Organisation de la thèse

Première Partie

L’échelle du bassin de la rivière Jiu: les facteurs

contrôlant la dynamique hydro-sédimentaire

Chapitre 1.

Introduction

1.1. Contexte de la recherche………..…..2

1.2. Motivation du choix du bassin de la rivière Jiu………....5

1.3. Questions de la recherche et objectifs………..………..…..6

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1.1. Contexte de la recherche

Le bassin hydrographique est l’unité spatiale naturelle fondamentale pour la formation des ressources en eau et leur gestion. Il correspond à la zone « dans laquelle toutes les eaux de ruissellement

convergent à travers un réseau de rivières, fleuves et éventuellement de lacs vers la mer, dans laquelle elles se déversent par une seule embouchure, estuaire ou delta » [CE/60/2000]. Le bassin hydrographique est aussi défini comme une superficie terrestre qui achemine l’eau des précipitations et de la fonte des neiges vers les ruisseaux, les rivières, et finalement vers des points d'embouchure tels que les réservoirs, les lacs, les baies et l'océan [NOAA, 2018].

Le bassin hydrographique est un espace dynamique par excellence, où toutes les lois et relations de causalité entre processus et flux hydro-sédimentaire ont lieu à l’intérieur de ses frontières, sans avoir à les transcender. Il est l'espace où les relations de type réservoirs – rivières ou têtes de bassins en amont -

plaines alluviales en aval sont essentiellement liées à la gestion des ressources en eau et dont les

changements se font sentir au niveau de l'ensemble du bassin hydrographique [ONEMA, 2012]. L’intérêt d’étudier un bassin hydrographique découle des relations entre les facteurs géographiques afin d’utiliser au mieux les rivières et les territoires [Grecu, 1992].

Selon International Rivers1, tous les territoires et toutes les communautés appartiennent à un bassin hydrographique, ce qui nous conduit aux constats suivants :

• Nous sommes tous reliés par des bassins versants, les entités naturelles les plus complexes ne respectant pas les frontières administratives, mais d’autres types de frontières imposées par la ligne de partage d’eau. Au contraire, tout ce que nous faisons affecte nos bassins versants et chaque réglementation territoriale, décision de gestion, devrait d’abord porter sur les impacts au sein d’un bassin hydrographique.

• Nous vivons tous en aval de quelque chose et en amont de quelque chose d'autre. Si un transfert de notion nous est autorisé, c’est un axiome dont nous avons rarement connaissance et qui cache de nombreuses réponses aux questions découlant des problèmes de gestion de l’eau et des sédiments.

• La terre et l'eau sont écologiquement liés dans ce système naturel et tous les flux et processus qui s'y déroulent leur appartiennent. Cela concerne non seulement les connexions spatiales, mais aussi les dépendances temporelles. La veine d'eau qui se trouve maintenant en aval est ressortie autrefois d’une source en amont et un grain de sable que l'on trouve maintenant dans le lit de la rivière s'est détaché autrefois du versant.

Afin de nous rapprocher davantage du sujet central de ce travail de thèse, il est primordial de définir et d'expliquer les concepts clés que nous allons utiliser. A part la notion de bassin hydrographique, un autre concept qui s’apparente est le système hydrographique, qu’on va regarder sous différents angles : (i) de la géographie physique, pour définir toutes ses caractéristiques naturels et anthropiques ; (ii) de

l’hydrologie, pour quantifier et analyser la variabilité des flux de matière ; et (iii) de l’hydromorphologie,

une discipline située à la jonction de la géographie physique, de l’hydrologie, de la géologie et de la sédimentologie, qui offre de multiples ouvertures pour la connaissance de la capacité de transport fluvial,

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ainsi que pour l’évaluation du potentiel dynamique d’un bassin hydrographique [Chapuis, 2012; Malavoi et Bravard, 2014].

