Chapitre 2. Cadre Méthodologique : objectifs, critères du choix des sites, méthodes et
2. Analyse diachronique pluriannuelle, en fonction des évènements hydrologiques
2.2 Le Transport solide, protocole de mesure et d’analyse de la charge solide
2.2.1 Description du protocole de mesures et d’analyse des prélèvements de la charge
2.2.1.3 Mesures du flux de matières en suspension
On ne peut établir un protocole pour mesurer la charge solide transitant en suspension dans un cours d’eau sans prendre en compte la complexité de l’évolution spatio-temporelle de cette charge. Depuis une quarantaine d’années, de nombreux chercheurs ont tentés d’évaluer la charge sédimentaire transportée en suspension (Passega, 1963 ; Bravard et Petit, 1998 ; Kinghton, 1998). Ces derniers mettent en évidence l’existence d’un gradient de concentration et de granulométrie des sédiments, ce gradient décroît au fur et à mesure que l’on s’éloigne du fond, on parle de « la suspension graduée » qui peut atteindre jusqu'à 20 m tel est le cas dans le Mississipi (Passega, 1963). Au-dessus de cette couche se développe la suspension uniforme, c'est-à-dire que la concentration des sédiments se répartit uniformément sur la section mouillée. En période de faible hydraulicité et en l’absence de la suspension graduée, la suspension uniforme se développe sur l’ensemble de la colonne d’eau. Pailleurs, Einstein (1950), et Bagnold (1966), indiquent que les particules ne peuvent se maintenir en suspension que par la présence de turbulence dans l’écoulement. Passega (1957), a démontré que dans les organismes turbulents, la taille des M.E.S prélevées en flux ne s’organise pas en fonction de la profondeur. Une étude plus
récente sur le Rhône (Antonelli, 2002), montre qu’au-delà d’un débit de 2500 m3 s-1, la
relation M.E.S-débit change c'est-à-dire que la concentration de M.E.S est instable. Selon Walling (2000), la granulométrie de M.E.S est d’avantage contrôlée par la diversité lithologique du bassin versant (la capacité de production sédimentaire) et par la taille des sédiments stockés sur les berges et dans le chenal que par les débits et les paramètres hydrauliques du cours d’eau. Walling constate également que les crues permettent l’arrivée massive de sédiments plus grossiers pendant la phase de montée des eaux. Cependant, en 1984, Klein met en évidence des phases de décrue plus chargées que les phases de montée des eaux.
Variabilité temporelle de MES :
Des études fines réalisées sur la Seine, Garonne et le Rhône (mesures quotidiennes) mettent en évidence une disparité des transports hydrauliques et sédimentaires (Meybeck,
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écoulés en 20 % du temps, 1 % du temps peut suffire pour évacuer 50 % des flux, de ce fait les courbes de durée sont très révélatrices du régime de transport de M.E.S : plus le bassin est petit plus les transferts sédimentaires s’effectuent sur de très courtes durées. La combinaison de très forts débits et de concentrations extrêmes conduit parfois à des flux journaliers maximums 100 à 1000 fois supérieurs aux flux médians (observés 50 % du temps), d’où l’intérêt d’augmenter la fréquence des mesures lors des évènements hydrologique importants (crue, hautes eaux). Pour mener à bien les opérations de prélèvements de M.E.S, il faut prendre en compte l’évolution des débits dans le temps. La fréquence des prélèvements doit être plus importante en période des hautes eaux et lors des crues (forte turbulence de l’écoulement). De plus ces prélèvements doivent s’effectuer le long de la colonne d’eau pour avoir une bonne estimation du flux solide transitant dans une section mouillée.
Protocole de prélèvement des échantillons :
Nous avons effectué trois prélèvements le long de la colonne d’eau. Cette opération est répétée dans trois endroits le long de la section transversale du chenal principal (rive droite, milieu du chenal et rive gauche), 9 prélèvements sont ainsi effectués au sein de la section mouillée. Deux compagnes de mesures ont été réalisées par mois sur une période de 12 mois. Sur le site d’étude de La Charité-sur-Loire, nous avons réalisé des prélèvements de M.E.S le long de la section transversale au sein du chenal principal. Ces
mesures (in situ) ont été effectuées le long d’un profil transversal au niveau de la
connexion aval du chenal principal avec le bras situé en rive gauche à la hauteur de « Passy ».
Ce protocole permet d’évaluer à la fois le flux de M.ES transitant dans le chenal principal en prenant en compte l’influence du bras secondaire qui fait l’objet d’autres mesures in situ (voir fig 1).
Nous avons réalisé lors de la crue de novembre 2008 (au niveau du pont de La Charité-sur- Loire) des prélèvements à fréquence horaire. Ces derniers concernent la première lame d’eau (les 50 premiers centimètres). L’objectif est d’analyser l’évolution des concentrations
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de la charge solide transportées en suspension en fonction de la variation horaire des débits.
