptère) 2.8
Rhyacophila sp. (trichoptère) 1.22
Ancylus fluviatilis (mollusque) 1.18
Rhitrogena semicolorata (éphéméroptère) 0.96
Dugesia gonocephala (turbellarié) 0.93
Baetis sp. (éphéméroptère) 0.84
Isoperla oxylepis (plécoptère) 0.6
Ecdyonurus venosus (éphéméroptère) 0.57
Radix ovata (mollusque) 0.48
3 - Zonation écologique amont aval
L’écosystème rivière présente une succession non pas dans
le temps (comme un écosystème terrestre qui évolue vers un
climax) mais dans l’espace. La stratégie des organismes est
moins d’utiliser au mieux le flux d’énergie disponible véhiculé
par le courant que de s’adapter aux facteurs morphodynamiques,
physiques et de recolonisation qui sont largement dominants.
Les flux de matériaux, les variables morphodynamiques, le
courant, la température et l’éclairement déterminent les
ajustements et la succession des communautés aquatiques.
A l’échelle locale, la rivière apparaît comme une mosaïque
d’habitats bien individualisés que l’on peut caractériser :
par le courant et la profondeur : radiers, plats courants,
mouilles, chenaux (cf. ch. 4) ;
par la nature du substrat et sa granulométrie : blocs, graviers,
sables, limons ;
par la présence ou l’absence de macrophytes fixées et par
leur nature : bryophytes, herbiers de phanérogames.