Partie II : Contexte géographique, enjeux et objectifs de
2 Contexte géographique et site expérimental du Mercier
Le bassin versant choisi pour l’étude du réseau hydrographique est de taille modeste (6.7 km²). Il se situe en tête du bassin versant de l’Yzeron, territoire beaucoup plus vaste (142 km²), situé dans la partie ouest de l’agglomération lyonnaise (Figure II.1).
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Figure II.1 : Bassin versant de l’Yzeron avec son réseau hydrographique et vue aérienne du sous bassin versant du Mercier (BD Ortho® IGN 2005).
Dans ce chapitre nous abordons les enjeux majeurs de gestion du bassin versant de l’Yzeron, ainsi que les axes de recherche dont ce territoire fait l’objet et dans lesquels s’insèrent nos travaux de thèse. Ensuite, le bassin versant du Mercier, unique site expérimental de cette thèse, est présenté. Les connaissances acquises sur son fonctionnement hydrologique avant la thèse sont présentées de manière synthétique.
2.1 Enjeux à l’échelle du bassin versant de l’Yzeron (142 km²)
2.1.1 Urbanisation en aval, déprise rurale en amont : quel impact sur la dynamique de l’eau ?
Le bassin versant de l’Yzeron, fait l’objet de recherches depuis plus de 50 ans (GRAIE, 2008). Ce bassin versant a été fortement médiatisé avec l’occurrence de crues dommageables à l’aval du bassin dans la ville d’Oullins dès les années 1980 (Chocat, 1997). Dès cette époque, l’impact de l’urbanisation sur le renforcement des crues avait été évoqué (Chocat, 1997). Le bassin a en effet connu une augmentation très nette de l’urbanisation depuis les années 1970 au détriment des surfaces occupées par l’agriculture (Kermadi et al., 2010). Vu l’importance de cette croissance urbaine, des premiers travaux de modélisation (Radojevic, 2002 ; Radojevic et al., 2010) avaient montré que cet impact pouvait être significatif, mais que la contribution de la zone rurale ne pouvait pas être négligée, surtout pour les évènements les plus importants, qui font souvent suite à des épisodes pluvieux longs, conduisant à des cumuls pluviométriques importants (Gnouma, 2006). L’imperméabilisation ne ferait qu’amplifier plus ou moins fortement une réponse initiée par un espace rural et naturel, localisé plutôt à l’amont du bassin versant au niveau des Monts du Lyonnais. Les résultats de Radojevic et al. (2010) montrent aussi que l’urbanisation impacte surtout les crues fréquentes et moins les crues les plus importantes.
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Pour améliorer la coordination entre les différents travaux réalisés, les recherches se sont structurées en 1999 avec la création de l’Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU) qui vise à observer, comprendre et modéliser l’impact des rejets urbains de temps de pluie en zone urbaine et périurbaine du Grand Lyon. Un site instrumenté à Grézieu la Varenne par le IRSTEA, sur la rivière Chaudanne, un affluent de l’Yzeron, a été labellisé site atelier de cet observatoire dès 1999. La Chaudanne (4.1 km²) est un sous-bassin versant représentatif de la périurbanisation avec des zones agricoles à l’amont et une zone fortement urbanisée à l’aval. En parallèle, un autre sous-bassin, le Mercier (6.7 km²), représentatif d’un bassin rural a aussi été instrumenté. Son occupation du sol comprend des forêts à l’amont et des zones de culture et de pâturage à l’aval. En 2006, l’ensemble du bassin versant de l’Yzeron a été intégré à l’OTHU lorsque la problématique de recherche a été étendue à l’étude du cycle hydrologique sur des bassins versants de taille plus importante. Ceci a correspondu au renforcement de l’instrumentation sur le bassin versant, avec la mise en place d’une stratégie d’observation par sous-bassins emboîtés, afin d’aborder les problématiques de changement d’échelle et de prédiction en bassins non jaugés (GRAIE, 2008).
2.1.2 Développement du projet AVuPUR
C’est sur ce site atelier et cette nouvelle problématique que s’est construit le projet de recherche AVuPUR (Assessing the Vulnerability of Peri-Urban Rivers), coordonné par le IRSTEA de Lyon et financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) de 2008 à 2011 (Braud & al., 2010). Le projet visait à proposer des outils pour quantifier l’impact de l’artificialisation des bassins versants sur leur hydrologie en intégrant la modification des chemins de l’eau. Le projet a combiné des travaux d’observations et de description des milieux, d’analyse des données hydrométéorologiques, et le développement d’outils de modélisation, à la fois pour comprendre les processus et les hiérarchiser, mais aussi pour essayer de dériver des outils qui puissent être utiles aux gestionnaires des territoires et des milieux. Le projet s’est appuyé sur deux sites pilotes instrumentés dans le cadre d’observatoires : le bassin versant de l’Yzeron (142 km²) en périphérie lyonnaise et le bassin de la Chézine (34 km²) en banlieue nantaise.