Figure 68. Localisation des points de prélèvements des matières en suspension (site ateliers de la Charité).
L’outil de prélèvement
Pour mesurer la concentration des sédiments transportés en suspension dans le chenal principal, nous avons utilisé un préleveur d’eau de type Watertrap. Ce dernier a été conçu pour prélever des échantillons représentatifs dans les eaux courantes jusqu'à une profondeur d'environ 25 mètres. Ce dispositif, en acier inoxydable, piège un échantillon d’une colonne d’eau horizontale en mouvement à un instant et à une profondeur donnée. La profondeur de l’échantillonnage est lue sur un compteur « profondimètre ». Grâce à ses lests mobiles et son empennage réglable, le préleveur peut être orienté dans une position voulue, en fonction de la direction du courant.
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Figure 69. Prélèvement de matières en suspension, (1) mise en eau du préleveur, (2) récupération de l’échantillon.
L’analyse des prélèvements, cette approche permet d’effectué : l’éstimation du volume de la charge solide transportée en suspension en fonction de la variation des débits, l’analyser la variation transversale et verticale de M.E.S au sein de la section transversale, déterminer le débit à partir duquel on obtient un gradient de concentration de M.E.S et analyser la variation saisonnière de M.E.S.
La concentration en éléments non dissous des échantillons prélevés dans le chenal principal est obtenue par la méthode de filtration (norme NF EN 872). Les volumes d’échantillons filtrés varient de 250 à 1000 ml. Cette analyse est effectuée au Laboratoire de chimie du LGP. Les échantillons sont analysés dans les 24 h qui suivent le prélèvement. Nous avons utilisé un système de filtration sous vide.
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Figure 70. Protocole d’analyse des prélèvements de M.E.S.
(a) Filtration de l’échantillon, (b) Séchage des échantillons, (c) Pesé de l’échantillon (précision de la balance : 1 microgramme), (d) réalisation de la courbe de concentration de M.E.S.
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Conclusion
Comme nous l’avons souligné précédemment, le protocole de mesures et d’analyse s’adapte à la problématique de la thèse et tient compte des moyens matériels disponibles (coût, matériels disponible et temps de réalisation). Nous avons rassemblé à travers les recherches bibliographiques et l’acquisition de données sur le terrain des informations susceptibles d’aider à la compréhension des processus morpho-sédimentaires à l’échelle des sites d’études et de la Loire moyenne (profils des lignes d’eau). Les différentes méthodes de mesures et d’analyses ont été choisies après une recherche bibliographique approfondie.
Nous avons mis en œuvre un protocole de mesure et d’analyse afin de mettre en évidence différentes informations géographiques : les études antérieures, la documentation cartographique, les images aériennes, les outils informatiques (SIG) et les outils de mesures (DGPS, station totale, préleveur et échosondeur).
Le croisement des résultats des différentes approches a permis d’aboutir à une analyse globale relative à l’évolution hydromorphologique de la bande active. Cela a permis la réalisation d’un diagnostic géomorphologique en vue d’analyser le réajustement fluvial
engendré par : l’impact des modifications d’origine anthropique (aménagements anciens,
extraction de granulat…) et naturelle (assoupissement hydrologique et végétalisation du lit). Ce protocole d’analyse tien également en compte la réponse géomorphologique des sites ateliers suite aux travaux d’entretien et de restauration. Ces secteurs ont fait l’objet d’une étude détaillée.
L’analyse à moyenne échelle (pluri-décennale) a été réalisée aux moyens de la photo- interprétation et de la comparaison des profils de la ligne d’eau. Cette technique a permis la reconstitution de l’évolution spatio-temporelle des formes fluviales au sein du lit mineur, l’analyse de l’impact des ouvrages fluviaux sur la dynamique hydro-sédimentaire et l’analyse de l’évolution topographique du chenal principal.
L’analyse à grande échelle (interannuelle) : les données topographiques, bathymétriques et
granulométriques ont été utilisées conjointement afin de mesurer les processus d’érosion
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constituée de mesures de terrain à haute résolution altimétrique (DGPS) et spatiale (ballon captif). Les méthodes d’analyses employées sont fréquemment utilisées en géomorphologie fluviale. Les résultats obtenus ont apportés des éléments explicatifs de l’évolution des
formes fluviales. Cela nous a permis d’établir un bilan sédimentaire au sein de nos sites
d’études et d’évaluer les incidences des différents aménagements et enfin préconiser quelques orientations de restauration, de mieux cibler et d’orienter les travaux d’entretiens du lit. Les différents résultats seront détaillés dans les chapitres suivants.
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