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L'hydrosystème de l'étang d'Amel (Meuse, France) : fonctionnement hydro-sédimentaire d'un petit bassin karstique et évaluation de l'érosion

The hydrosystem of the pond of Amel (Meuse, France): hydro-sedimentary functioning and erosion assessment of a small karstic catchment
Vincent Fister, Benoît Losson, Luc Manceau, Sébastien Lebaut, Pascale Richard et Mylène Tollié
p. 101-114

Résumés

L'étang d'Amel, géré par le Conservatoire d'espaces naturels de Lorraine (CEN Lorraine), fait l'objet d'un suivi écologique rigoureux en raison de son statut de Réserve naturelle régionale acquis en 2006. Dans ce cadre, le CEN Lorraine s'est préoccupé du comblement actuel de l'étang par les matières en suspension (MES) transportées par les ruisseaux tributaires. En réponse à cette interrogation, des analyses hydrologiques et sédimentaires ont été effectuées sur le principal cours d'eau alimentant l'étang, le ruisseau de Boutésaulx. Ces analyses, réalisées pendant plus de trois ans, de décembre 2009 à avril 2013, couvrent deux cycles hydrologiques complets (d'octobre 2010 à septembre 2012) et fournissent un bilan des MES (origine et masse) effectué à partir d'un suivi hydrométrique continu et d'échantillonnages ciblés. Les données hydro-sédimentaires recueillies in situ permettent de caractériser finement les apports hydrologiques et sédimentaires de la principale émergence donnant naissance au ruisseau de Boutésaulx : la Fontaine de Senon. Celle-ci est essentiellement alimentée par les pertes localisées au pied des collines boisées du nord-ouest du bassin versant. À partir de nos calculs il apparaît que cette zone forestière, qui ne couvre que 18 % de la superficie du bassin, contribue à un peu plus de 40 % de la charge de MES aboutissant dans l'étang. Par ailleurs, sur cette même période, un dépôt d'environ 3,5 mm est venu colmater la moitié nord de l'étang.

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Notes de la rédaction

Article soumis le 22 octobre 2013, reçu sous sa forme révisée le 15 novembre 2013, accepté le 25 septembre 2014

Texte intégral

1. Introduction

1En Lorraine septentrionale, entre la Côte de Meuse et le Pays-Haut, la Woëvre constitue une dépression argileuse parsemée d'étangs. Parmi ces nombreux plans d'eau, l'étang d'Amel (54 ha) présente la singularité de se situer au contact avec le plateau calcaire du Pays-Haut. Cette configuration donne lieu à une hiérarchisation des écoulements sur les argiles et à leur concentration en direction du calcaire sous-jacent, ce qui favorise l'existence d'un karst dit de « contact lithostratigraphique » (Gamez et al., 1979 ; Gamez, 1995 ; Jaillet, 2000 ; Devos, 2010). L'étang possède de ce fait une alimentation hydrologique binaire, par ruissellement de surface et par émergences karstiques, lui assurant des apports essentiels pour maintenir ses richesses faunistiques et floristiques. Particulièrement surveillé, l'étang d'Amel fait l'objet notamment d'un contrôle de ses fluctuations bathymétriques. Une étude diachronique des variations bathymétriques de l'étang menée entre 1866 et 2001 tend à montrer un comblement rapide de l'étang (Durcik, 2005, in Richard et Bernard, 2008) ; selon cette étude près de 1300 m3 de sédiments sont déposés chaque année dans l'étang par les différents contributeurs hydro-sédimentaires et principalement les émergences karstiques. Ramenés à la taille supposée du bassin versant de l'étang, ces apports de sédiments fins correspondraient à une dégradation spécifique de près de 200 t/km²/an, chiffre très au-delà de la dégradation spécifique calculée dans des contextes physiographiques proches (de l'ordre de quelques dizaines de t/km²/an ; Gamez 1985, 1995 ; Corbonnois, 1991). Cet article a pour but de confronter les résultats obtenus par l'étude diachronique à ceux issus d'une approche hydro-sédimentaire. D'inspiration naturaliste, ce travail de recherche s'appuie sur les données issues de deux stations hydrométriques et de préleveurs d'eau automatiques qui permettent d'identifier les principaux cours d’eau pourvoyeurs de matières en suspension (MES), ainsi que les rythmes de transports et les volumes mis en jeu.

