La rivière : un milieu dynamique

Quand le fleuve fait son lit

Cycle de l’eau et les régimes hydrologiques

Le fonctionnement d’un hydrosystème est en premier lieu dépendant du fonctionnement hydrologique. En effet, le cycle de l’eau par la périodicité, l’intensité et la durée des crues et des étiages va modifier les paysages et les habitats et par conséquent modifier les cycles biogéochimiques et biologiques.

En moyenne, 40% de l’eau de pluie alimente les cours d’eau et les nappes tandis que le reste est stocké dans le sol, évaporé ou absorbé par la végétation. Le ruissellement de surface va dépendre de la pluviométrie, de son intensité, mais également de la couverture du sol. En effet, un sol nu, propice aux ruissellements, peut entrainer des crues plus fortes et plus rapides, facilitant le phénomène d’érosion. Le régime hydrologique est fortement influencé par les variations du climat et décrit les variations du débit des cours d’eau. Ce régime se caractérise par des phénomènes extrêmes d’écoulement (crues, étiages) déterminés par leur fréquence, leur durée et leur débit. Dans le Sud-Ouest européen, on distingue quatre types de régimes hydrologiques (IGN, 2020; Pardé, 1964; Tockner et al., 2009) :

- Le régime pluviocéanique associé à des variations saisonnières faibles et un débit maximal en automne et en hiver. C’est le cas de l’aval de la Garonne, du bassin de l’Adour et de Miño. - Le régime nival de montagne alimentée par la fonte des neiges entrainant des pics de crues à la

fin du printemps et au début de l’été. C’est le cas de l’amont de la Garonne, de l’amont de l’Ebre. - Le régime pluvionival présentant deux maxima nets, le premier lors de la fonte des neiges et le second lors des pluies automnales. C’est le cas des bassins du Tajo, du Duero, de ceux du Pays basque tels que Bidassoa et l’Ibaizabal.

- Le régime pluvioméditerranéen caractérisé par un étiage sévère lié à l’absence de précipitation. C’est le cas des bassins de Turia, du Guadalquivir, et de Segura.

On pourrait même caractériser un dernier régime dit « anthropisé » où l’impact de l’homme dans la gestion de l’eau est tel que l’écoulement en est complètement perturbé. On retrouve ce phénomène dans des bassins versants fortement agricoles du sud de l’Espagne et du Portugal où les barrages régissent les débits des rivières comme c’est le cas dans les régions de Murcia et d’Andalousie (Dynesius and Nilsson, 1994; González, 2002; Iglesias et al., 2018). Dans un régime « anthropisé », les périodes de fortes eaux surviennent durant l’été où les lâchés sont importants afin de permettre l’irrigation des cultures.

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Les processus d’érosion, de transport et de sédimentation

Un cours d’eau se forme à la suite des processus d’érosion, de transport et de sédimentation. L’ensemble de ces processus ont lieu dans la zone critique en considérant un continuum air-terre-eau (Figure 1). La composition des sols, les caractéristiques des nappes, la morphologie des cours d’eau, la présence de mare ou lac vont avoir une influence sur ces processus. L’eau érode et dissout la roche qui ensuite transporte les éléments arrachés à l’aval jusqu’à ce que l’énergie cinétique des éléments diminue et qu’ils se déposent (sédimentation). La taille des matériaux transportés, la distance et le mode de transport ainsi que le processus de sédimentation vont être influencés par les conditions d’écoulement contraint par le climat, la pédologie et la pente du milieu. Un milieu calcaire s’érodera plus facilement, et formera des paysages particuliers tels que les gorges, aussi appelé canyons. La morphologie des cours d’eau, les habitats environnants, et donc la biodiversité et les cycles biogéochimiques associés, sont formés et modifiés constamment par les processus érosion – transport – sédimentation.

Le cours d’eau est un réceptacle, une zone de transfert, mais aussi potentiellement un réacteur important. On peut y distinguer les éléments dissous et particulaires de chaque élément carbone, azote et phosphore. Les éléments dissous et particulaires sont classées par taille des particules et peuvent être séparées par des filtres de 0.45 et 0.50 μm (Thurman, 1985). Les éléments particulaires sont en majorité transportés par l’écoulement de surface dus à leur faible solubilité tandis que les éléments dissous vont pouvoir être transportés par l’écoulement de surface, mais également par écoulement de subsurface et souterrain grâce à leur infiltration. Par ailleurs, ces éléments, par exemple le carbone, peuvent transporter des contaminants, des métaux lourds, des pesticides par réaction de complexation dans l’eau (Barkay et al., 1997; Kolka et al., 1999).

