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Un outil de caractérisation hydromorphologique des cours d’eau pour l’application de la DCE en France (CARHYCE)

A tool for the characterisation of the hydromorphology of rivers in line with the application of the European Water Framework Directive in France (CARHYCE)
Frédéric Gob, Clélia Bilodeau, Nathalie Thommeret, Jérôme Belliard, Marie-Bernadette Albert, Vincent Tamisier, Jean-Marc Baudoin et Karl Kreutzenberger
p. 57-72

Résumés

L’hydromophologie est, depuis ces dernières années, au centre des préoccupations des gestionnaires en charge de la mise en œuvre de la Directive Cadre européenne sur l'Eau (DCE). En France, différents outils de suivis et d’analyses hydromorphologiques sont en cours de développement. L’outil CARHYCE de caractérisation hydromorphologique des cours d’eau, présenté ici, propose des solutions pour la quantification de l’altération des cours d’eau et la définition des opérations de restauration. Cet outil repose sur un protocole de terrain standardisé en cours d’application sur un grand nombre de stations et sur l’ensemble du territoire national, alimentant une base de données riche et sans précédent. Les données collectées et calculées permettent de définir des tendances statistiques à l’échelle nationale ou régionale utilisées pour la construction d’un référentiel hydromorphologique spatial et dynamique. L’ensemble des modèles de référence en cours de définition constituera ainsi un outil de gestion permettant l’évaluation de l’altération d’un cours d’eau.

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Notes de la rédaction

Article soumis le 9 septembre 2013, accepté le 3 février 2014.

Texte intégral

Les auteurs remercient l’ONEMA (Office national de l’eau et des milieux aquatiques) qui finance l’ensemble des développements de CARHYCE, ainsi que l’ensemble de ses agents qui mettent en œuvre le protocole pour la collecte des données sur le terrain, qui alimentent la base de données et contribuent à l’amélioration des développements méthodologiques. Les auteurs remercient également Laurent Valette pour les échanges scientifiques et techniques autour de SYRAH et CARHYCE, ainsi que Natasha Shields pour la relecture du texte anglais.

Introduction

1La Directive Cadre européenne sur l'Eau (DCE), adoptée au Parlement Européen en 2000, définit un nouveau contexte en matière de politique de l'eau reposant sur une gestion globale et intégrée des milieux aquatiques. Elle vise en particulier l'atteinte d'un bon état écologique des cours d’eau à l'horizon 2015. Cet objectif est défini sur la base de la situation des communautés biologiques. Les caractéristiques physico-chimiques de l'eau, l'hydrologie et la morphologie des cours d'eau sont considérées comme les facteurs de contrôle, ou "supports", de la biodiversité aquatique.

2De nombreux travaux témoignent de l'importance des caractéristiques physiques des cours d'eau (débit, profondeur, largeur) pour façonner les communautés vivantes en place (Bunn et Arthington, 2002 ; Nilsson et Svedmark, 2002 ; Elosegi et al., 2010). L'action de l'homme, en modifiant le régime hydrologique des rivières et en altérant les habitats de leur lit mineur et leur continuité écologique, est susceptible d'induire des perturbations importantes sur la biodiversité aquatique. L’amélioration de la qualité biologique des cours d’eau visée par la DCE ne peut donc se faire sans considérer le contexte hydromorphologique (Direction de l’eau, 2005). Déjà prise en compte dans certains programmes de restauration, l’hydromorphologie est ainsi devenue ces dernières années un compartiment clé dans la mise en œuvre de la DCE. Le développement d’outils d’évaluation de l’altération physique des cours d’eau d’une part, et une meilleure compréhension des liens entre ces altérations et la qualité écologique d’autre part, sont des préalables indispensables à l’évaluation de l’état écologique des systèmes fluviaux et aux opérations de restauration qui seront mises en œuvre dans le cadre de la DCE. En ce qui concerne la biologie, l’atteinte des objectifs d’évaluation de la qualité des milieux posés par la DCE est permise par plusieurs outils, notamment les indices biologiques, tel que l’Indice Poisson Rivière (Oberdorff et al. 2002, AFNOR 2004), l’Indice Invertébrés Multi-Métrique (I2M2 ; Mondy et al., 2012) et les modèles d’habitat (Lamouroux et al., 2010). Le développement de tels outils en hydromorphologie est moins avancé, aussi bien pour l’évaluation des masses d’eau que pour la planification et le suivi des opérations de restauration.

3Le choix des modalités de mise en œuvre de la DCE est laissé à la charge de chaque état membre. Ainsi, en ce qui concerne l’hydromorphologie, les stratégies développées diffèrent selon les pays, la plupart proposant de coupler données géomatiques et données de terrain. Certaines méthodes sont basées sur l’extraction de données morphologiques numériques à partir de la télédétection et des SIG, telles que le calcul de l’indice de qualité morphologique développé pour les cours d’eau italiens (« Indice di Qualità Morfologica IQM » ; Rinaldi et al., 2013a). D’autres méthodes reposent principalement sur des mesures de terrain, telles que les travaux de B. Wyzga et al. (2012) sur les rivières des Carpates polonaises. Si de nombreux travaux ont été réalisés à l’échelle locale ou régionale (Hallot et al., 2004 ; Wyzga et al., 2012 ; Ollero et al., 2011), l’application systématique d’un protocole de terrain à l’échelle d’un pays est difficile à mettre en œuvre, puisqu’elle implique un important investissement en termes humain, technique et financier. Le « River Habitat Survey » (RHS) mis en place à l’échelle du territoire britannique en 1993, constitue l’une des approches les plus abouties à ce jour. La base de données du RHS regroupe des informations à la fois quantitatives et qualitatives décrivant la structure physique du cours d’eau et aboutissant à un système de scores permettant d’attribuer à chaque site une note de qualité des habitats et un degré de dégradation morphologique (Raven et al., 1998 ; Raven et al., 2002 ; Szoszkiewicz et al., 2006). En Allemagne, la méthode du LAWA (Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser) se base également sur des relevés de terrain et attribue de manière qualitative des niveaux d’altération morphologique aux stations considérées (Raven et al., 2002). Bien que couvrant l’ensemble des territoires nationaux concernés, ces méthodes de terrain ne répondent que partiellement aux enjeux posés par la DCE en termes d’hydromorphologie. La plupart se concentrent en effet sur la description des habitats (Rinaldi et al., 2013b) et proposent des données hydromorphologiques principalement qualitatives ne permettant qu’une description sommaire des caractéristiques physiques des cours d’eau.

4En France, l’hydromorphologie est, depuis ces dernières années, au centre des préoccupations des gestionnaires en charge de la mise en œuvre de la DCE. Dans ce cadre, différents outils complémentaires de suivi et d’analyse sont actuellement en cours de développement, quatre d’entre eux, SYRAH, ROE, RHT et CARHYCE, sont élaborés et alimentés grâce aux soutiens financiers et techniques des services techniques de l’Etat (Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie, Office National de l’Eau et des Milieux Aquatiques (ONEMA) et Agences de l’Eau, organismes de recherche publics) auxquels s’ajoutent ceux directement issus du monde scientifique et universitaire. SYRAH (SYstème Relationnel d’Audit de l’Hydromorphologique) est une base de données SIG recensant les pressions anthropiques potentielles susceptibles d’affecter le cadre physique des cours d’eau (Valette et al., 2008 ; Chandesris et al., 2008). Le ROE (Référentiel des Obstacles à l’Ecoulement) consiste en une base de données recensant les obstacles à l’écoulement (barrage, seuil, etc.) permettant d’identifier les problèmes de continuité écologique et/ou sédimentaire (Léonard et al., 2013). Le RHT (Réseau Hydrographique Théorique) est un référentiel du réseau hydrographique proposant à l’échelle nationale une description physique des tronçons issue de la plateforme de modèles Estimkart (Lamouroux et al., 2010 ; Pella et al., 2012). CARHYCE (CAractérisation HYdromorphologique des Cours d’Eau), sur lequel se concentre cet article, est un protocole d’acquisition de données hydromorphologiques, associé à une base de données et à un ensemble de méthodes d’analyse permettant la caractérisation hydromorphologique de tronçon de cours d’eau. Enfin, les outils développés par le monde universitaire proposent une série de méthodes, principalement géomatiques, pour sectoriser et caractériser les tronçons de cours d’eau et leurs altérations (Alber et Piégay, 2011 ; Leviandier et al., 2012 ; Bertrand et al., 2013).