L’étude d’un système fluvial du point de vue de l’hydromorphologie, une discipline placée au carrefour de la géographie physique, l’hydraulique, la géologie et la science des sédiments, offre des nombreuses ouvertures vers la compréhension de la capacité de transport d’une rivière, ainsi que sur l’évaluation du potentiel dynamique d’un bassin versant [Chapuis, 2012; Malavoi et Bravard, 2010]. Au sein de ce système hydrographique nous pouvons repérer le fonctionnement hydrodynamique à travers lequel les cours d'eau tendent à équilibrer les facteurs de contrôle agissant sur les flux liquides et solides [Jégou et Belleudy, 2002; Uwe, 2012]. Ces facteurs peuvent être bien étudiés dans les petits ou moyens bassins versants, selon le concept de « budget sédimentaire » [Dietrich et al., 1978]. Par conséquent, la variabilité de ces flux, ainsi que la dynamique hydromorphologique sont étroitement liées aux facteurs d'influence environnementaux et anthropiques [Kondolf et Piégay, 2003]. Sous l'effet du changement climatique, des modifications du régime hydrologique ont déjà été observées ou sont prévues pour l'avenir, ce qui génère des impacts sociétaux et environnementaux considérables [GIEC (IPCC), 2013]. Pour cette raison, l’un des défis de la société contemporaine est d’identifier et d’estimer les changements dans la variabilité des flux hydro-sédimentaires afin de réduire leurs impacts pour une gestion adéquate des eaux et des bassins versants. Le cadre législatif portant sur la gestion de l’eau à l’échelle européenne est fourni par la Directive Eau [CE/60/2000] et la Directive Inondations [CE/60/2007]. Les règlements visant la gestion des bassins versants qui en découlent ont été transposées en Roumanie à travers les Schémas

Directeurs et de Gestion des Eaux des bassins versants (les SDGEs), ayant comme objectifs majeurs la

gestion des ressources hydrologiques et l’amélioration de la qualité des milieux aquatiques, touchées de nos jours par une influence climatique et anthropique accrue [ANAR, 2012].

Une autre notion reliée au bassin hydrographique et au fonctionnement hydrodynamique est la

dynamique hydro-sédimentaire. Celle-ci implique la connaissance de tous les éléments intervenant dans

la circulation des matières liquides (eaux de rivières et torrents) et solides (sédiments et particules polluantes).

Le rôle du bassin hydrographique dans la dynamique hydro-sédimentaire a été souligné à de nombreuses reprises, à la fois dans les études scientifiques, dans le contexte de l'aménagement du territoire et pour la gestion de l’envasement des ouvrages hydro-électriques [Fasolato et al., 2006 ; Germain, 2013]. Le bassin hydrographique est toujours un „champ de combat” entre les processus et les phénomènes naturels, d’un côté, et des forçages anthropiques qui sous-tendent de leurs points de basculement, de l’autre côté : les changements environnementaux dus à la dynamique de l'occupation du sol, des aménagements engendrant la perturbation des flux hydro-sédimentaires des écosystèmes aquatiques avec des effets sur la société [Fiandino et Rotidis, 1996]. Toutes ces interférences entre l'environnement naturel et anthropique d'un système hydro-sédimentaire sont impactées par certaines transformations morpho-hydrographiques résultant de l'érosion, de processus de transport et d'accumulation ayant des conséquences irréversibles sur les rivières: incision des lits, apparition de zones de stockage, voire captures de sédiments, impacts sur les activités torrentielles résultant de l’aménagement défectueux des versants [Peiry, 1990; Bravard, 1994;

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Pour toutes ces raisons, la connaissance de la dynamique hydro-sédimentaire d'un bassin versant, considéré comme la plus complexe et complète entité naturelle, au sein de laquelle se manifestent tous les principes et les lois opérés par les sciences de la terre, est au cœur de l'activité de gestion des bassins versant transposant les directives de l'UE dans le domaine de l'eau et de l'environnement.