Les dynamiques des flux d’eau et de soluté des systèmes terrestres et aquatiques sont dépendantes des caractéristiques physiques, de l’occupation du sol, de la géographie et des nutriments dans les cours d’eau (Ballais et al., 2011). C’est le phénomène de « spiralling » décrit par Newbold et al (1981). Cette dynamique est dépendante, d’une part, des changements progressifs entre l’amont et l’aval d’un cours d’eau, on parle de continuum fluvial (Vannote et al., 1980) et, d’autre part, des caractéristiques hydromorphologiques qui vont influencer les fonctions de la rivière, on parle de compartiments fonctionnels (Sauvage et al., 2018).

Les unités du paysage…

… sont structurées par le bassin versant

Un bassin versant est structuré par un système physique alimenté par le ruissellement, les nappes et les sources : le réseau hydrographique (Figure 5). Ce réseau est hiérarchisé de l’amont (la source) à l’aval (l’embouchure) et structure les habitats aquatiques et terrestres adjacents. Ces cours d’eau peuvent être schématisés par une série de segments linéaires et de nœuds (Figure 5). Cette classification, constituée par des lois géométriques générales, se nomme la classification de Strahler (Strahler, 1957). Tout segment n’ayant pas d’affluent se voit attribuer l’ordre 1 ; le segment résultant de la confluence de

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deux drains d’ordre n sera d’ordre n+1. L’ordre du bassin versant correspond à celui de l’ordre le plus élevé. Le bassin versant de la Garonne est d’ordre 8 (Carthage, 2011). Cette classification est communément utilisée du fait de sa simplicité. De plus, cette classification permet de distinguer différentes classes de cours d’eau formant un gradient géomorphologique d’amont en aval. En effet, l’eau s’écoule de manière unidirectionnelle. La rencontre de drains augmente la taille du cours d’eau en aval ce qui entraine une évolution géomorphologique des cours d’eau et conjointement de leur habitat.

Figure 5: Schéma explicatif de la classification de Strahler (Strahler, 1957).

… et le corridor fluvial : continuité écologique et continuum

fluvial

Depuis les années 1980, le réseau hydrographique n’est plus simplement considéré comme un canal d’évacuation des eaux et des sédiments. On parle alors de corridor fluvial ou « trame bleue » comprenant le lit des cours d’eau et les systèmes terrestres adjacents tels que les ripisylves et les zones humides. Le corridor est connecté aux autres habitats et favorise les flux écologiques à l’échelle locale et régionale (Figure 6).

Figure 6: Schéma de la continuité écologique, transit sédimentaire et libre-circulation des organismes d’après l’Office Internationale de l'eau (OIEau, 2018).

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Selon le concept de continuum fluvial (Vannote et al., 1980a), sur l’axe amont/aval interviennent des changements progressifs dans les systèmes fluviaux ainsi que dans les paysages et dans la nature des communautés biologiques. Les processus biogéochimiques prenant place dans le cours d’eau et dans la zone riparienne vont également évoluer le long du continuum fluvial. C’est un modèle descriptif longitudinal du fonctionnement écologique des systèmes fluviaux. Il peut être alimenté par trois sources d’énergie : (1) la production autochtone primaire du cours d’eau, (2) les apports externes provenant de la végétation et des berges ou (3) du transport de la matière organique depuis l’amont. Le système fluvial peut se scinder en différentes catégories.

L’amont avec ces fortes pentes rassemble des cours d’eau de type torrentiel (Chanson, 2004), étroits et peu profonds. Ces cours d’eau supérieurs sont considérés comme une « zone de production » alimentant le réseau hydrographique en eau et en sédiments. Les eaux y sont fraîches et oxygénées et la faune peu abondante. Les organismes aquatiques s’alimentent de l’apport externe de matières organiques à partir des débris végétaux et des petits animaux terrestres tombant dans les cours d’eau. En effet, les berges ont une végétation arbustive interceptant la lumière et limitant la production primaire aquatique. Les espèces dominantes seront adaptées à broyer et à déchiqueter les matériaux grossiers.