5Ces différents outils sont complémentaires : 1) ils sont définis à différentes échelles spatiales, du tronçon au bassin versant ; 2) ils sont basés soit sur l’examen de variables de contrôle, telles que les pressions anthropiques, soit sur les variables de réponse telles que la géométrie du lit ; 3) ils proposent des approches stationnelles ou longitudinales. Ils intègrent deux grands types de données, des mesures de terrain et des données géomatiques, et s’appuient sur des bases de données particulièrement riches qui trouvent peu d’équivalents à l’échelle européenne.

6Cet article s’attache à présenter l’outil de gestion en cours de développement associé au protocole de terrain standardisé CARHYCE et à la base nationale éponyme. Les principaux enjeux de CARHYCE sont d’une part, de définir des « référentiels » d’état hydromorphologique sur lesquels les gestionnaires pourront s’appuyer pour déterminer l’altération physique des cours d’eau et mettre en œuvre les opérations de restauration, et d’autre part de développer une meilleure compréhension du rôle de l’hydromorphologie dans le maintien du bon état écologique des rivières. Dans cet article, nous nous attacherons à discuter les concepts géomorphologiques sur lesquels se fonde la construction des référentiels avant de présenter les données et une version avancée mais toujours provisoire de l’outil de gestion.

Les modèles de référence en hydromorphologie

Un référentiel spatial et dynamique

7Selon la DCE, le bon état écologique se définit comme un faible écart à une situation de référence. Plus on s’éloigne de cet état considéré comme référence, plus l’état de la rivière est évalué comme dégradé. En ce qui concerne l’hydromorphologie, une des questions majeures est donc de définir la ou les référence(s) à considérer. Quel doit être l’état visé ? Quels sont les objectifs ? Les textes de la DCE restent généraux concernant la définition des conditions de référence et l’état à atteindre (Newson et Large, 2006 ; Dufour et Piégay, 2009), laissant finalement une assez grande liberté aux états membres. Ces questions animent la communauté scientifique depuis le début des années 1990 et plusieurs solutions sont proposées dans la littérature.

8Un premier niveau de discussion fait écho au débat opposant nature et culture. Ce débat est au cœur des travaux de S. Dufour et H. Piégay (2009) qui posent la question cruciale des objectifs de la restauration hydromorphologique : pourquoi restaurer ? Dans quels cas est-ce bénéfique ? Que doit-on viser par la restauration ? Cette réflexion préalable apparait clairement nécessaire et ces questions méritent d’être posées. Les auteurs insistent sur le fait que les opérations de restauration constituent un moyen pour atteindre un but mais ne sont pas le but en lui-même. Ils proposent que les objectifs de la restauration soient définis comme le résultat d’une combinaison d’états souhaités et de fonctionnements potentiels, sans minimiser les besoins et contraintes de la société. Toutefois, B. Wyzga et al. (2012) nuance l’abandon total du concept de référence pour aller vers une restauration visant à maximiser les bénéfices pour les sociétés humaines tel qu’il est suggéré par S. Dufour et H. Piégay (2009). Selon B. Wyzga et al. (2012), l’idée est de chercher un compromis entre les besoins liés aux processus naturels et les contraintes relatives aux sociétés humaines en gardant une ligne de visée définie par l’amélioration de l’état écologique des rivières. La vision de la « river of dreams » de A. MacDonald et al. (2004) reconnaissait déjà l’influence des processus économiques et sociaux. Concrètement, on peut se demander dans quelle mesure les sociétés humaines peuvent accepter de composer avec les risques naturels tels que les inondations et l’érosion dans le système fluvial.

9Si ces questions ne sont toujours pas résolues d’après S. Dufour et H. Piégay (2009), il reste intéressant de chercher à observer les pressions anthropiques que subissent les rivières, et de tenter de caractériser l’altération des rivières par rapport à une situation définie comme référence. Le caractère « naturel » des rivières reste difficile à définir. M.D. Newson et A.R.G. Large (2006) en propose une définition : « Channels whose geometry and features represent the full interplay of unmanaged water and sediment fluxes with local boundary conditions. Such channel are free to adjust, by aggradation, degradation, or by lateral interaction with the floodplain or valley floor in response to unmanaged flows and sediment supplies (short term) or in response to long-term changes in system or local drivers ». Ces auteurs mettent donc l’accent sur l’absence de contrainte et la possibilité d’ajustement. Ils précisent que ces rivières ne sont pas pour autant des cours d’eau « sauvages » mais qu’ils sont perçus comme « intacts » et fournissent un certain nombre de « services naturels ». Si la définition proposée est intéressante en tant que cadre conceptuel, les auteurs insistent sur le décalage qui existe souvent entre les approches théoriques et leur mise en œuvre concrète.

10Dans cette quête de l’état de référence, la question s’est évidemment posée de savoir s’il faut rechercher dans le passé un état/un moment considéré comme référence. Autrement dit un moment où les pressions sur les cours d’eau étaient moindres (voire nulles) avec deux visions possibles : les conditions d’origine (« a pristine »), i.e. d’un passé très lointain où les hommes n’avaient pas encore modifié leur environnement, ou bien des conditions historiques issues d’un passé proche avant les modifications lourdes et systématiques des chenaux, i.e. un stade pré-industriel, avant les opérations de calibrage et de rectification.

11Cette option, basée sur le recours à des situations passées, est aujourd’hui écartée par de nombreux auteurs (Bravard, 2003 ; Palmer et al., 2005 ; Roche et al., 2005 ; Newson et Large, 2006 ; Dufour et Piégay, 2009 ; Rinaldi et al., 2013a). Plusieurs arguments sont mis en avant. En ce qui concerne le passé lointain, en plus du manque de connaissance, les conditions environnementales et en particulier climatiques ont fortement changé au cours de l’Holocène. Le cadre physique de ce passé n’est donc plus pertinent et ne peut donc être appliqué aux processus actuels (Wyzga et al., 2012). D’autre part, la recherche de conditions de référence dans un passé moins lointain, par exemple historique, n’est pas pertinente en Europe où l’impact anthropique est trop ancien pour pouvoir déterminer un état pré-perturbation (perturbation des plaines alluviales par les cultures et prélèvements d’eau massifs). Il est donc impossible de préférer un état historique par rapport à un autre de manière justifiée (Dufour et Piégay, 2009). C’est ce que montre l’étude de B. Wyzga et al. (2012) à partir d’un exemple d’évolution historique de rivières des Carpates polonaises. Pour ces auteurs, la prise en compte d’un état historique comme référence n’est tout simplement pas raisonnable.

12Depuis les années 2000, les travaux semblent s’orienter vers la définition de références contemporaines avec l’idée d’utiliser une référence spatiale plutôt qu’une référence temporelle : « a space for time substitution » (Dufour et Piégay, 2009 ; Wyzga et al., 2012). L’idée est donc de définir une référence à partir d’une ou plusieurs rivières considérées comme « naturelles » ou plus raisonnablement comme non ou peu modifiées, et ainsi d’écarter toutes références historiques. Ce type d’approche va dans le sens de M.A. Palmer et al. (2005), mettant l’accent sur la dimension dynamique de la référence qu’il est nécessaire de considérer : « a dynamic river ecosystem ». La prise en compte d’un ensemble de dynamiques de référence plutôt qu’un état de référence immuable avait déjà été introduite par Boon et al. (1992 cité par S. Dufour et H. Piégay, 2009). Cela repose sur l’idée de base selon laquelle les hydrosystèmes sont des systèmes dynamiques, évoluant dans le temps et l’espace. Le corollaire étant qu’on ne cherche pas à retrouver ou construire un état figé de la rivière mais à favoriser la mise en place d’une situation d’équilibre des cours d’eau entre les variables hydrologiques de contrôle (pouvant elles-mêmes évoluer avec le climat) et l’ajustement des variables de réponse hydromorphologique du lit.

Les fondements théoriques des modèles CARHYCE

13Pour répondre aux exigences de la DCE en termes de construction de référentiels, c’est cette approche, spatiale et dynamique, qui a été privilégiée. La construction de tels référentiels nécessite : 1) une grande quantité de données homogènes permettant d’assurer la significativité statistique ; 2) des stations de mesure couvrant les différents types de cours d’eau et contextes géographiques français ; 3) l’identification de stations considérées comme faiblement modifiées. Dans cet objectif, un protocole d’acquisition de données standardisé a été défini et mise en oeuvre sur un grand nombre de rivières.