2. Contexte du site d'étude

2D'un point de vue physiographique, l'étang d'Amel se situe au contact de deux milieux naturels bien distincts : la Woëvre septentrionale, dépression argileuse de la cuesta oxfordienne et le Pays-Haut, revers calcaire de la cuesta du Dogger. Créé par le barrage d'un petit cours d'eau affluent direct de l'Orne, le ruisseau de Boutésaulx, l'exutoire de l'étang, draine un petit bassin versant de 11,8 km². Les caractéristiques physiographiques de ce bassin versant, qui ont des conséquences en termes d'écoulement et de transports sédimentaires, sont présentées ci-après dans leurs grandes lignes.

2.1. Oro-hydrographie et occupation du sol

3D'un point de vue lithologique, le bassin se partage entre des calcaires du Bathonien supérieur (Dalle d'Etain), pour les deux tiers orientaux, et des argiles du Callovien (argiles de la Woëvre), pour le tiers occidental (fig. 1).

Fig. 1 – Le bassin versant de l’étang d’Amel: localisation et caractéristiques hydro-géomorphologiques.
Fig. 1 – The catchment of the Amel pond: location and hydrogeomorphological characteristics.

Fig. 1 – Le bassin versant de l’étang d’Amel: localisation et caractéristiques hydro-géomorphologiques. Fig. 1 – The catchment of the Amel pond: location and hydrogeomorphological characteristics.

1 : Dalle d'Etain (calcaire du Bathonien) ; 2 : Argiles de la Woëvre (Callovien) ; 3 : point coté (m) ; 4 : bassin versant de l'étang ; 5 : cours d'eau pérenne ; 6 : cours d'eau temporaire (fossé) ; 7 : ruissellement en drain temporaire ; 8 : doline-perte ; 9 : gouffre-perte ; 10 : gouffre ; 11 : source ; 12 : traçage artificiel (Gamez et Hall, 1991) ; 13 : étang et sa roselière ; 14 : village ; A à E : pertes 1 à 5 des Clairs Chênes ; F à H : sources de Pinauloup, Flamavaux et la Raiche ; I et J : bouillons de Varmonlieu et de Boutésaulx ; K : Fontaine de Senon ; L : émergence des Grand Puits et Petit Puits.
1: Dalle d'Etain (limestone of Bathonien); 2: Argiles de la Woëvre (Callovien); 3: spot height (in m); 4: catchment of the pond; 5: perennial stream; 6: temporary stream (drainage ditch); 7: runoff in temporary drain; 8: doline-loss; 9: sinkhole-loss; 10: sinkhole; 11: spring; 12: tracer test (according to Gamez and Hall, 1991); 13: pond and its reed bed; 14: village; A to E: losses 1,2,3,4,5 of the Clairs Chênes; F to H: springs of Pinauloup, Flamavaux and Raiche; I and J: bouillons of Varmonlieu and Boutésaulx; K: Fontaine de Senon; L: emergence of Grand Puits and Petit Puits.

4Les calcaires possèdent une puissance d'une vingtaine de mètres, leur recouvrement argileux atteignant au maximum 30 m dans le bassin versant. Les argiles de la Woëvre ne sont cependant pas homogènes : elles sont entrelardées de minces niveaux calcaro-gréseux (les Pierres d'Eau), qui constituent des drains dans la masse peu perméable (Gamez et Sary, 1979 ; Hall, 1989 ; Gamez et Hall, 1991 ; Gamez, 1995). Le bassin est agencé telle une cuvette allongée du nord au sud, avec une pente douce régulière vers l'ouest sur les deux tiers orientaux, aboutissant à un fond relativement plat, bordé à l'ouest, au sud et au nord par des collines dominant ce dernier d'une vingtaine à une trentaine de mètres. Le parallélisme avec les données géologiques est frappant : le plateau incliné correspond aux affleurements de la Dalle d'Etain, les collines sont taillées dans les argiles de la Woëvre, tandis que le fond plat se situe au droit du contact lithostratigraphique. Globalement, les reliefs sont peu marqués, avec des altitudes allant de 257 m au nord-est à environ 209 m à l'exutoire, c'est-à-dire à la digue de l'étang, dont le plan d'eau se situe vers 213 m. La pente moyenne est faible, oscillant entre 1 à 2 %. Cependant, cette valeur moyenne masque une certaine hétérogénéité des pentes dans le bassin : les collines occidentales présentent des valeurs allant jusqu'à 5 %, tandis que les longues pentes douces orientales ne dépassent pas 2 %. Compte tenu des conditions géologiques et géomorphologiques, le bassin versant supposé présente une densité de drainage extrêmement faible. Le réseau hydrographique pérenne se limite au ruisseau de Boutésaulx à l'aval de la Fontaine de Senon, soit à peine plus de 500 m de linéaire, avant d'atteindre l'étang, auquel on pourrait ajouter 1,5 km de linéaire dans la zone ennoyée par l'étang (densité de drainage de 0,17 km/km² qui s'accorde avec une infiltration forte). En revanche, il existe des écoulements temporaires, formant un réseau hydrographique plus dense mais largement artificiel (rectification de fossés, drainage agricole ou forestier).