En progressant vers l’aval, l’augmentation de la largeur du cours d’eau et la diminution de la vitesse du courant favorisent le développement algal et des végétaux aquatiques. C’est la zone « intermédiaire » ou « zone de transfert ». En fonction de la diminution de la pente, le processus dominant devient la sédimentation par rapport à l’érosion. Le système aquatique devient alors majoritairement autotrophe, c’est-à-dire s’alimentant des ressources présentes dans le milieu aquatique. La population aquatique sera alors dominée d’herbivores « racleurs » et brouteurs.

Finalement, l’aval est caractérisé par des cours d’eau où la pente et la vitesse du courant sont faibles. Ces cours d’eau forment alors la plaine alluviale, les estuaires et parfois des deltas. Ces milieux en aval du bassin sont aussi nommés « zone de stockage ». La vitesse du courant est faible et la turbidité de l’eau qui est importante peut empêcher la pénétration de la lumière et donc le développement des végétaux aquatiques. Les apports en matières organiques proviennent en grande partie de l’amont. Il peut alors y avoir formation de phytoplanctons. L’espèce dominante sera alors un « collecteur ».

Des prédateurs sont associés à ces différentes espèces. Ces catégories schématisent succinctement la répartition géographique des espèces, mais cette théorie doit être modulée en fonction du contexte géographique et climatique. Ce concept, proposé pour caractériser des rivières nord- américaines tempérées, a stimulé énormément de recherches, mais également suscité beaucoup de controverses, car simpliste (King and Brown, 2010; King et al., 2003; Pinay et al., 2018). En effet, la théorie du continuum fluvial permet de fournir un schéma simple et pédagogique. Cependant, ce concept n’est pas généralisable à l’ensemble des cours d’eau. En effet, certains tronçons du bassin versant sont des alternances entre des zones de plat et des zones de rupture où le concept de continuum se transforme davantage en mosaïque de milieux hétérogènes. Le concept est théoriquement vrai, mais ne peut pas être

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généralisé à l’ensemble des bassins versants étant donné que les caractéristiques des paysages vont influencer ce continuum telles que la présence de barrages, de villes ou encore la destruction d’écosystème tel que les ripisylves.

… dépendent des interactions entre milieux terrestres et

aquatiques

Pendant de nombreuses années, les écosystèmes aquatiques ont été considérés comme étant indépendants de leur environnement terrestre, alors qu’il a été démontré qu’il y avait de fortes interactions entre milieux terrestres et aquatiques (Hansen et al., 2008), en particulier en ce qui concerne les échanges de matières organiques, de nutriments et de pesticides. Ces échanges sont en partie permis grâce aux phénomènes de crue dans les milieux peu anthropisés. En effet, certaines études ont montré que les changements saisonniers liés au cycle crue/décrue permettent une diversité d’habitats et de communautés biologiques (Junk et al., 1989). Cependant, la plupart des fleuves tempérés n’ont plus de plaines inondables du fait de leurs aménagements. Malgré l’impact anthropique, la connectivité horizontale entre plaines alluviales et lit mineur existe. Celle-ci permet les échanges entre différentes communautés ainsi que l’amplification de certains processus. Par exemple, on peut citer l’élimination des nitrates par le processus de dénitrification, la réaction de dégazage du diazote vers l’atmosphère (cf Section 1B4) activée dans des conditions anoxiques comme lors de phénomènes d’inondation (Sánchez Pérez et al., 1999; Sánchez-Pérez et al., 1991). La connectivité peut donc être horizontale, mais également verticale entre l’hydrosystème et le compartiment sous-fluvial. On parle plus communément des échanges nappe-rivière qui ont lieu à travers la zone hyporhéique (Figure 7). Malard et al. (2000) définissent la zone hyporhéique comme étant l’ensemble des sédiments saturés en eau. Cette zone hyporhéique est située au-dessous et à côté d’une rivière contenant une proportion d’eau de surface et d’eau souterraine. On peut également la schématiser le long du continuum fluvial. Ainsi, en tête de bassin, elle sera réduite, voire absente. En amont des plaines alluviales, l’accumulation d’alluvion permettra la création d’une zone hyporhéique située au niveau du lit mineur tandis qu’en aval des plaines, les nappes phréatiques sont plus proches de la surface et permettent à la zone hyporhéique de s’étendre au lit majeur. (Figure 7) (Marmonier et al., 2012; Dimitri Peyrard et al., 2011). Enfin, la végétation riveraine, possède un rôle majeur dans le fonctionnement de l’hydrosystème en étant (1) une source importante de matières organiques (feuilles, fruits, débris) (Chauvet and Jean-Louis, 1988), (2) un filtre pour les éléments dissous et un frein contre le ruissellement (Decamps, 2002; Pinay and Decamps, 1988), (3) une fonction d’abri et d’habitat (Maisonneuve and Rioux, 2001; Tabacchi et al., 1998).