14Les données ainsi acquises permettent de reconstituer la morphologie des lits des cours d’eau et de calculer, à partir des mesures effectuées à l’étiage, les paramètres hydromorphologiques de plein bord. Le débit de plein bord est le débit maximal qui peut s’écouler dans le lit mineur juste avant débordement. Pour les rivières alluviales en régime de fonctionnement « naturel » – lorsque le seul moteur de l’ajustement du lit mineur est le régime hydrologique naturel, sans intervention externe – le lit mineur s’auto-ajuste pour permettre le passage sans débordement des crues fréquentes, de l’ordre de la crue annuelle ou biennale (ceci étant un ordre de grandeur moyen, sujet à de grandes variations selon le contexte hydrogéologique) (Petit et Pauquet, 1997 ; Navratil et al., 2004). Ainsi, selon la théorie de la géométrie hydraulique (Leopold et Maddock, 1953 ; Hey et Thorne, 1986), en conditions naturelles, la morphologie du lit d’un cours d’eau s’ajuste aux caractéristiques de son bassin versant. Il existe un équilibre dynamique entre les variables de contrôle définies à l’échelle du bassin versant et les variables de réponse ou d’ajustement définies à l’échelle du tronçon de rivière (Schumm, 1977). Cette relation peut être modélisée par l’équation suivante permettant de définir une situation d’équilibre (Leopold et Maddock, 1953 ; Petit et al., 2005 ; Johnson et Fecko, 2008) :
y=aAb (1)
ou
y = cQd (2)
où y est une dimension du tronçon (largeur, profondeur), A la surface du bassin versant, Q le débit liquide, et a, b, c et d des constantes.

15Les caractéristiques de la géométrie à plein bord sont donc le reflet de l’action sur le long terme du régime hydrologique et sédimentaire et peuvent être considérées comme représentatives de la résultante des crues et du transport solide sur le lit des rivières alluviales. Les paramètres hydromorphologiques à plein bord autorisent des comparaisons entre stations et servent de base pour établir des modèles de référence.

Les données CARHYCE

Le protocole d’acquisition de données de terrain CARHYCE

16L’objectif du protocole CARHYCE est d’effectuer, de façon homogène sur l’ensemble du territoire français et à l’échelle de la station, des mesures permettant une caractérisation hydromorphologique des cours d’eau, ainsi que des observations du contexte (granulométrie du lit, composition des berges, nature de la ripisylve). Cette méthode est inspirée des protocoles classiquement utilisés en hydromorphologie et basée sur les paramètres de géométrie hydraulique (Leopold et Wolman, 1957 ; Leopold et al., 1964 ; Powell et al., 2004 ; Gob et al., 2010 ; Lamouroux et al., 2010).

17Dans le cadre de CARHYCE, cette méthode est appliquée sur les 1 500 sites du Réseau de Contrôle et de Surveillance (RCS). Ce réseau, mis en place en 2006 conformément aux préconisations de la DCE, émane des suivis systématiques nationaux établis par les services de l’Etat depuis les années 1960 et la première loi sur l’eau. Historiquement, les stations RCS correspondaient aux points de mesures physico-chimiques auxquelles se sont rajoutées les caractérisations biologiques puis hydromorphologiques. Il comprend un grand nombre de stations, chacune choisie pour être représentative d’un tronçon de cours d’eau et réparties sur le territoire national, dans le but de fournir une image de l’état des masses d’eau françaises.

18L’acquisition des données hydromorphologiques, réalisée par les agents des Directions Régionales de l’ONEMA, a débuté en 2009. Les résultats sont centralisés à l’échelle nationale dans la base de données CARHYCE. Il est prévu que les stations soient revisitées tous les 6 ans, la première vague d’acquisition devant être terminée pour fin 2013.

19On distingue trois niveaux de données : les données acquises sur le terrain, les données calculées a posteriori et les données complémentaires décrivant le contexte géographique des stations.

20Sur chacune des 1 500 stations CARHYCE, une opération d’acquisition comprend la réalisation d’au moins 15 transects équidistants et perpendiculaires à l’écoulement, sur lesquels sont réalisées des mesures ponctuelles équidistantes de profondeur, de granulométrie, ainsi que des observations de la nature des berges et de la végétation (fig. 1). La longueur d’une station est de 14 fois sa largeur plein bord, cette longueur permettant en théorie de décrire au moins deux séquences de faciès de type radier/mouille/plat courant (Leopold et Wolman, 1957 ; Leopold et al., 1964 ; Navratil et al., 2004). Etant donné le grand nombre de stations, le protocole a été construit pour pouvoir caractériser une station, en moyenne, en une demi-journée à quatre personnes (ONEMA, 2010).

Fig. 1 – Schéma du protocole d’acquisition CARHYCE.
Fig. 1: Scheme of the CARHYCE survey protocol.

Fig. 1 – Schéma du protocole d’acquisition CARHYCE. Fig. 1: Scheme of the CARHYCE survey protocol.

A : Pour une opération, 15 transects sont effectués d’aval en amont, espacés de la largeur évaluée plein bord (LEVPB). B : Sur chacun des transects, la largeur plein bord (LPB) et la hauteur plein bord (HPB) sont acquis, de même que la profondeur (PROF_POINT) et la granulométrie des points d’acquisition, espacées de 1/7 fois la largeur mouillée évaluée (LMEV).
A: For one station, 15 cross-sections spaced at one bankfull width (LEVPB) are surveyed from downstream to upstream. B: On every cross-section, bankfull width (LPB) and bankfull depth (HPB) are measured, water level (PROF_POINT) and sediment size are noted every 1/7 of the wetted width (LMEV).

21Sur le terrain, la station est parcourue au préalable pour en comprendre ses spécificités. Le niveau plein bord est déterminé selon la position du sommet de la berge, c'est-à-dire le niveau correspondant au début du replat signalant la transition entre la berge et la plaine alluviale (Navratil, 2005). Le premier transect est établi en aval de la station sur un radier ou un plat courant. Afin de positionner les points d’acquisition, la largeur plein bord et la largeur mouillée moyennes de la station sont estimées :

  • Estimation de la largeur plein bord moyenne (LEVPB pour Largeur EValuée Plein Bord) grâce aux largeurs plein bord de trois transects espacés de deux fois la première largeur, mesurée par télémètre ou décamètre. Cette valeur permet de positionner les 15 transects : le premier transect sur le premier radier aval (ou plat courant) de la station, les 14 autres répartis toutes les 1xLEVPB vers l’amont. La longueur de la station est donc égale à 14xLEVPB.

  • Estimation de la largeur mouillée moyenne (LMEV pour Largeur Mouillée Evaluée) à partir des largeurs mouillées de trois transects. Cette valeur permet de définir la distance inter-points, égale à LMEV/7. Cette distance entre les points d’acquisition de chaque transect permet d’obtenir au moins 7 points dans l’eau. La berge de départ est indiquée pour chaque transect (droite ou gauche).

22Puis les mesures listées dans le tableau 1 sont effectuées à l’échelle de la station, du transect et du point.

23À partir des paramètres mesurés sur le terrain, un programme, développé sous R (R Core Team, 2012), permet de calculer les coordonnées relatives de chaque point d’acquisition dans un espace à trois dimensions et ainsi de reconstituer la topographie du lit des cours d’eau. Il est alors possible de visualiser les profils en long et en travers de chaque station (fig. 2). Il est à noter que compte tenu de la nature de la prise des données sur le terrain, la sinuosité des stations ne peut être restituée, les transects étant alignés par convention sur leur premier point. Sur le profil en long, seule la pente de la ligne d’eau est mesurée, celle des berges et du fond sont ajustées sur cette dernière en faisant l’hypothèse simplificatrice d’une pente de la ligne d’eau homogène sur la station.

24À partir de la morphologie du lit des cours d’eau ainsi reconstituée, il est possible de calculer de nombreux paramètres hydromorphologiques à la date d’acquisition et à plein bord : largeurs et profondeurs moyennes, surfaces et périmètres mouillés, paramètres caractérisant la granulométrie (D16, D50, D84), etc. Ces paramètres élémentaires permettent de calculer des indicateurs utiles à la caractérisation et à la comparaison des stations CARHYCE. À titre d’exemple, les statistiques descriptives de quatre paramètres hydromorphologiques établies à partir des données CARHYCE et pour différentes régions sont présentées sur la figure 3.

Fig. 2 – Trois types de visualisation d’une station CARHYCE.
Fig. 2Three different types of representation of a CARHYCE station.

Fig. 2 – Trois types de visualisation d’une station CARHYCE. Fig. 2 – Three different types of representation of a CARHYCE station.

