Érosion et sédimentation fluviales

Si la vitesse de l’écoulement diminue, par diminution de la pente du cours d’eau, ou par élargissement du chenal ou augmentation des forces de friction entre l’eau et le fond du lit, la compétence du cours d’eau diminue et des sédiments se déposent. La taille des sédiments déposés à un endroit est directement fonction de la diminution de la vitesse d’écoulement. Les particules les plus grossières se déposent généralement à l’amont du bassin versant, là où la pente du cours d’eau est plus forte et où l’eau s’écoule le plus vite. Les particules les plus fines sédimentent plus loin, vers l’aval où l’eau s’écoule plus lentement.

Les dépôts fluviatiles s’accumulent le long du cours d’eau, sous la forme de bancs ou barres dont la taille et la morphologie dépendent du style fluvial. Pendant les crues, le cours d’eau déborde et quitte les rives de son chenal et recouvre la plaine d’inondation, zone plane et large qui borde le cours d’eau. La friction ralentit l’eau sur la plaine d’inondation si bien qu’une couche de limon et de boue s’y dépose.

1.2.1 Profil longitudinal des cours d’eau et niveau de base

Le profil longitudinal du cours d’eau représente la variation de l’altitude du cours d’eau, tout au long de son écoulement, d’amont en aval (Figure II.2). Le cours d’eau présente une pente qui favorise le transfert de la charge solide depuis les zones productrices jusqu’à l’exutoire du bassin versant. Cette pente traduit un état d’équilibre provisoire du cours d’eau qui matérialise un style fluvial spécifique. En théorie, le profil longitudinal présente une courbe concave orientée vers le haut traduisant une pente du cours d’eau plus forte à proximité de sa source que vers son embouchure. Mais, le profil longitudinal peut aussi présenter un profil accidenté, avec des plateaux et des ruptures de pente qui correspondent à des changements brutaux des reliefs.

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Figure II.2 Profil longitudinal théorique présentant l'évolution amont-aval des styles fluviatiles et des paramètres morphologiques (in Fryirs & Brierley, 2013)

La rivière approfondit progressivement son chenal par érosion verticale, jusqu’à une profondeur minimale en dessous de laquelle elle ne peut plus creuser. Cette altitude minimale atteinte à un endroit donné par le fond du chenal désigne le niveau de base (base level) du cours d’eau. Le niveau de base local est caractéristique d’un endroit donné situé à l’amont de l’embouchure du réseau hydrographique de la rivière. Le niveau de base absolu correspond à l’altitude la plus basse possible trouvée le long du profil longitudinal et déterminée par le niveau de la mer, le cours d’eau principal ne pouvant pas creuser sous le niveau de la mer.

1.2.2. Paramètres morphométriques des chenaux fluviaux

Plusieurs paramètres morphométriques définissent un cours d’eau (Leopold et al., 1964). Les principaux indices sont rappelés par Malavoi & Bravard (2010) (Figure II.3).

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• largeur du chenal (W : width) est mesurée aux points d’in exion entre deux sinuosités.

• degré de sinuosité (SI en français ou P pour les anglo-saxons) correspond au rapport de la longueur développée par le cours d’eau en suivant l’axe du lit mineur sur la longueur entre les deux mêmes points en suivant l’axe général de la pente du cours d’eau (méthode du rapport de longueur). Quatre classes de sinuosité (SI) sont distinguées :

Degré de sinuosité (SI)

SI < 1,05 cours d’eau rectiligne 1,05 < SI < 1,25 cours d’eau sinueux 1,25 < SI < 1,5 cours d’eau très sinueux SI > 1,5 cours d’eau méandriforme

Tableau II.1 Indice de sinuosité des cours d'eau.

Le degré de sinuosité est aussi lié à d’autres paramètres hydromorphologiques, comme le rapport largeur/profondeur, la pente de la vallée, la texture des berges. Une rivière méandriforme présente un lit étroit et profond alors qu’une rivière sinueuse s’écoule dans un lit plus large par rapport à sa profondeur. Les rivières rec lignes ou quasi-rec lignes présentent les plus forts rapports L/p.

Dans le cas du lit moyen des rivières en tresses (ou bande ac ve), il présente presque toujours un tracé rec ligne ou subrec ligne (SI 1,1 voire 1,05), même si les versants de la vallée dessinent des sinuosités. La rivière cherche à s’écouler sur une pente maximale pour transporter le plus rapidement possible la charge alluviale provenant de l’amont. La puissance maximale est a einte lorsque le cours d’eau établit une pente proche de celle de la vallée. Le tracé du lit moyen est donc rec ligne.

• longueur d’onde des sinuosités se mesure entre deux sommets (apex) de sinuosités consécutives de même phase. La mesure est expriée en valeur brute (m, km, etc.) ou relative (adimensionnelle), en la divisant par la largeur moyenne du chenal (W). Les valeurs moyennes de longueur d’onde relative observées sur le terrain sont entre 8 et 15, avec une valeur médiane autour de 10 – 12 w. Des longueurs d’onde faibles définissent des cours d’eau méandriformes (sinuosités proches les unes des autres) et de faible ac vité géodynamique. Des valeurs plus fortes caractérisent des cours d’eau sinueux, et plus actifs.