5Autour de l'étang, le bassin versant présente une répartition en forêts, prairies et champs cultivés calquée sur les données géologiques et géomorphologiques (fig. 2). Aux collines boisées et au fond du bassin en herbe s'oppose le plateau calcaire cultivé. En ce qui concerne les superficies, les champs cultivés représentent 48 % de la surface totale du bassin versant, les forêts 23 % et les prairies 19 % (Chambre d'agriculture de la Meuse, 2011). Cette répartition a des implications en termes d'érosion, dans la mesure où les sols qui sont à nu une partie de l'année (champs labourés) sont réputés plus favorables au départ de particules sous forme solide (Corbonnois, 1993 ; Brunstein et al., 2007). Les 10 % restant se partagent entre l'étang et ses roselières (8 %) et le village de Senon (2 %) (Rioche, 2010 ; Chambre d'agriculture de la Meuse, 2011).

Fig. 2 – Le bassin versant de l’étang d’Amel: occupation du sol et réseau de mesure.
Fig. 2 – The catchment of the Amel pond: land cover and monitoring network.

Fig. 2 – Le bassin versant de l’étang d’Amel: occupation du sol et réseau de mesure. Fig. 2 – The catchment of the Amel pond: land cover and monitoring network.

1 : champs cultivés ; 2 : forêt ; 3 : prairie ; 4 : village ; 5 : étang ; 6 : marais (roselière) ; 7 : point coté (m) ; 8 : bassin versant supposé de l'étang ; 9 : cours d'eau/drain (indifférenciés) ; 10 : perte ; 11 : source ; 12 : station hydrométrique ; 13 : pluviomètre ; 14 : site de prélèvement sédimentaire et/ou de mesure de conductivité électrique ; 15 : bassin topographique contrôlé par la station amont (site C) ; 16 : bassin topographique contrôlé par la station aval (site F) ; 17 : bassin topographique drainé par les pertes et gouffres.
1: Cultivated fields; 2: forest; 3: grassland; 4: village; 5: pond; 6: marsh (reed bed); 7: spot height (in m); 8: catchment of the pond; 9: stream/drain (undifferentiated); 10: loss; 11: spring; 12: gauging station; 13: rain gauge; 14: site of sedimentary sampling and/or measure of electric conductivity; 15: topographic catchment monitored by the upstream station (site C); 16: topographic catchment monitored by the downstream station; 17: topographic catchment drained by the losses and the sinkholes.