A : le profil en travers d’un transect (1 : fond du lit, 2 : cote de l’eau, 3 : plein bord moyen, G : rive gauche, D : rive droite). B : le profil en long d’une opération comprenant 16 transects (1 : fond du lit, 2 : cote de l’eau, 3 : plein bord moyen, 4 : cote maximale). C : les profils en 3D des 16 transects d’une opération.
A: cross-section (1: talweg, 2: water surface, 3: mean bankfulll stage, G: let bank, D: right bank). B: longitudinal profile based on 16 cross-sections (1: talweg, 2: water surface, 3: mean bankfulll stage, 4: maximum elevation). C: 3D cross-sections of the station.

Fig. 3 – Statistiques descriptives de quatre paramètres hydromorphologiques par région (HER) d’après les données CARHYCE (le nombre de stations considérées est indiqué entre parenthèses).
Fig. 3Descriptive statistics of four hydromorphological parameters per region calculated from the CARHYCE database (number of stations considered is indicated between brackets).

Fig. 3 – Statistiques descriptives de quatre paramètres hydromorphologiques par région (HER) d’après les données CARHYCE (le nombre de stations considérées est indiqué entre parenthèses).Fig. 3 – Descriptive statistics of four hydromorphological parameters per region calculated from the CARHYCE database (number of stations considered is indicated between brackets).

Tab. 1 – Liste des mesures réalisées sur le terrain à l’échelle de la station, du transect et du point, selon le protocole CARHYCE.

Tab. 1List of measurements made on the field following the CARHYCE protocol at the station scale, at the cross-section scale and at the point scale.

Echelle de mesure

Nom

Description du mode d’acquisition

Station

Pente de la ligne d’eau

Pente mesurée entre le premier et le dernier transect, au moyen d’un niveau de chantier (en ‰)

Mesure du colmatage

Le colmatage est le dépôt de sédiment fin ou organique venant d’activités humaines. Il est mesuré en 8 points (au niveau des radiers) par examen, sur des baguettes de bois placées pendant un mois dans le sédiment, de zones sombres indiquant des processus anaérobiques (Marmonier et al., 2004)

Mesure du débit

Débit mesuré à l’aide d’un courantomètre selon la méthode classique de l’exploration du champ de vitesses

Granulométrie

Granulométrie de type Wolman (1954) : mesure de 100 particules échantillonnées aléatoirement sur l’un des seuils

Photographies

3 photos aval, 3 photos amont (RD, centre, RG)

Transect

Largeur plein bord

Mesurée par télémètre ou décamètre

Hauteur plein bord

Mesurée par télémètre ou décamètre

Faciès d’écoulement

Facies d’écoulement (ex. radier, plat lothique, etc.) appartenance à l’un des onze types de faciès majeurs et secondaires, puis à l’un des quatre types de faciès simplifiés défini par Malavoi et Souchon (2002)

Nature des berges

Un code est attribué à chacune des berges du transect, décrivant la nature des matériaux constitutifs selon leur degré d’artificialisation (matériaux naturels, technique végétale, enrochement, matériaux artificiels)

Nature et structure de la ripisylve

Sont décrits de manière qualitative pour chacune des rives : la stratification de la ripisylve, son caractère naturel ou planté, son épaisseur, ainsi que sa continuité longitudinale.

Point

Profondeur

La profondeur est positive si le point est immergé et négative s’il est en dehors de l’eau. Cette donnée permet de reconstituer le profil en travers.

Granulométrie

Granulométrie au droit du point, par classe de taille, et éventuellement substrat additionnel

Les données utilisées pour le développement de l’outil CARHYCE

25L’outil de caractérisation hydromorphologique des cours d’eau qui fait l’objet de cet article est en cours de développement. À ce stade, il permet la validation du protocole de terrain et pose les bases de ce que devra être le futur outil. L’outil intègre à ce jour essentiellement les aspects morphologiques. D’autres aspects décrits dans la base de données CARHYCE nécessitent en effet des développements complémentaires (calcul d’indice pour, par exemple, intégrer la ripisylve ou le substrat) ou se sont révélés insuffisamment précis pour être intégrés tels quels dans l’outil. Le choix des paramètres utilisés pour ces premiers développements repose sur les tests réalisés par Gob et al. (2010) sur une quarantaine de rivières du bassin parisien :

  • La largeur et la profondeur moyenne à plein bord La largeur moyenne à plein bord pour une station donnée est calculée en moyennant les largeurs à plein bord mesurées sur les 15 transects. De la même manière, les profondeurs moyennes correspondent à la moyenne des profondeurs maximales de chaque transect. Ces deux grandeurs sont les deux paramètres de base considérés dans les relations de géométrie hydraulique.

  • Le rapport largeur/profondeur
    Le rapport largeur/profondeur à plein bord (L/P) évolue avec le débit, la pente et la taille des particules qui composent le lit (Knighton, 1998). Ce paramètre hydromorphologique est révélateur de la dynamique du cours d’eau : les cours d’eau à dynamique importante, caractérisés par une érosion latérale forte et des apports solides importants, présentent des valeurs L/P supérieures à 20 (Malavoi et Bravard, 2010). Le rapport largeur/profondeur est également un indicateur de la cohésion des berges : les cours d’eau aux berges cohésives, étroits et profonds, présentent des valeurs L/P faibles.

  • Le coefficient de variation de la profondeur et la profondeur des mouilles
    Le coefficient de variation de la profondeur (CV) caractérise la dispersion relative des profondeurs et se calcule en rapportant l’écart-type σ des profondeurs des points acquis dans le lit plein bord à la moyenne μ (CV = σ/μ). La profondeur des mouilles considérée ici correspond à la moyenne des profondeurs des mouilles identifiées a posteriori à partir du profil en long. Les mouilles sont définies à partir de la droite de régression ajustée sur les points de fond du lit. Chaque mouille correspond à un ensemble de points contigus sous la droite (Carling et Orr, 2000). La profondeur de chacune correspond à l’écart maximal à la droite de régression. À ce jour, ce paramètre est établi uniquement à partir des points acquis sur les transects, ce qui ne permet pas d’assurer la prise en compte systématique des points les plus profonds du profil longitudinal de la station. Le coefficient de variation de la profondeur et la profondeur des mouilles peuvent être considérés comme de bons indicateurs de l’altération hydromorphologique (Gob et al., 2010). En effet, un cours d’eau recalibré présente généralement des profondeurs homogènes et donc une variation faible de la profondeur. C’est également un paramètre à mettre en regard de la qualité écologique de la station, une faible variation de la profondeur reflétant en général une diversité d’habitat réduite.

  • Le débit à plein bord
    Faute de plusieurs mesures du couple hauteur d’eau/débit, le débit à plein bord est estimé de manière simplifiée à partir de l’équation de Manning-Strickler (Bravard et Petit, 1997) 
    Q = K x S x R2/3 x P½
    avec Q le débit, K le coefficient de Strickler (représentant la rugosité du lit), P la pente de la ligne d’eau (en m/m), S la surface mouillée et R le rayon hydraulique. Cette équation relie le débit aux paramètres de géométrie hydraulique (surface de la section mouillée, rayon hydraulique et pente). En supposant K constant quel que soit le débit, on le calcule au jour d’acquisition et on l’utilise dans cette même formule pour obtenir une première estimation du débit plein bord. Malheureusement l’hypothèse sur la constance de la rugosité à bas et à fort débit s’est révélée fausse dans bien des cas et les valeurs de débit plein bord calculées sont donc sujettes à caution.

Les modèles de référence comme outil de gestion

26Le réseau de contrôle et de surveillance (RCS) est composé de stations présentant différents degrés d’altérations, elles ne peuvent donc pas toutes entrer dans la construction de la référence. Seules les stations les moins altérées, répondant le mieux à l’image de cours d’eau naturel ont été considérées. Pour sélectionner ces dernières, l’expertise qualitative de terrain est apparue comme la méthode la plus efficace (e.g. Wyzga et al., 2012). Une enquête a été effectuée auprès des agents de l’ONEMA en 2008 puis 2010 dans le cadre de l’adaptation d’une nouvelle version de l’Indice Poisson Rivière (IPR+, Marzin et al., 2012 ; Marzin et al., 2013). Leur connaissance du terrain a permis de recenser pour l’ensemble du territoire national les pressions et altérations que subissent les cours d’eau à l’échelle de la station. Malgré la subjectivité inhérente à toute expertise, cette enquête a permis d’individualiser un jeu de stations CARHYCE pas ou peu modifiées par l’homme en ce qui concerne le compartiment physique. Les stations sélectionnées sont celles répondant, d’après l’enquête, aux critères suivants: absence de rectification et de recalibrage, absence ou faible modification du régime hydrologique et absence ou faible modification du transport solide. Ce jeu de stations peut aujourd’hui être utilisée pour élaborer des modèles de référence tel que préconisés par S. Dufour et H. Piégay (2009) et B. Wyzga et al. (2012). Dans l’état actuel de la base CARHYCE, 312 stations considérées comme très faiblement altérées ont ainsi été identifiées (fig. 4). Elles sont présentes sur l’ensemble du territoire. La répartition spatiale montre toutefois une légère sur-représentation des stations non altérées dans certains secteurs peu urbanisés tels que le Massif Central.