Comme nous venons de le constater, il existe plusieurs raisons qui nous incitent à étudier la dynamique hydro-sédimentaire d'un bassin hydrographique et qui nous ont déterminé à choisir un tel sujet de recherche pour la présente thèse de doctorat. En effet, dans chacun de ces cas d’exploitation ou d’aménagement des bassins versants, les modifications physiques amenées par les activités anthropiques s’expriment par un fonctionnement différent des processus de transport solide.

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Dans le cadre du fonctionnement hydro-sédimentaire, il est nécessaire de considérer de façon adéquate l’échelle d’étude. De nombreux auteurs ont souligné l'importance de considérer une échelle de travail convenable à la question de recherche dans un système hydrographique et ils ont également montré la coexistence des différentes échelles d’analyse du transport hydro-sédimentaire et de la morphologie qui en résulte [Snelder et Biggs, 2002; Kondolf et Piégay, 2006; Coleman et Smart, 2011; Molnar, 2017].

Certes, la dynamique hydro-sédimentaire dans un bassin hydrographique ne peut se dérouler à une seule échelle spatio-temporelle. Ainsi, autant que nous voudrions réduire un événement hydrologique ou un processus d’érosion des versants ayant comme conséquence l’alimentation du lit de sédiments à un moment donné ou à un petit espace isolé, nous risquerons toujours d’éliminer l’essence de la complexité multidimensionnelle de la dynamique hydro-sédimentaire dans un bassin hydrographique. Sans trop insister sur les types d'échelles utilisées dans une telle approche, nous précisons simplement qu'il est plus raisonnable de les considérer du sens général au particulier (notion bien connue comme « top-down approach »), mais sans nécessairement passer par tous les échelles intermédiaires. Nous expliquerons cette stratégie plus en détail dans le chapitre 2, où nous présenterons les échelles temporelles et spatiales les plus appropriées aux objectifs de notre étude.

Par ailleurs, le choix de remplacer une vision systémique par une approche focalisée à une échelle spatiale détaillée risque de faire perdre de vue des détails que nous pouvons obtenir des recherches effectuées sur le terrain et en laboratoire, mais qui ne tiennent pas nécessairement d’une échelle ou autre. De la sorte, le titre de la thèse ne doit pas laisser comprendre que nous analyserons la dynamique hydro-sédimentaire à partir de toutes les échelles spatio-temporelles possibles, mais que cette vision systémique nous aidera à identifier les échelles spatio-temporelles les plus appropriées pour répondre de façon fiable aux questions de la thèse. Cette philosophie consistant à analyser le cadre conceptuel général et à détailler sur plusieurs échelles spatiales et de temps s'avérera être la plus pragmatique, bien que peut-être pour ceux qui sont habitués à la recherche quantitative, cette approche paraisse légère et incomplète.

Partant des prémisses créées par le cadre de recherche, le choix d’analyser « la dynamique

hydro-sédimentaire du bassin de la rivière Jiu par une approche systémique et multi-échelle » prouve son intérêt

scientifique de plusieurs points de vue :

• L’amélioration des connaissances sur le régime hydrologique des flux liquides et solides en relation avec les variables environnementales et les activités anthropiques ;

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• L’analyse des flux hydro-sédimentaires en considérant plusieurs échelles spatiales (à la fois systémique et au niveau certains secteurs de la rivière Jiu, de ses sous-bassins versants, jusqu’à l’échelle des sites de dépôt sédimentaires) et temporelles (de jours à des dizaines d’années) ;

• La création d’un contexte informationnel scientifique approprié à la mise en œuvre des actions potentielles pour gérer la dynamique hydro-sédimentaire des rivières et les risques hydrologiques associés dans le bassin de la rivière Jiu.