2.2. L'originalité karstique

6Le bassin versant de l'étang d'Amel est associé à de nombreux phénomènes karstiques, dont la répartition et le fonctionnement avaient déjà été étudiés en détail (Hall, 1989 ; Gamez et Hall, 1991 ; Gamez, 1992-1993 ; Gamez, 1995). Les principales morphologies et activités karstiques sont des mardelles sur les versants des collines argileuses, des dolines et des gouffres, associés ou non à des pertes, situés au pied des collines argileuses et enfin des sources localisées dans le fond et au centre du bassin (fig. 1). L'existence de ce karst tient avant tout au contexte de contact lithostratigraphique. De manière synthétique, on distingue du ruissellement sur les collines argileuses, qui donne lieu à des pertes concentrées lorsque l'écoulement arrive sur la Dalle d'Etain perméable en grand. Le ruissellement naît le plus souvent de mardelles ou d'une zone humide, développées à la faveur des Pierres d'Eau drainantes intercalées dans la masse argileuse (Gamez et Hall, 1991). On notera cependant que le bois des Clairs Chênes porte la trace de nombreux aménagements anthropiques, tant en ce qui concerne les chenaux de ruissellement, tracés au cordeau, que de vestiges très atténués de la guerre de 14-18. Dans ce bois, les pertes drainent 18 % du bassin versant. Les infiltrations donnent ensuite lieu à des circulations dans le substratum calcaire à faible profondeur, qui ressortent entre 0,5 et 2 km plus au sud, dans la zone comprise entre le bouillon de Varmonlieu et la Fontaine de Senon, principale émergence du bassin si l'on met à part les sources karstiques ennoyées dans la cornée nord de l'étang (celle pérenne du Grand Puits notamment : Hall, 1989 ; Gamez et Hall, 1991 ; Gamez, 1992-1993). Ailleurs, sur le plateau calcaire, les infiltrations sont diffuses et émergent probablement dans la même zone de Varmonlieu/Boutésaulx/Fontaine de Senon, ou éventuellement au niveau des sources « perchées » de Pinauloup, Flamauvaux ou la Raiche, considérées toutes trois comme des exutoires de circulations épikarstiques par Gamez et Hall (1991). La faiblesse des dénivelés dans le bassin, et plus précisément du gradient hydraulique entre pertes et émergences (entre 5 et 15 m, soit une pente moyenne de 0,6 à 1,2 %), explique deux particularités du fonctionnement hydro-karstique. La première originalité correspond à l'engorgement fréquent des dolines ou gouffres-pertes, probablement révélateur d'une structuration insuffisante du drainage souterrain, même si le rôle du colmatage colluvial peut également être invoqué. Cela va de pair avec le fait que l'endokarst (les vides souterrains) soit très peu pénétrable. La deuxième spécificité est relative à l'activité progressive vers l'amont des émergences lors des mises en charge de l'aquifère bathonien : dès que la Fontaine de Senon, pérenne, à l'aval, n'arrive plus à évacuer les flux souterrains, les bouillons de Boutésaulx puis la source de Varmonlieu, plus à l'amont, se mettent à fonctionner.

3. Dispositif expérimental : réseau de mesure, traitement des données et observations générales

3.1. Les données hydro-climatiques

7Afin de déterminer l'origine et la masse des matières en suspension (MES) qui arrivent dans l'étang d'Amel, il est nécessaire de caractériser l'écoulement de surface, c'est-à-dire l'agent de transport des sédiments. Cette caractérisation est abordée dans le cadre du bassin versant du ruisseau de Boutésaulx, principal cours d'eau alimentant l'étang. Deux stations hydrométriques (toutes deux constituées d’une échelle limnimétrique, d’un limnigraphe « OTT R16 » et d’un codeur limnimétrique « Thalimède OTT ») implantées dans le bassin versant permettent de quantifier les flux écoulés. La première, située en amont immédiat de l'étang d'Amel (fig. 2, site F) contrôle l'ensemble des écoulements du bassin versant : ruissellement, drainage agricole, alimentation karstique. La surface drainée correspond à environ 57 % du bassin total de l'étang (6,7 km²) mais en termes d'alimentation hydrologique, la valeur doit être plus importante, sans que l'on puisse fournir une estimation précise (notamment en raison des sources karstiques présentes dans la cornée nord de l'étang, qui échappent à la mesure). La seconde station est localisée sur le ruisseau de Boutésaulx environ 200 m en amont de la Fontaine de Senon (fig. 2, station amont, site C). Cette station voit donc transiter des flux d'eau, tous temporaires, de ruissellement, épikarstique et karstique (bouillons de Boutésaulx et de Varmonlieu), alimentées par l'extrême nord du bassin. Par conséquent, la station amont (site C) contrôle des superficies variables selon les conditions hydrogéologiques. En basses eaux, le bassin versant de cette station se limite à la partie médiane du bassin versant de l'étang (environ 4 km², soit un tiers de la surface totale). Lors des mises en charge de l'aquifère bathonien, la superficie concernée est presque identique à celle de la station aval (site F ; 6,6 km²), dans la mesure où les pertes du bois des Clairs Chênes alimenteraient les bouillons de Boutésaulx et de Varmonlieu au même titre que l'émergence pérenne principale, la Fontaine de Senon.