Fig. 4 – Carte de localisation des stations CARHYCE définies comme « altérées » et « non altérées » à l’aide de la base de données IPR+.
Fig. 4Location map of the CARHYCE stations classified between "modified" and "unmodified", according the expertise of river managers.

Fig. 4 – Carte de localisation des stations CARHYCE définies comme « altérées » et « non altérées » à l’aide de la base de données IPR+. Fig. 4 – Location map of the CARHYCE stations classified between "modified" and "unmodified", according the expertise of river managers.

27Les mesures CARHYCE acquises sur ces stations considérées comme non altérées permettent de définir des modèles de référence sur la base des équations 1 et 2 présentées ci-dessus. Elles définissent des relations d’équilibre entre des paramètres hydromorphologiques à l’échelle de la station et certaines caractéristiques du bassin versant. C’est l’équation 2, avec le débit plein bord (Qb), qui est la plus utilisée comme descripteur du bassin versant. Qb est en effet intégrateur d’un grand nombre de caractéristiques du bassin (taille, géologie, climat, etc.) (Petit et al., 2005). Actuellement, dans le jeu de données CARHYCE, l’estimation du débit plein bord n’est fiable que pour un nombre restreint de stations. Les modèles de référence associés à la base de données CARHYCE sont donc construits à partir de l’équation 1, basée sur la surface du bassin versant (Petit et al., 2005; Johnson et Fecko, 2008). Celle-ci est issue du référentiel hydrographique RHT (Pella et al., 2012). Sa cohérence a été vérifiée, notamment en s’assurant de la correspondance des toponymes et par confrontation à la base de données des stations hydrologiques de la DREAL.

28Cette relation d’équilibre (équation 1) peut être visualisée sous la forme d’un graphique donnant la relation entre la taille du bassin versant et une dimension du lit à l’échelle de la station. Ainsi, la figure 5 montre la relation qui existe entre la surface du bassin versant et la largeur plein bord pour les 312 stations CARHYCE déterminées comme très faiblement altérées. L’équation issue de cette relation, caractérisée par les coefficients a et b prenant respectivement les valeurs 2,26 et 0,379, définit un modèle de référence à l’échelle de la France. Ce type de modèle fournit un cadre statistique pour l’étude des paramètres morphométriques des cours d’eau français. Couplé à des modèles construits sur d’autres paramètres, il devra à terme donner un cadre physique permettant d’évaluer le degré d’altération physique des cours d’eau.

Fig. 5 – Relation largeur plein bord (L)/surface du bassin versant (SBV) pour les stations CARHYCE très faiblement altérées (312 stations ; R²=0.57 ; relation hautement significative avec p < 0.001).
Fig. 5Relationship between bankfull width (L) and the drainage area of the catchment (SBV) for the unmodified CARHYCE stations (312 stations; R²=0.57; relationship highly significant with p < 0.001).

Fig. 5 – Relation largeur plein bord (L)/surface du bassin versant (SBV) pour les stations CARHYCE très faiblement altérées (312 stations ; R²=0.57 ; relation hautement significative avec p &lt; 0.001). Fig. 5 – Relationship between bankfull width (L) and the drainage area of the catchment (SBV) for the unmodified CARHYCE stations (312 stations; R²=0.57; relationship highly significant with p &lt; 0.001).

L’intervalle de confiance est l’intervalle de confiance à 95 % sur la droite de régression. L’intervalle de prédiction correspond aux limites dans lesquelles tombera, à 95 %, une nouvelle observation si elle fait partie de la même population statistique que l'échantillon.
The confidence interval is the 95% interval confidence on the regression line. The prediction interval corresponds to the limits between which a new observation will fit at 95% if it originates from the same statistical population as the sample.

29Depuis les travaux de L.B. Leopold & T.J. Maddock (1953) et M.G. Wolman (1955), de nombreux auteurs ont cherché à quantifier les coefficients a et b de l’équation 1 à partir de mesures empiriques pour différents types de rivières et dans différents contextes géographiques (McCandless et Everett, 2002 ; Miller et Davis, 2003 ; Sweet et Geratz, 2003 ; Petit et al., 2005 ; Johnson et Fecko, 2008). Ces valeurs permettent de vérifier la cohérence des valeurs obtenues à partir des stations CARHYCE (tab. 2 et fig. 6). Les coefficients proposés par F. Petit et al. (2005) sont établis à partir de 38 rivières ardennaises, à charge caillouteuse et sur substrat imperméable. Aux Etats-Unis, de nombreuses équations régionales ont été développées. P.A. Johnson et J. Fecko (2008) récapitulent les valeurs obtenues par différents auteurs dans l’est des Etats-Unis, a et b variant respectivement de 1,93 à 5,36 et de 0,26 à 0,51. On présente dans le tableau 2 les valeurs pour trois provinces physiographiques américaines correspondant à des contextes géographiques différents : le plateau appalachien (Miller et Davis, 2003), le piémont (McCandless et Everett, 2002) et la plaine côtière (Sweet et Geratz, 2003). La première est caractérisée par des hauts plateaux et des vallées profondes accompagnées de fortes pentes (Schmidt, 1993 cité par P.A. Johnson et J. Fecko, 2008) ; le secteur d’étude se concentre sur une région forestière de dépôts glaciaires couvrant des roches sédimentaires (Miller et Davis, 2003). Le piémont est caractérisé par de larges collines et des pentes et vallées de moins en moins prononcées jusqu’à atteindre la plaine côtière. D’autre part, de récents rapports de l’USGS présentent également des valeurs de coefficients analysées à l’échelle de l’état pour les Etats-Unis (Lawlor, 2004 ; Mulvihill et al., 2009). L’équation de Lawlor (2004) est obtenue pour 41 stations de l’ouest du Montana correspondant à une région des Montagnes rocheuses. Sur la figure 6, la droite issue des données CARHYCE se trouve au centre de l’ensemble des droites, ce qui semble cohérent compte tenu de l’hétérogénéité morphologique des stations à l’échelle de la France.

Fig. 6 – Comparaison de la relation largeur plein bord/surface du bassin versant pour les stations CARHYCE à l’échelle de la France avec des valeurs d’autres travaux.
Fig. 6Comparison of the CARHYCE relationship between the bankfull width and the surface area at the French scale with literature relationships

Fig. 6 – Comparaison de la relation largeur plein bord/surface du bassin versant pour les stations CARHYCE à l’échelle de la France avec des valeurs d’autres travaux. Fig. 6 – Comparison of the CARHYCE relationship between the bankfull width and the surface area at the French scale with literature relationships

Source : Petit et al., 2005 dans l’Ardenne ; Miller et Davis, 2003 dans le Plateau appalachien aux Etats-Unis ; Sweet et Geratz, 2003 dans la plaine de la côte est des Etats-Unis ; McCandless et Everett, 2002 dans un secteur de piémont des Etats-Unis ; Lawlor, 2004 dans l’état du Montana.
After Petit et al., 2005 Southern Belgium; Miller & Davis, 2003 US Appalachian plateau; Sweet & Geratz, 2003 US West coast plain; McCandless & Everett, 2002 piedmont region of the US; Lawlor, 2004 Montana state.

Tab. 2 – Comparaison des valeurs des coefficients a et b de l’équation L = aAb obtenu dans différents travaux
Tab. 2Comparison of the a and b coefficient in the equation L = aAb in the literature (with L the bankfull width and A the catchment surface area).