La zone d'étude bénéficiera d'une recherche complexe, interdisciplinaire, basée sur la théorie de l'hydrosystème [Schumm, 1977; Ngounou-Ngatcha et al., 2010], pour analyser l'ensemble des processus liées à la dynamique des flux liquides et solides, afin de les gérer dans une manière adéquate. Ainsi, l'originalité de la recherche réside de l’approche interdisciplinaire des transferts hydro-sédimentaires au sein du système hydrographique du bassin de la rivière Jiu. Le travail s’appuie sur des méthodes spécifiques à la géographie, mais également à d'autres domaines : hydrologie, géomorphologie fluviale et géochimie. Les différentes méthodes explorées s'articulent bien avec le thème de la présente thèse et surtout, elles font preuve de la complexité du problème pour aborder, au moins partialement, la perspective systémique et multi-échelle de la dynamique hydro-sédimentaire.

1.2. Motivation du choix du bassin de la rivière Jiu

Pour analyser la dynamique hydro-sédimentaire, nous avons choisi le bassin versant de la rivière Jiu, un affluent du premier ordre du Danube, non seulement pour sa complexité géographique et hydrologique, mais aussi pour d’autres raisons que nous verrons plus loin et qui permettent d’approfondir le thème de recherche choisi.

Le bassin de la rivière Jiu est situé dans le sud-ouest de la Roumanie et il s’étale sur une superficie de 10080 km2, avec des altitudes qui descendent du nord au sud graduellement de 2519 m à 50 m à la confluence avec le Danube, à travers : les Carpates méridionales (le secteur supérieur), les Sous-Carpates et le Piedmont Gétique (le secteur moyen) et la Plaine Roumaine (le secteur inférieur). Le bassin versant de la rivière Jiu a comme particularité importante la présence de mines de charbon (houille dans le secteur supérieur - dans la dépression de Petroşani et lignite dans le secteur moyen, dans le bassin de Motru-Rovinari) qui ont laissé des traces de charbon dans les dépôts alluviaux de la rivière Jiu et de ses affluents. Les activités minières ont généré un développement rapide de l’industrie (particulièrement dans la dépression de Petroșani), ayant comme effet une forte pollution des eaux de la rivière Jiu et de ses affluents. Dans les décennies du « boom » industriel en Roumanie (la période des années ’60 et ’90), la dynamique hydro-sédimentaire de la rivière Jiu était un sujet presque tabou en raison de l’effet polluant du lavage du charbon dans les villes de la dépression de Petroșani. A cause des activités minières, la Jiu a été, pendant des décennies, une des rivières les plus turbides du pays [Ionică et al., 2002]. A l’époque, la rivière Jiu était connue comme l’affluent noir du Danube et l’origine des hauts flux solides, même si très peu étudiés, n’était pas questionnable : l’activité d’extraction et du lavage du charbon.

A partir de 1990, après la chute du communisme, une série de carrières et mines ont été fermées ou ont réduit leurs activités, tandis que d’autres ont repris leurs licences d’exploitation du charbon [Nistor, 2002]. Dans les deux cas, les activités humaines dans le bassin supérieur du Jiu ont déterminé, au fur et à

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mesure, des modifications dans la qualité des eaux des rivières et dans leur régime hydromorphologique [Ionică et al., 2002; Ionuș, 2011].

La gestion fluctuante des activités minières depuis le XIXème siècle, à laquelle nous pouvons ajouter les travaux hydrotechniques et la construction de barrages – réservoirs à des fins au cours des 50 dernières années, ont largement été rapportés comme génératrices des impacts significatifs sur le fonctionnement hydro-dynamique des rivières [Savin, 2003; Savin 2005; Uscătescu, 2013; Rădoane, 2017]. De plus, après 1990 avec les changements dans le régime de la propriété en Roumanie, des importantes parcelles forestières ont été défrichées, déstabilisant les versants et impactant ainsi les flux liquide et solide des rivières. Toutes ces activités et aménagements des rivières sont responsables pour l’altération du débit liquide et solide et du taux d’érosion, transport et accumulation dans les lits [Horvath, 2008;Uscătescu, 2013], ainsi que pour l’interruption des connexions longitudinales avec le système hydromorphologique [Rădoane et Rădoane, 2007 ; Horvath, 2008].