8Le suivi hydrologique continu de décembre 2009 à avril 2013 comprend deux cycles complets (octobre 2010 à septembre 2012). Il permet de constater un rythme saisonnier marqué, bien que variable d’une année sur l’autre (fig. 3A et fig. 3B) : crues essentiellement hivernales, étés soumis à des tarissements plus ou moins nets et longs, voire des assecs ou des écoulements sporadiques à la station amont (site C). La station aval (site F) voit logiquement passer des débits supérieurs à la station amont (site C) et ceci toute l’année. Ces apports supplémentaires sont principalement perceptibles lors des crues estivales en raison des apports du karst (émergences de trop plein et Fontaine de Senon) réactif aux intenses précipitations convectives de la saison chaude.

9En complément de l'information hydrologique, trois pluviomètres (pluviomètres à augets basculants « Précis Mécanique ») permettent de caractériser les volumes précipités. Le premier, localisé à Bonzée (20 km au sud du site d'étude, fig. 1), quantifie les abats pluviométriques du bassin versant jusqu'au mois de novembre 2011. Le second pluviomètre, localisé dans le bassin versant, poursuit la chronique depuis le mois de novembre 2011 jusqu'à la fin de la période d'étude (fig. 3C). Le dernier, celui de Metz-Frescaty (45 km au sud-est de l'étang, fig. 1), sert à replacer la période d'étude dans un contexte plus général ; disposant d'une longue chronique pluviométrique, ce pluviomètre autorise l'ajustement statistique et permet d'identifier une ambiance climatique plutôt sèche sur les deux cycles hydrologiques suivis (fig. 4).

Fig. 3 – Données hydroclimatiques et phases de prélèvements sédimentaires.
Fig. 3 – Hydroclimatic data and periods of sedimentary samplings.

Fig. 3 – Données hydroclimatiques et phases de prélèvements sédimentaires. Fig. 3 – Hydroclimatic data and periods of sedimentary samplings.

A : Hydrogramme et classification des prélèvements de MES en fonction du débit liquide à la station amont (site C). 1 : débit de la station amont (site C) ; 2 : montée de crue ; 3 : décrue ; 4 : phase de bas débits. Période septembre 2009/avril 2013. B : Hydrogramme et classification des prélèvements de MES en fonction du débit liquide à la station aval (site F). 5 : débit de la station aval (site F) ; 6 : montée de crue ; 7 : décrue ; 8 : phase de bas débits. Période septembre 2009/avril 2013. C : Hyétogramme des stations de Bonzée et d'Amel. Période septembre 2009/avril 2013.
A: Hydrograph and classification of the SPM samplings according to the liquid flow rate in the upstream station (site C). 1: discharge of the upstream gauging station (site C); 2: rising limb; 3: recession limb; 4: low-water period. Period September 2009/April 2013. B: Hydrograph and classification of the SPM samplings according to the liquid flow rate in the downstream station (site F). 5: discharge of the downstream gauging station (site F); 6: rising limb; 7: recession limb; 8: low-water period. Period September 2009/April 2013. C: Hyetograph of the rainfall stations of Bonzée and Amel. Period September 2009/April 2013.

Fig. 4 – Ajustement statistique à une loi normale des précipitations de la station climatique de Metz-Frescaty (période 1971-2012).
Fig. 4 - Statistical adjustment to a normal distribution of rainfall totals of the meteorological station of Metz-Frescaty (period 1971-2012).

Fig. 4 – Ajustement statistique à une loi normale des précipitations de la station climatique de Metz-Frescaty (période 1971-2012). Fig. 4 - Statistical adjustment to a normal distribution of rainfall totals of the meteorological station of Metz-Frescaty (period 1971-2012).

1 : Cumul annuel (septembre/août) ; 2 : loi normale ; 3 : intervalle de confiance (95 %).
1: Annual rainfall total (September/August); 2: normal distribution fit; 3: confidence interval (95%).