Référence

Secteur géographique

Nombre de rivières ou stations

Coefficient a

Coefficient b

R2

Petit et al., 2005

Ardenne

38

1,032

0,489

0,924

Miller & Davis (2003)

Plateau appalachien, USA

18

2,27

0,51

0,88

Sweet & Geratz (2003)

Plaine côte est, USA

24

2,04

0,38

0,95

McCandless & Everett (2002)

Secteur de piémont, USA

23

3,10

0,39

0,83

Lawlor (2004)

Montana, USA

41

1,24

0,4231

0,67

CARHYCE

France

312

2,26

0,379

0,57

CARHYCE

HER Massif armoricain

35

1,48

0,39

0,82

30Si la construction d’un modèle national semble valable (R² = 0.57, p < 0.001 ; fig. 6), il est important de tenir compte du fait que cette relation est sous l’influence de facteurs régionaux tels que le climat et la géologie. En effet, il existe des différences statistiques entre les équations régionales, tel que cela a été montré par P.A. Johnson et J. Fecko (2008) pour les trois provinces américaines présentées plus haut. La nature du sous-sol, le relief et les caractéristiques des précipitations conditionnent la réponse des bassins versants aux entrées liquides. Les bassins versants pentus et imperméables sont en général caractérisés par des lits présentant une plus grande capacité (plus large et/ou plus profond) que les lits drainant un bassin dont les écoulements sont fortement tamponnés par les nappes. Ainsi, il apparait pertinent de déterminer les relations d’équilibre à l’échelle régionale, dans des ensembles homogènes d’un point de vue géologique mais aussi hydrologique.

31En première approche, les Hydro-Eco-Régions (HER) définies à l’échelle de la France en fonction du climat, de la géologie et du relief par J.G. Wasson et al. (2002) ont été choisie. Elles présentent l’avantage de proposer un découpage simple du territoire français tout en étant indépendant du jeu de données sur lequel ont été construits les modèles de référence de l’outil CARHYCE. Dans de futurs développements, à cette régionalisation sera sans doute préférée une typologie basée sur les paramètres morphodynamiques des cours des stations de la base CARHYCE.

32La figure 7A présente le modèle de référence construit pour l’HER du Massif Armoricain à partir de 35 stations très faiblement altérées (a = 1,48 et b = 0,39). Le travail à l’échelle de l’HER a, dans ce cas, nettement amélioré la qualité de la relation (R² = 0.82, p <0.001). On voit notamment que, pour une taille de bassin versant donnée, les rivières du Massif armoricain ont des largeurs plus faibles que la moyenne nationale.

33Ces relations, définies pour diverses régions françaises, constituent un outil permettant l’évaluation locale de l’altération hydromorphologique d’un cours d’eau. Elles permettent de caractériser, sur un tronçon de rivière alluviale, des actions anthropiques ayant altéré la morphologie du lit soit directement (recalibrages, rectifications…) soit indirectement via une modification du régime hydrologique (urbanisation). Ces actions anthropiques peuvent en effet avoir une forte influence sur la morphologie et l’équilibre du chenal (Hammer, 1972 ; Doll et al., 2002 cités dans O. Navratil, 2005). Dans ce contexte, la relation entre la morphologie du lit et les caractéristiques du bassin versant ne reflète plus le lien physique d’équilibre entre variable de contrôle et variable de réponse. Cette relation va vraisemblablement s’écarter de la situation d’équilibre de référence et on peut faire l’hypothèse selon laquelle l’écart entre une situation réelle et la situation prédite à l’équilibre constitue une estimation du degré d’altération hydromorphologique. C’est ce qui a été clairement mis en évidence par O. Navratil et al. (2013) analysant l’incidence de l’urbanisation sur l’ajustement des cours d’eau du bassin de l’Yzeron. On voit ici, par exemple sur les figures 7B et 8, que pour l’HER Massif armoricain, les stations altérées tendent à se situer en dessous de la droite de référence, i.e. pour une taille de bassin donnée, les rivières modifiées présentent, pour la plupart, des largeurs à plein bord plus faibles que les rivières non modifiées.

Fig. 7 – Construction d’un modèle de référence régional, l’exemple de l’HER Massif Armoricain.
Fig. 7Construction of regional reference models, example for the Massif Armoricain region (Brittany).

Fig. 7 – Construction d’un modèle de référence régional, l’exemple de l’HER Massif Armoricain. Fig. 7 – Construction of regional reference models, example for the Massif Armoricain region (Brittany).

A : Relation largeur plein bord/surface du bassin versant obtenue pour les stations CARHYCE non altérées de l’HER Massif Armoricain (R² = 0.82) et comparaison avec celle obtenue pour la France entière (R² =0.57). B : Confrontation, à l’échelle régionale, des stations altérées au modèle de référence construit.
A: Relationship between bankfull width and drainage area obtained from the CARHYCE unmodified stations of the Massif Armoricain (R² = 0.82) and comparison with those obtained at the country scale (R²=0.57). B: Comparison at regional scale of the modified stations and the reference model.

Fig. 8 – Boîtes à moustaches des écarts à la droite de référence pour certains paramètres hydromorphologiques (Moy_Lm_Qb : largeur plein bord, Moy_Hmax_Qb : hauteur maximale au plein bord, Moy_ratioLP_Qb : rapport largeur/hauteur, Qb : débit plein bord) pour les stations de l’HER Massif armoricain.
Fig. 8Box plot of the deviation from the reference line for some hydromorphological parameters (Moy_Lm_Qb: bankfull width, Moy_Hmax_Qb: bankfull maximal height, Moy_ratioLP_Qb: width to depth ratio, Qb: bankfull discharge) for the Massif armoricain stations.

Fig. 8 – Boîtes à moustaches des écarts à la droite de référence pour certains paramètres hydromorphologiques (Moy_Lm_Qb : largeur plein bord, Moy_Hmax_Qb : hauteur maximale au plein bord, Moy_ratioLP_Qb : rapport largeur/hauteur, Qb : débit plein bord) pour les stations de l’HER Massif armoricain. Fig. 8 – Box plot of the deviation from the reference line for some hydromorphological parameters (Moy_Lm_Qb: bankfull width, Moy_Hmax_Qb: bankfull maximal height, Moy_ratioLP_Qb: width to depth ratio, Qb: bankfull discharge) for the Massif armoricain stations.

Test de comparaison des échantillons : n.s. : différence non significative entre les deux groupes, * : différence significative (p > 0.05), ** : différence très significative (p > 0.01).
Comparison test: n.s.: not significant difference between the two groups, *: significant difference (p > 0.05), **: very significant difference (p > 0.01).

34Pour un ensemble de stations donné, tel que l’HER Massif armoricain, l’écart à la droite de référence est calculé. La représentation sous forme de boîtes à moustaches permet d’apprécier la capacité de chaque paramètre à discriminer les stations altérées des stations non altérées. Pour cette HER qui comprend 52 stations dont 17 altérées et 35 non altérées, on voit sur la figure 8 que la largeur plein bord (L) est globalement plus faible pour les stations altérées, que la profondeur maximale (P) est significativement plus importante et que le rapport L/P est significativement plus faible. Ces tendances s’expliquent en partie par les opérations de travaux majeurs (rectification, recalibrage, approfondissement, …) qui ont fait suite au remembrement agricole du milieu des années 1950 aux années 1980. Durant cette période, de très nombreux travaux ont été réalisés sur les cours d’eau transitant sur des parcelles agricoles dont les cultures supportaient mal les épisodes de submersion. Le tracé des rivières a été rectifié pour faciliter la mécanisation de l’agriculture et le chenal approfondi pour lutter contre les inondations (Gilet, 2012).

35On observe toutefois un recouvrement entre les groupes de stations et la prise en compte d’un paramètre seul ne semble pas permettre une discrimination satisfaisante. Une combinaison de paramètres peut alors être considérée et apporter des résultats intéressants (Gob et al., 2010). Pour cela, nous utilisons une analyse discriminante qui permet de prédire l’appartenance à un groupe (stations altérées/non altérées) à partir d’un certain nombre de variables quantitatives, ce type d’analyse ayant montré des résultats satisfaisants (Gob et al., 2010). On construit une combinaison linéaire de plusieurs variables à partir d’un échantillon de stations dont l’état, altéré ou non altéré, est connu a priori. Le modèle construit permet d’attribuer à l’ensemble des stations une probabilité d’appartenance à chacun des groupes (fig. 9). À titre d’exemple, la station de l’Oisilly à Champgenéteux (53) est qualifiée de « non altérée » par la base expertise IPR+. D’après l’analyse discriminante, elle a une probabilité d’appartenance au groupe « non altérés » de 92 %. À l’inverse, la station de L’Arz à Molac (56), qualifiée d’altérée, présente une probabilité d’appartenance au groupe « altérés » de 34 % uniquement. À ce jour, les variables les plus discriminantes sont le rapport largeur/profondeur maximale (L/P) et la profondeur plein bord. Avec ces deux variables uniquement, on atteint entre 60 % et 75 % de bon classement selon les HER. Pour la HER Massif armoricain présentée dans cette étude, ce taux est de 75 %. Le débit plein bord, après amélioration du calcul par l’acquisition d’un deuxième couple hauteur/débit en cours de relevé, devrait fortement augmenter ce score (Gob et al., 2010).

