Les différents régimes de rivières et leurs morphologies

Les rivières adaptent leur géométrie et leur régime en fonction des forçages externes qu’elles subissent. Ceux-ci peuvent être d’origine tectonique, sédimentaire, climatique et hydrologique. Les rivières naturelles peuvent être classées en 2 grandes catégories : les rivières alluviales et les rivières à substratum rocheux. Une des définitions des rivières rocheuses est que celle-ci doit obligatoirement inciser le substratum vertica- lement ou latéralement pour modifier sa géométrie [Turowski et al., 2008]. En comparaison, les rivières al- luviales évoluent sur un lit de sédiment non cohésif généralement de forte épaisseur. Ces dernières peuvent présenter plusieurs types de dynamiques allant du simple chenal droit ou sinueux aux complexes rivières en tresses caractérisées par plusieurs chenaux mobiles.

Dans ce travail de thèse, j’ai étudié les rivières alluviales dans différents régimes tel que les rivières mono-chenal ou en tresses. Je me suis aussi intéressé aux rivières à substratum rocheux mais j’ai surtout

étudiée l’évolution de la couverture alluviale dans ces rivières plutôt que leur incision. Dans la suite de cette section, seules les rivières alluviales seront décrites car mon travail n’a pas porté sur la dynamique des rivières à substratum rocheux en tant que tel.

2.2.4.1 Les rivières alluviales mono-chenal

Les rivières alluviales caractérisées par un seul chenal actif regroupent les rivières droites/sinueuses et les rivières méandriformes (Fig. 2.18). Les premières sont relativement rares à la surfaces de la Terre alors que les dernières représentent la majorité des rivières observables à la surface de la terre actuellement. Elles ont donc l’objet de nombreuses études visant à comprendre leur évolution, mais aussi pour améliorer leur gestion, la plupart passant par des zones urbaines.

FIGURE2.18 – Photographies aériennes de rivières ne comportant qu’un seul chenal actif. Ces deux rivières présentent un degré de sinuosité assez important. En haut : rivière Allier, France ; en bas : rivière Koyukuk, Alaska [Kleinhans, 2010].

Ces rivières alluviales sont composées d’un chenal actif bordé de part et d’autre par une plaine d’inon- dation dont l’évolution est inter-dépendante. Il est communément admis que les rivières alluviales ajustent leur géométrie (largeur, pente et hauteur des berges) aux forçages externes quelles subissent : contexte hy- drologique (climat, taux de précipitation effectif,...), de leur apport en sédiment et de la taille du sédiment. Le lit de la rivière est façonné par le transport en charriage et est composé des grains plus grossiers, de même que le berges inférieures La partie supérieure des berges est elle construites majoritairement par les dépôts de crue plus composés de grains plus fins (sables, silts,...) mais aussi de grains grossiers (graviers, galets, ...). La géométrie de ces rivières est mesurée pour le débit de pleine berge, qui représente le débit maximum pour lequel l’eau ne s’écoule pas dans la plaine d’inondation. La plupart des mesures sur les rivières naturellement montrent empiriquement que les paramètres définissant la géométrie de la rivière sont tous liés au débit de pleine berge, Qb f, par une loi de puissance [Bray, 1982; Andrews, 1984; Hey and

Thorne, 1986; Millar, 2005; Parker et al., 2007] :

W = awQ0b f.45−0.55 (2.21)

H_{b f = ah}Q0_{b f}.33−0.4 (2.23)

avec aw, aset ahdes constantes dépendant des conditions dans lesquelles les rivières se trouvent.

Afin de proposer des justifications physiques à ces relations géométriques, plusieurs travaux invoquent des hypothèses dites ‘extrémales’ ou ‘d’optimisation’ tels que la maximisation du transport sédimentaire, la minimisation de la friction ou de la pente [Millar, 2005; Nanson and Huang, 2008]. Cette théorie est basée sur le ‘principe de moindre action’, dictant qu’un système soumis à plusieurs scénarii d’adaptation choisira toujours celui qui lui coûtera le moins en énergie. La deuxième catégorie de théorie est celle des chenaux à seuil prédisant que la géométrie des rivières est ajustée pour avoir un débit de pleine berge présentant des contraintes cisaillantes légèrement supérieures à sa valeur critique (d’un facteur 1 à 2 selon la cohésion des berges ; [Parker et al., 2007]).

De ces théories découlent le concept d’auto-formation des rivières, énonçant que les rivières tendent à ajuster leurs géométries hydrauliques afin de pouvoir transporter le volume de sédiment que leur impose leur contexte tectonique et climatique sans dépôt, ni affouillement. D’autre part, cette définition indique que la rivière se forme jusqu’à atteindre un état d’équilibre et dont les dimensions moyennes restent constantes sur des périodes couvrant plusieurs années.

Toutes les lois définissant la géométrie hydraulique des rivières mono-chenal sont basées sur des obser- vations. L’étude la plus complète dans ce domaine est probablement celle de Parker et al. [2007] qui propose des relations mêlant empirisme et développements physiques visant à expliquer les observations. Malgré tous les efforts de recherches effectués, il reste encore beaucoup de travail pour identifier les contributions respectives de la taille des grains, la végétation, la stabilité des berges sur la géométrie d’équilibre des rivières mono-chenal.

2.2.4.2 Les rivières alluviales en tresses

Les rivières en “tresse” sont décrites par un ensemble de chenaux instables séparés par des barres internes éphémères [Ashmore, 2013]. Lors des débits importants, la rivière subit des changements mor- phologiques rapides tels que : la migration ou le développement des barres, la bifurcation de chenaux ou l’érosion ou dépôt localisés. Tous ces processus en association avec au transport en charge de fond parti- cipent aux instabilités inhérentes des rivières en tresses. Le développement de la morphologie “en tresses” découle aussi du fait que lors de grands débits, l’écoulement et le transport en charriage sont divisés mais aussi localisées dans les différents chenaux alors que les barres internes sont inactives. Cette dynamique est favorisée par un matériel présent dans le lit de la rivière non consolidé et mobile, il est donc à disposition pour le transport à chaque évènement majeur (Fig. 2.19).

L’environnement ‘typique’ permettant le développement des rivières en tresses est : une forte alimen- tation en sédiment de taille importante (généralement de l’ordre du centimètre ou plus), une puissance hydraulique importante et un matériel n’offrant aucune résistance à l’entrainement et une quasi absence de végétation dans le lit actif de la rivière. Ces conditions sont généralement réunies au niveau des pié- monts de chaînes de montagnes actives ou alors dans les zones glaciaires pour les rivières à lits à graviers. Des rivières en tresses sont aussi observées dans de grands systèmes fluviaux présentant des grands débits (de l’ordre de 10000 m3_.s−1_{) et à lit sableux.}

Le transport en charriage est un élément essentiel à la compréhension et à la prédiction de l’évolution des rivières en tresses et notamment sur la dynamique conjuguée des chenaux et des barres. La géométrie des barres est exclusivement modelée par le transport en charriage.

2011 2007

Rakaia river, East Coast, New Zealand 1000 m

FIGURE2.19 – Photographies aériennes de la rivières en tresse Rakaia en Nouvelle Zélande prises à 2 dates

différentes. Ces images sont prises à faible débit et montrent le caractère mobile des rivières en tresses avec une organisation du lit alluviale différente à chaque date. (Source : Google Earth)