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Figure 7: Schéma des différentes zones hyporhéiques existantes (tiré de Datry et al. (2008) d'après Malard et al. (2000)) avec (A) absence de zone hyporhéique due à l’affleurement direct avec le substratum imperméable, (B) présence de zone hyporhéique par phénomène d’advection d’eau de la rivière à l’intérieur des sédiments, (C) zone hyporhéique « perchée » au- dessus de la nappe phréatique, (D) zone hyporhéique échangeant des flux verticaux important avec la nappe sous-jacente et (E) zone hyporhéique présentant un équilibre dynamique avec la nappe.

Les fonctions écologiques liées à la ressource en eau

Origine et définition des bénéfices naturels et des

fonctions écologiques

Depuis les dernières décennies, l’augmentation de la population humaine ainsi que la multiplication des phénomènes extrêmes, conséquences du changement climatique (Caballero et al., 2007), entrainent des questionnements sur la gestion de la ressource en eau. En effet, la demande en eau et les rejets anthropiques s’accroissent, augmentant les épisodes de pollution ayant un impact significatif sur l’environnement et la biodiversité. L’opinion publique et les politiques commencent alors à se préoccuper de la conservation de la biodiversité et de ses habitats. C’est dans ce cadre que le concept de services écosystémiques (SE) voit le jour dans les années 70 (Gómez-Baggethun and Ruiz-Pérez, 2011). On appelle services écosystémiques (SE), l’ensemble des contributions que la nature apporte à l’Homme, à sa survie, à son économie, et à son bien-être dans l’objectif de maintenir la vie humaine sur Terre de façon directe ou indirecte (Martín-López et al., 2018). L’évaluation des SE reste complexe et deux études ont permis de populariser cette démarche d’approche écologique à partir des SE. Le

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Millenium Ecosystem Assesment (MEA) a eu pour objectif d’évaluer les conséquences de l’évolution

des écosystèmes sur la sécurité, la santé et le bien-être de l’Homme à partir des SE (Reid et al., 2005). Ainsi, le rapport conclut sur l’utilité de connaitre la nature et son fonctionnement afin d’évaluer l’impact anthropique et climatique sur ces écosystèmes, ce qui permettra de mettre en œuvre des outils de gestion adéquats. En 2007, l’agence européenne de l’environnement a permis de populariser cette démarche d’approche écosystémique grâce à la classification « The Common International Classification of

Ecosystem Services » (CICES, No EEA/NNS/16/002). Cette étude sur l’économie des écosystèmes et

de la biodiversité a été mise en place par le G8, groupe de discussion et de partenariat économique des huit pays les plus industrialisés au monde défini en 1998, afin d’évaluer les bénéfices et les coûts procurés par la nature en matière d’économie (De Groot et al., 2012). Cette étude conclut sur l’importance de la mise en place d’actions afin de ne pas atteindre une dégradation irréversible des milieux et des SE ascendants (Dai et al., 2012). Par exemple, une forêt riveraine a un rôle de zone tampon entre les terres et le cours d’eau, limitant ainsi le lessivage des contaminants (Hefting et al., 2005). Cette forêt peut également être aménagée pour le tourisme vert sans que cela n’impacte son rôle de zone tampon. Un paysage peut donc cumuler plusieurs SE (en l’occurrence au minimum deux dans notre exemple). Cependant, certains SE ne sont pas compatibles entre eux. Pour reprendre notre exemple, une forêt exploitée pour son tourisme vert ne pourra pas être utilisée pour l’extraction de son bois. Par ailleurs, si une forêt est surexploitée pour son bois, l’écosystème forestier ne pourra pas se régénérer entrainant la disparition de cet écosystème et également des autres bénéfices qu’elle procurait. Il est alors intéressant de comprendre la valeur de l’ensemble de ces SE au sein d’une même unité paysagère dans un cadre durable (De Groot et al., 2012).