Fig. 9 – Exemples de tronçon de cours d’eau et leur classement à partir des probabilités d’appartenance aux groupes « altéré » et « non altéré » calculées par analyse discriminante à l’échelle de l’HER Massif Armoricain (taux de bon classement pour l’HER : 75 %).
Fig. 9Example of river reaches and the classification from their affiliation probability to the groups “unmodified” and “modified” calculated by a discriminant analysis at the regional scale (Massif Armoricain) (good classification rate for the region: 75%).

Fig. 9 – Exemples de tronçon de cours d’eau et leur classement à partir des probabilités d’appartenance aux groupes « altéré » et « non altéré » calculées par analyse discriminante à l’échelle de l’HER Massif Armoricain (taux de bon classement pour l’HER : 75 %).Fig. 9 – Example of river reaches and the classification from their affiliation probability to the groups “unmodified” and “modified” calculated by a discriminant analysis at the regional scale (Massif Armoricain) (good classification rate for the region: 75%).

Discussion et conclusion

36L’exemple de la région armoricaine présenté ci-dessus montre que la richesse de la base de données CARHYCE offre des perspectives tout à fait inédites pour le développement d’outils offrant un cadre hydromorphologique aux gestionnaires français des cours d’eau. Bien que la base de données et les développements associés soient toujours en cours d’évolution, l’intérêt d’un tel jeu de données parait d’ores et déjà évident.

37Au-delà de la construction d’outils de gestion, la base de données CARHYCE présente en effet un intérêt scientifique majeur pour la compréhension des processus géomorphologiques et leur lien avec les communautés vivantes aquatiques. Cet intérêt réside tout d’abord dans le grand nombre de stations acquises, stations représentant une grande diversité de milieux et situées sur l’ensemble du territoire français. En outre, le mode d’acquisition standardisée des données permet une description des caractéristiques clés du fonctionnement hydromorphologique des hydrosystèmes (géométrie du chenal, substrat, ripisylve, etc.), quantitative, homogène, et suffisamment précise pour intégrer la variabilité naturelle des cours d’eau et ainsi permettre des comparaisons de cours d’eau.

38D’autres méthodes d’évaluation hydromorphologique ont été développées ces dernières années à travers l’Europe (Raven et al., 2002 ; Rinaldi et al., 2013b). Elles reposent principalement sur des données qualitatives et quantitatives acquises grâce à la télédétection et à des expertises de terrain. Contrairement à CARHYCE, peu de ces méthodes ont été mises en place à l’échelle nationale (Raven et al., 1998). Elles sont très souvent ancrées sur de solides bases géomorphologiques mais seul un petit nombre de ces méthodes a pour objectif de proposer un indice d’altération ou un cadre de référence (Rinaldi et al., 2013a). La méthode associée à la base de données CARHYCE permet de proposer un cadre sur lequel s’appuyer pour intégrer les processus hydromorphologiques dans la gestion des cours d’eau tout en nécessitant, en première approche, une connaissance limitée de ces processus.

39À ce stade de développement, un certain nombre de limites apparaissent toutefois à la construction d’indices basés sur les relations de géométrie hydraulique. Ces dernières reposent en effet sur la géométrie des lits et la notion de « plein bord » mais dans certains types de cours d’eau, tel que les rivières en gorge s’écoulant dans un fond de vallée dominé par la roche en place ou encore les rivières en tresse caractérisées par une géométrie très changeante, ce concept est tout à fait discutable. Si pour les rivières à fond rocheux, la forme du lit pourrait être approchée en examinant la végétation rivulaire, la situation des rivières très dynamiques comme les rivières en tresse, est plus complexe et nécessite sans doute une adaptation du protocole d’acquisition des données et de l’indice de référence. Des études récentes ont en effet montré le rôle prépondérant des crues de forte magnitude (Q10) sur la morphologie des lits (Belletti, 2012). Alors que dans les rivières de plaine, la morphologie semble plus stable sur le moyen terme, la prise en compte de l’historique récent des crues semble indispensable dans les rivières très dynamiques que sont les rivières en tresse.

40Dans l’état actuel des développements de CARHYCE, il n’est pas encore possible de proposer un indicateur global permettant une évaluation de la qualité physique des cours d’eau. La question de la pertinence d’un tel indice est d’ailleurs toujours posée. Toutefois, au vu de la forte demande des gestionnaires de cours d’eau pour la construction d’outils d’aide à la décision, des discussions récentes sur la définition des systèmes de références (Palmer et aI., 2005 ; Dufour et Piégay, 2009 ; Wyzga et al., 2012) et des résultats préliminaires présentés dans cette étude, il apparait de plus en plus évident que la définition d’un cadre de référence comme outil de gestion est une piste de réflexion qui se doit d’être empruntée.

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Annexe

English Abridged Version

CARHYCE (Characterisation of the hydromorphology of rivers) is a French tool dedicated to the application of the European Water Framework Directive (WFD). This developing tool proposes solutions to evaluate the local alteration of rivers and to monitor river restoration plans. It is based on a standardised field survey and a rich database allowing the construction of hydromorphological reference models.

The database in itself is of scientific interest for geomorphologists and biologists. Indeed, it contains a large amount of data collected following a standardised protocol based on a quantitative description of river characteristics (channel geometry, bed grain size, riparian vegetation, etc.). The database currently counts more than 800 river sites (1,500 in 2015). All together they constitute the Control and Surveillance River Network which covers the whole diversity of French environments. The long term evolution of these 1,500 river sites will be ensured through resurveying every 6 years the entire river network. At a French and European scale, CARHYCE will constitute a unique national field database on hydromorphology.

The field surveys are based on the at-a-station hydraulic geometry theory. The bankfull width and depth averaged from measurements on 15 cross-sections spaced of one bankfull width are used to characterise the channel morphology. On every cross-section a minimum of 7 measurements of depth are made and for each measurement the sediment size is noted. The nature of the bank (artificial material, vegetal bank protection or natural bank) and the structure and composition of the riparian vegetation are also detailed at every cross-section. At the station scale, additional grain size (Wolman pebble count) and substrate embeddedness measurements are made on a riffle. Finally the water slope and discharge are measured.

One of the goals of the valorisation of the data is to answer the WFD requirements relating to the construction of a hydromorphological reference framework. Numerous debates in the scientific literature show that the definition of a situation or conditions of reference is not obvious. The scientific community has agreed that such a hydromorphological reference frame should be based on spatial aspects rather than historical ones. In other words, it should be defined from a set of present-day river reaches considered to be as unmodified as possible by human actions and not from static past conditions. This reference framework also has to be dynamic, considering the fact that rivers are moving systems. Rivers tend to search for an equilibrium state, adjusting their bed morphology to the changing characteristics of their catchment.

A set of river reaches as unmodified as possible had to be identified in order to build the reference frame. The level of human induced alterations (by embankment, reshaping, dredging, perturbation of bedload transport and delivery) of 601 stations out of the 880 river sites were determined allowing to identify 312 stations not or poorly modified. The level of alteration was determined based on the expertise of the river managers, who have extensive knowledge of the field.

The CARHYCE database of reference sites allows reference models to be constructed based on equations defining equilibrium relationships between at-a-station hydromorphological parameters (i.e. width, depth, etc.) and some characteristics of the catchment (i.e. surface area, etc.). The national models seems relevant and statistically correct (R² = 0.57, p < 0.001) as the values of the coefficients defining equilibrium relationships with the CARHYCE data set are close to those found in the literature for other geographical domains. However, the results we obtained were difficult to read because of the stations’ heterogeneity. Nowadays, it is well known that such relationships are under the influence of regional factors such as climate and geology. From the same data set, regional models were thus constructed.

Deviation from the reference models is used to quantify the river alteration and contribute to the construction of a hydromorphological alteration index. Results presented in this paper show how the tool that we are developing allows an affiliation probability to be assigned to one of the two classes (“modified” or “unmodified”). This probability is based on the combination (discriminant analysis) of several reference models based on one parameter (width, depth, width to depth ratio, etc.).