Les rares glissements de terrain provoqués par l'instabilité des tas de stériles lors des pluies torrentielles, ainsi que le ruissellement sur leur surface à l’origine des quantités importantes de fines particules de charbon transportées en suspension et déposées sur les barres alluvionnaires. A l’opposée, il convient également de mentionner la diminution du transport solide des rivières en aval, à cause des retenues dans le secteur moyen (entre Bumbeşti Jiu et Ișalnița) et plus récemment, dans le secteur supérieur des Gorges de la Jiu, où une chaine d’ouvrages hydroélectriques est en construction, dont les effets sont à venir.

L’existence et l’exploitation du charbon dans des zones clés de source des sédiments (les carrières et mines des bassins de Motru-Rovinari et Petroşani), confèrent un caractère original à la recherche de la dynamique hydro-sédimentaire, ce qui nous ont permis d’étudier les transferts de matière dans le bassin versant de la rivière Jiu en Roumanie. Il reste à notre esprit critique et à la pertinence de certaines analyses des domaines connexes d’apprécier dans quelle mesure le charbon peut être utilisé comme traceur dans les études portant sur les flux hydro-sédimentaires.

Tous ces enjeux anthropiques impactant les processus hydro-sédimentaires sont à débattre dans les chapitres suivants.

1.3. Questions de la recherche et objectifs

Le sujet de la thèse de doctorat a un caractère interdisciplinaire, réunissant des aspects spécifiques à plusieurs domaines (géographie, hydrologie, géochimie, géomorphologie fluviale). En conséquence, on trouve les principales questions de notre analyse de la dynamique hydro-sédimentaire à la croisée de ces domaines :

 Quels sont les facteurs naturels et anthropiques contribuant à la production et au transfert des flux de matière liquide et solide au niveau du bassin de la rivière Jiu et quel est leur rôle dans la dynamique hydro-sédimentaire ?

 Quelle est l’importance des échelles spatiales et temporelles dans l’analyse de la dynamique hydro-sédimentaire en ce qui concerne les sources de sédiments, les événements hydrologiques extrêmes, les voies de transfert et les zones favorables à l’accumulation ?

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Ces questions nous conduisent vers notre objectif principal qui est d’analyser les flux

hydro-sédimentaires dans le bassin versant de la rivière Jiu, dans les circonstances (naturelles et anthropiques) spécifiques à ce bassin, à des différentes échelles spatiales et temporelles. Un regard

particulier s’oriente vers la relation entre les zones de production et celles de transport et d'accumulation des sédiments, en fonction du rôle joué par les variables de contrôle dans la dynamique fluviale. Compte tenu des attributs du bassin de la rivière Jiu, nous avons choisi d'identifier plus particulièrement les zones de productivité sédimentaire, les processus et leur temps caractéristique de transfert.

Comme nous l’avons déjà mentionné, nous avons essayé de valoriser la présence du charbon dans les sédiments du lit et des berges des rivières pour étudier la dynamique des flux hydro-sédimentaires. Dans ce contexte, la présente thèse cherche à tirer parti de cette particularité et comporte une question méthodologique préalable : Est-ce que les héritages sédimentaires dans le lit représentent un

instrument suffisant pour comprendre la migration des flux de matière dans le bassin versant et le rôle des crues dans la morphologie fluviale ?

Ce sujet aurait pu être traité de manière plus ou moins exhaustive, mais nous avons été contraints par les ensembles incomplets de jeux de données hydrologiques et topographiques disponibles et par le coût élevé des certaines méthodes. Par conséquent, nous avons choisi, volontairement, des moyens plus économiques pour notre étude.

Nous avons essayé de répondre aux questions de la thèse en définissant les objectifs spécifiques majeurs suivants:

1) Analyser les facteurs de contrôle et les catégories d’altérations sur les processus impliqués