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Figure II.3 Caractéristiques morphométriques des cours d'eau à méandres (Malavoi & Bravard, 2010)

Les cours d’eau avec des berges cohésives (ex. argiles) sont souvent plus sinueux, plus étroits et plus profonds, à taille de bassin équivalente, que les cours d’eau s’écoulant dans des alluvions non cohésives et faciles à éroder (correspondant à des matériaux d’un diamètre moyen supérieur aux sables fins : 0,125 mm).

• amplitude des sinuosités se mesure entre deux sommets de sinuosité de phase opposée. Les amplitudes relatives des cours d’eau naturels s’échelonnent entre 5 et 20w, avec une valeur médiane autour de 10 - 12w. Elles sont plus faibles sur les cours d’eau peu sinueux et actifs et plus fortes sur les cours d’eau méandriformes peu actifs.

• rayon de courbure se mesure en faisant passer un cercle par les deux points d’inflexion d’une sinuosité complète. Cette variable caractérise la « maturité » d’un méandre et sa dynamique probable d’érosion. C’est autour d’une valeur de Rc/W (Rayon Rc divisée par la largeur du chenal W) comprise entre 2 et 3 que les taux d’érosion sont les plus forts.

• longueur d’arc se mesure entre deux points d’inflexion. La longueur des arcs de méandres est proportionnelle à la largeur, mais se situe dans une gamme de valeurs plus variables, entre 5 et 30w. En conclusion, les expériences d’hydromorphologie fluviale établissent la loi de proportionnalité des formes et des processus. Si les caractéristiques des variables de contrôle sont identiques, un petit cours d’eau naturel de 1 m de largeur fonctionne de la même façon qu’un cours d’eau de 100 ou de 1000 mètres. Les formes géométriques et l’intensité des processus d’érosion des berges et de dépôt sont proportionnelles à la largeur du cours d’eau, elle-même proportionnelle au débit entrant, lui- même proportionnel à la surface drainée du bassin versant

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• Typologie simplifiée des cours d’eau, recherche de paramètres physiques (pente, largeur et nature des alluvions du fond de vallée)

En envisageant des tronçons géomorphologiques homogènes, trois principaux paramètres contrôlent les caractères hydrauliques et géomorphologiques des cours d’eau : (1) la puissance du cours d’eau, (2) l’érodabilité des berges et, (3) l’importance et la nature des apports solides apportés au cours d’eau (Leopold et al., 1964).

Il en résulte les caractéris ques géomorphologiques du cours d’eau : géométrie, style uvial, intensité des processus d’érosion latérale, ver cale et du transport solide. Si le débit liquide et la charge solide sont deux paramètres importants dans les écoulements uviaux, d’autres paramètres interviennent dans les processus et la morphologie uviale comme la pente de la vallée, la largeur de la vallée, la nature des sédiments transportés ou la végéta on des berges.

Figure II.4 Paramètres morphologiques d'un chenal (Gilvear, 2005). Légende : (W) : largeur du chenal entre les berges ; (d) :

profondeur du chenal, (p) : périmètre passant par les berges opposés et le fond de chenal, (A) : aire d’un profil transversal de chenal, (L) : distance entre un profil transversal d’un chenal donné et un autre profil transversal du même chenal mais dont les paramètres morphologiques différent (A,d,W,…).

Le rapport largeur/profondeur du chenal (W/p) est un paramètre indicateur de l’ac vité d’un cours d’eau (Figure II.4). Les cours d’eau à dynamique ac ve présentent des processus érosifs latéraux importants et des apports solides élevés, leur rapport W/p est important (≥ 20). Le rapport W/p est proche de 100 ou supérieur à 100, dans le cas des rivières en tresses.

L’écoulement de l’eau fluviale est ralenti par des forces de friction dont l’intensité est liée à la rugosité des berges et du lit, ainsi qu’à la forme du chenal. Un chenal fluvial large et peu profond présente un périmètre mouillé (surface de contact entre l’eau et les extrémités du chenal) plus important qu’un chenal semi-circulaire. L’écoulement des eaux est plus lent dans un chenal large et profond que dans un chenal semi-circulaire.

Le rapport W/p décrit donc indirectement l’état de cohésion des berges. Plus les berges sont cohésives, plus les cours d’eau sont étroits et profonds, tandis que si les berges sont peu cohésives, les cours d’eau ont tendance à s’élargir et à diminuer sa profondeur. Le couvert végétal des berges d’un cours d’eau leur assure une protec on vis-à-vis de l’érosion mécanique, et par cipe par

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conséquent à la cohésion des berges. Les deux paramètres (couvert végétal et cohésion des berges) jouent un rôle comparable qui favorise l’érosion ver cale aux dépens de l’érosion latérale.