This paper presents the CARHYCE database and an associated tool which is being developed, that allow the classification of reaches and the quantification of their morphological alteration. The reference models should not be considered as a rigid framework for what the shape of a river should be, but rather as an adjustable guide to manage and better understand key parameters controlling hydromorphological pressure on biocenoces. The objective of the “reference” models we propose is to achieve a more natural functioning of the hydrosystem through performing restoration operations.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 – Schéma du protocole d’acquisition CARHYCE. Fig. 1: Scheme of the CARHYCE survey protocol.
Légende A : Pour une opération, 15 transects sont effectués d’aval en amont, espacés de la largeur évaluée plein bord (LEVPB). B : Sur chacun des transects, la largeur plein bord (LPB) et la hauteur plein bord (HPB) sont acquis, de même que la profondeur (PROF_POINT) et la granulométrie des points d’acquisition, espacées de 1/7 fois la largeur mouillée évaluée (LMEV).A: For one station, 15 cross-sections spaced at one bankfull width (LEVPB) are surveyed from downstream to upstream. B: On every cross-section, bankfull width (LPB) and bankfull depth (HPB) are measured, water level (PROF_POINT) and sediment size are noted every 1/7 of the wetted width (LMEV).
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Titre Fig. 2 – Trois types de visualisation d’une station CARHYCE. Fig. 2Three different types of representation of a CARHYCE station.
Légende A : le profil en travers d’un transect (1 : fond du lit, 2 : cote de l’eau, 3 : plein bord moyen, G : rive gauche, D : rive droite). B : le profil en long d’une opération comprenant 16 transects (1 : fond du lit, 2 : cote de l’eau, 3 : plein bord moyen, 4 : cote maximale). C : les profils en 3D des 16 transects d’une opération.A: cross-section (1: talweg, 2: water surface, 3: mean bankfulll stage, G: let bank, D: right bank). B: longitudinal profile based on 16 cross-sections (1: talweg, 2: water surface, 3: mean bankfulll stage, 4: maximum elevation). C: 3D cross-sections of the station.
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Titre Fig. 3 – Statistiques descriptives de quatre paramètres hydromorphologiques par région (HER) d’après les données CARHYCE (le nombre de stations considérées est indiqué entre parenthèses).Fig. 3Descriptive statistics of four hydromorphological parameters per region calculated from the CARHYCE database (number of stations considered is indicated between brackets).
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Titre Fig. 4 – Carte de localisation des stations CARHYCE définies comme « altérées » et « non altérées » à l’aide de la base de données IPR+. Fig. 4Location map of the CARHYCE stations classified between "modified" and "unmodified", according the expertise of river managers.
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Titre Fig. 5 – Relation largeur plein bord (L)/surface du bassin versant (SBV) pour les stations CARHYCE très faiblement altérées (312 stations ; R²=0.57 ; relation hautement significative avec p < 0.001). Fig. 5Relationship between bankfull width (L) and the drainage area of the catchment (SBV) for the unmodified CARHYCE stations (312 stations; R²=0.57; relationship highly significant with p < 0.001).
Légende L’intervalle de confiance est l’intervalle de confiance à 95 % sur la droite de régression. L’intervalle de prédiction correspond aux limites dans lesquelles tombera, à 95 %, une nouvelle observation si elle fait partie de la même population statistique que l'échantillon.The confidence interval is the 95% interval confidence on the regression line. The prediction interval corresponds to the limits between which a new observation will fit at 95% if it originates from the same statistical population as the sample.
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Titre Fig. 6 – Comparaison de la relation largeur plein bord/surface du bassin versant pour les stations CARHYCE à l’échelle de la France avec des valeurs d’autres travaux. Fig. 6Comparison of the CARHYCE relationship between the bankfull width and the surface area at the French scale with literature relationships
Crédits Source : Petit et al., 2005 dans l’Ardenne ; Miller et Davis, 2003 dans le Plateau appalachien aux Etats-Unis ; Sweet et Geratz, 2003 dans la plaine de la côte est des Etats-Unis ; McCandless et Everett, 2002 dans un secteur de piémont des Etats-Unis ; Lawlor, 2004 dans l’état du Montana.After Petit et al., 2005 Southern Belgium; Miller & Davis, 2003 US Appalachian plateau; Sweet & Geratz, 2003 US West coast plain; McCandless & Everett, 2002 piedmont region of the US; Lawlor, 2004 Montana state.
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Titre Fig. 7 – Construction d’un modèle de référence régional, l’exemple de l’HER Massif Armoricain. Fig. 7Construction of regional reference models, example for the Massif Armoricain region (Brittany).
Légende A : Relation largeur plein bord/surface du bassin versant obtenue pour les stations CARHYCE non altérées de l’HER Massif Armoricain (R² = 0.82) et comparaison avec celle obtenue pour la France entière (R² =0.57). B : Confrontation, à l’échelle régionale, des stations altérées au modèle de référence construit. A: Relationship between bankfull width and drainage area obtained from the CARHYCE unmodified stations of the Massif Armoricain (R² = 0.82) and comparison with those obtained at the country scale (R²=0.57). B: Comparison at regional scale of the modified stations and the reference model.
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Titre Fig. 8 – Boîtes à moustaches des écarts à la droite de référence pour certains paramètres hydromorphologiques (Moy_Lm_Qb : largeur plein bord, Moy_Hmax_Qb : hauteur maximale au plein bord, Moy_ratioLP_Qb : rapport largeur/hauteur, Qb : débit plein bord) pour les stations de l’HER Massif armoricain. Fig. 8Box plot of the deviation from the reference line for some hydromorphological parameters (Moy_Lm_Qb: bankfull width, Moy_Hmax_Qb: bankfull maximal height, Moy_ratioLP_Qb: width to depth ratio, Qb: bankfull discharge) for the Massif armoricain stations.
Légende Test de comparaison des échantillons : n.s. : différence non significative entre les deux groupes, * : différence significative (p > 0.05), ** : différence très significative (p > 0.01).Comparison test: n.s.: not significant difference between the two groups, *: significant difference (p > 0.05), **: very significant difference (p > 0.01).
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Titre Fig. 9 – Exemples de tronçon de cours d’eau et leur classement à partir des probabilités d’appartenance aux groupes « altéré » et « non altéré » calculées par analyse discriminante à l’échelle de l’HER Massif Armoricain (taux de bon classement pour l’HER : 75 %).Fig. 9Example of river reaches and the classification from their affiliation probability to the groups “unmodified” and “modified” calculated by a discriminant analysis at the regional scale (Massif Armoricain) (good classification rate for the region: 75%).
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Pour citer cet article

Référence papier

Frédéric Gob, Clélia Bilodeau, Nathalie Thommeret, Jérôme Belliard, Marie-Bernadette Albert, Vincent Tamisier, Jean-Marc Baudoin et Karl Kreutzenberger, « Un outil de caractérisation hydromorphologique des cours d’eau pour l’application de la DCE en France (CARHYCE) », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 20 - n° 1 | 2014, 57-72.

Référence électronique

Frédéric Gob, Clélia Bilodeau, Nathalie Thommeret, Jérôme Belliard, Marie-Bernadette Albert, Vincent Tamisier, Jean-Marc Baudoin et Karl Kreutzenberger, « Un outil de caractérisation hydromorphologique des cours d’eau pour l’application de la DCE en France (CARHYCE) », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 20 - n° 1 | 2014, mis en ligne le 01 janvier 2016, consulté le 23 mars 2017. URL : http://geomorphologie.revues.org/10497 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.10497

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Auteurs

Frédéric Gob

Université Paris 1-Panthéon-Sorbonne – CNRS – Laboratoire de Géographie Physique UMR 8591 (frederic.gob@univ-paris1.fr).

Articles du même auteur

Clélia Bilodeau

Université Paris 7-Paris Diderot – Laboratoire LADYSS UMR 7533.

Nathalie Thommeret

Université Paris 1-Panthéon-Sorbonne – CNRS – Laboratoire de Géographie Physique UMR 8591.

Articles du même auteur

Jérôme Belliard

UR HBAN – Irstea – Antony.

Marie-Bernadette Albert

UR HBAN – Irstea – Antony.

Vincent Tamisier

Université Paris 1-Panthéon-Sorbonne – CNRS – Laboratoire de Géographie Physique UMR 8591.

Jean-Marc Baudoin

UR HYAX – Pôle Onema-Irstea – Aix en Provence.

Karl Kreutzenberger

DG Onema – Vincennes.

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Droits d’auteur

© Groupe français de géomorphologie

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