Les changements globaux incluant les changements climatiques et la pression anthropique (notamment les épisodes de pollution d’origine humaine) provoque une atteinte aux écosystèmes et à la perte de leurs fonctionnalités (Ducharne et al., 2007; Palmer et al., 2008). La perturbation majeure pour la biodiversité et ses ressources associées sont la disparition des habitats naturels provoqués par ces changements globaux, particulièrement importante dans les régions du monde où la démographie est particulièrement rapide (Vörösmarty et al., 2004). Le développement urbain et l’intensification de l’agriculture, conséquences directes de l’augmentation du niveau de vie et de la croissance démographique, intensifient ces atteintes aux écosystèmes et à leurs fonctionnalités par exemple au travers de pollutions telles que le relargage d’azote dans l’environnement, les dépôts acides, la dispersion des nanoplastiques, des phénomènes d’eutrophisation et d’érosion (Galloway et al., 2008). Depuis ces dernières décennies, la sensibilisation à la préservation de l’environnement et de ces écosystèmes s’intensifie et agit à tous les niveaux : sociales (marches pour le climat), associatifs (Greenpeace), politiques (COP21), institutionnelles (IPBES). La Plateforme Intergouvernementale sur la Biodiversité et les Services Ecosystémiques (IPBES) a sorti en 2018 un rapport détaillé sur les tendances spatio- temporelles et les orientations de gestion pour limiter l’érosion de la biodiversité et des SE dans le monde.

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Les études menées par l’ONU et l’EEA ont distingué plusieurs catégories de SE qui ont tous une importance économique, écologique et sociale (Costanza et al., 1997; Couvet et al., 2016; Doherty et al., 2014; Haines-Young and Potschin, 2012; Reid and et al., 2005). Le rapport IPBES (2018) distingue les SE pour l’Homme en trois catégories qui sont similaires aux différents SE présents dans le rapport de CICES (2016). Le rapport IPBES a pu (1) mettre en avant les résultats et les avancées qui ont été accomplis dans l’évaluation des SE, mais également (2) de renommer les « services écosystémiques » en « bénéfices naturels », terme plus neutre, pour supprimer la connotation de l’appartenance de la nature à l’homme qui se reflète dans le terme « service ». La

La figure 8 représente succinctement les catégories et les exemples de bénéfices existants. Il existe trois catégories de SE :

1. Les bénéfices matériels ou les services d’approvisionnement permettent aux êtres humains d’obtenir des biens commercialisables par l’exploitation des écosystèmes tels que la nourriture, les ressources énergétiques, les substances chimiques, l’eau potable, les ressources issues de l’agriculture …

2. Les bénéfices non matériels ou les services culturels réunissent les bénéfices non matériels obtenus à partir des écosystèmes à travers l’enrichissement spirituel, la réflexion, la création et l’esthétique. Il peut s’agir des activités de récréations et d’écotourismes, des valeurs patrimoniales, des sources d’inspiration, ou encore des valeurs académiques.

3. Les bénéfices ou services de régulation sont des bénéfices obtenus de la régulation des processus des écosystèmes comme le maintien de la qualité de l’air, la régulation du climat, le contrôle biologique, la pollinisation, la régulation des maladies, la purification de l’eau, la régulation des crues… ;

Figure 8: Schéma des différents services écosystémiques liés à la ressource en eau douce et les cycles des nutriments d'après le rapport CICES 2016

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Dans la suite du manuscrit, j’ai fait le choix de conserver le terme « service écosystémique » (SE) au détriment de « bénéfices naturels » pour une question pratique. Les SE 1 et 2 ont été largement étudiées et ils sont aujourd’hui connus tant dans leurs fonctionnements que dans leurs intérêts économiques, écologiques et sociaux. A contrario, les services de régulation et leurs fonctionnements ont été moins abordés de par leurs complexités et la difficulté de les évaluer de manière quantitative. Cependant, il existe de véritables lacunes dans la connaissance du fonctionnement de ces SE, de leurs quantifications et dans leurs évaluations économiques (Costanza et al., 1997).

Figure 9: Relation entre les paysages, les fonctions écologiques et les services écosystémiques (adapté d’Étude & Documents n° 20, mai 2010, Commissariat Général au Développement Durable). Un paysage comprend plusieurs fonctions qui alimentent