Le premier volet du projet a consisté à décrire et comprendre les systèmes étudiés. Pour cela, l’ensemble des données disponibles sur les bassins versants a été collecté: données climatiques, pluviométriques et hydrologiques d’une part, et données cartographiques et/ou SIG décrivant la topographie, les sols, l’occupation des sols, les réseaux (routes, chemins, eaux usées, eaux pluviales…) d’autre part. Les résultats du projet montrent que l’ensemble de ces informations est nécessaire à l’appréhension complète du fonctionnement des bassins versants. Une part importante du projet a aussi porté sur la description et la cartographie de l’occupation des sols présente et passée à l’aide de photos aériennes ou d’images satellites. L’effort méthodologique a porté sur la documentation de l’imperméabilisation et de l’artificialisation des milieux (Jacqueminet et al., 2011). Les informations existantes ont été complétées par l’acquisition de nouvelles données pour mieux documenter la réponse hydrologique à différentes échelles (mesure des débits pour des bassins emboîtés), caractériser l’impact des réseaux de fossés, en général non cartographiés ; et comprendre la réponse hydrologique des zones rurales : caractérisation de la capacité d’infiltration, description des profondeurs de sol par mesures géophysiques, étude des réseaux hydrographiques à l’aide d’analyse
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topographique haute résolution (LiDAR) et d’un réseau dense de limnigraphes, caractérisation des débits seuils de mise en mouvement des sédiments pour quantifier l’incision des talwegs.
Un second volet du projet concerne le développement d’outils de modélisation à deux échelles spatiales distinctes. A l’échelle de bassins de quelques km², une modélisation en continu a été développée (Jankowfsky, 2011). Cette modélisation permet de comprendre le fonctionnement des bassins versants périurbains et s’appuie sur une description détaillée des différents objets du paysage : parcelles agricoles, urbaines, réseaux hydrographique, de fossés, d’assainissement, bassins de rétention, déversoirs d’orage, etc.... L’exploitation de cet outil permet de tester des hypothèses de fonctionnement de ces objets et de hiérarchiser leur importance sur la réponse hydrologique à l’exutoire. A l’échelle de bassins plus grands, des travaux ont porté sur l’adaptation de modèles existants pour la simulation en continu de l’hydrologie qui puissent répondre aux enjeux de gestion des bassins versants périurbains (Chocat et al., 2011 ; Furusho et al., 2011b ; Branger et al., 2011).
Ma thèse s’inscrit pleinement dans le programme d’AVuPUR et a contribué au premier volet « Amélioration de la compréhension des processus de transfert en zone rurale ». La thèse se focalise sur le sous-bassin versant du Mercier, considéré comme représentatif des zones rurales. Elle vise globalement à mieux comprendre la réponse hydrologique dans ces zones.
2.2 Description du bassin versant expérimental
2.2.1 Géographie et occupation du sol du Mercier
Comme mentionné plus haut, dans le bassin versant de l’Yzeron d’une surface de près de 150 km², l’objectif premier de l’IRSTEA est d’observer le fonctionnement hydrologique et de le modéliser par le biais de fonctions de production et de transfert dans un milieu fortement impacté par le développement urbain. Les sous bassins versants de la Chaudanne (4.1 km²) et du Mercier (6.7 km²) situés en tête de bassin, sur les contreforts des Monts du Lyonnais, servent de bassins expérimentaux de référence. Le premier est en croissance urbaine forte et permet d’étudier les effets de l’artificialisation des surfaces sur la dynamique de l’eau. Le second est en croissance urbaine beaucoup plus limitée et reste à dominante rurale. Il permet d’être utilisé comme « témoin rural » dans l’analyse du signal hydrologique. Ces deux bassins sont équipés de pluviomètres à augets basculeurs et de stations hydrométriques à l’exutoire afin de récolter des données pluie – débit en continu depuis 1997.
Le bassin versant du Mercier6 est actuellement dominé par une occupation du sol agricole (60%) (Figure II.2). La place de l’agriculture orientée vers des systèmes en polyculture-élevage s’est vue limitée lors de l’évolution des systèmes agraires vers la mécanisation et à cause de la pression foncière. Ainsi la surface cultivée a régressé au profit de la forêt et de l’urbanisation. Les parcelles cultivées occupent désormais uniquement des zones faiblement pentues. Deux retenues collinaires permettent aux agriculteurs d’irriguer et diversifier leurs produits : maraichage, fruits… Le village de Pollionnay regroupe la majorité des surfaces imperméabilisées dans la partie nord du bassin versant. Néanmoins, l’étalement urbain a gagné progressivement du terrain ces dernières années au détriment
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Une présentation du bassin versant du Mercier est également disponible dans l’article « On the use of high resolution LiDAR DEM to study drainage network extension from a functionnal typology of headwater channels » présentée en Partie III.
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des parcelles agricoles. La partie ouest du bassin est couverte de forêts essentiellement de feuillus. Ce secteur regroupe les versants les plus pentus inaccessibles aux activités anthropiques en dehors de l’exploitation forestière.