3.2. Les transports sédimentaires et la minéralisation

10La quantification spatialisée des flux sédimentaires s'appuie sur deux types de mesures. Le premier correspond aux stations hydrométriques pour lesquelles l'échantillonnage des MES (prélèvements réalisés via des préleveurs automatiques « ISCO Neotek-Ponsel ») a été le plus fréquent et sur des périodes de plusieurs jours correspondant à des événements pluvieux. Bien que les écoulements à ces stations combinent, en proportion variable, les apports diversifiés des forêts, prairies et champs cultivés, l'essentiel des prélèvements est justifié par la nécessaire corrélation des analyses sédimentaires avec les mesures de débits liquides, pour fournir une quantification des masses de MES arrivant dans l'étang. Le second type de mesure est ponctuel ; il répond à la nécessaire « désagrégation » de l'information du flux sédimentaire contenue dans les mesures aux stations. Il s'agit de caractériser l'impact relatif des différentes activités humaines sur l'ablation et le transport des MES. Les analyses effectuées ont cherché à distinguer les flux de sédiments provenant des zones boisées ou en herbe, de ceux issus des terrains labourés. Les pratiques culturales n'ont cependant pas pu être identifiées. Le suivi hydrométrique en continu aux deux stations et le nombre suffisamment important de prélèvements sédimentaires, dans différentes conditions hydrologiques, permettent d'envisager un traitement statistique en vue d'estimer la quantité de MES qui y ont transité lors des deux cycles hydrologiques étudiés. Le principe général du traitement statistique est le suivant. En premier lieu, les relations entre teneur en MES (Ts) et le débit liquide (Q) ainsi qu'entre le débit solide (Qs) et le débit liquide (Q) sont établies selon les équations suivantes (Lamalle et al., 1989) :
Ts=d*Qa (1)
Qs = Ts*Q (2)
soit , Qs=d*Qa+1 (3)
avec : Ts en mg/l ; Q en m3/s ; Qs en g/s ; d et a sont des coefficients qui dépendent des propriétés du bassin versant.

11Ensuite, le calcul de la charge M nécessite, pour ne pas être sous-estimée, une correction selon la formule de Ferguson (in Lamalle et al., 1989) :
M‘=M*e(2,651*s2) (4)
avec M’ et M en g. ; s l’erreur standard obtenue par la droite de régression logTs=a*logQ+log(d) (5), calculée ainsi (Bégin, 2011) : s= [(log(Ts mesurés)-log(Ts calculés))2/(n-2)] (6).

12Enfin, afin d'obtenir des coefficients de détermination les meilleurs possibles pour les droites de régression, il est nécessaire de décomposer les hydrogrammes, au cours des crues et des étiages (Lamalle et al., 1989 ; Corbonnois, 1991). Après plusieurs tests, trois phases d’écoulement ont été retenues et des ajustements variables sont proposés (fig. 5). Ces trois phases seront nommées dans la suite du texte : montée de crue, décrue et phase de bas débits. Soulignons que ces termes ne correspondent pas exactement au fonctionnement hydrologique, mais plutôt à une identification d'épisodes de transport sédimentaire. Les stations amont et aval ont fait ainsi l'objet de plusieurs dizaines de prélèvements, respectivement 15 et 37 prélèvements pour les phases de montée de crue, 109 et 82 prélèvements pour les phases de décrue et 24 et 23 prélèvements pour les phases de bas débits. Pour la station aval (site F), les calculs fourniront la quantité de MES arrivée dans l'étang via le ruisseau de Boutésaulx, sur la période précitée.

Fig. 5 – Corrélation entre débits solides et débits liquides aux stations amont (site C) et aval (site F), selon les différentes phases hydrologiques.
Fig. 5 - Correlation between solid and liquid flows in the upstream and downstream stations, according to the different hydrological phases.

Fig. 5 – Corrélation entre débits solides et débits liquides aux stations amont (site C) et aval (site F), selon les différentes phases hydrologiques.Fig. 5 - Correlation between solid and liquid flows in the upstream and downstream stations, according to the different hydrological phases.

A : Station amont (site C). B : Station aval (site F). C : Equations de régression utilisées pour les trois phases hydrologiques. 1 : montée de crue ; 2 : décrue ; 3 : phase de bas débits.
A: Upstream gauging station (site C). B: Downstream gauging station (site F). C: Regression equations used for the three hydrological phases. 1: rising limb; 2: recession limb; 3: baseflow period.

13Sur le terrain, des mesures de conductivité ont également été réalisées (conductimètre « WTW »). Quatre points ont été suivis de façon relativement régulière, avec au minimum 15 mesures (fig. 2 et fig. 6A). Les différences d'investigation par rapport aux sites de contrôle hydrologique et sédimentaire sont liées aux renseignements complémentaires que la conductivité est susceptible d'apporter. Ainsi, dans un aquifère carbonaté, environ 90 % de la minéralisation des eaux est assurée par deux éléments : l'ion bicarbonate HCO3- et l'ion calcium Ca2+ (Bakalowicz, 1979). La singularité de la composition chimique des eaux karstiques légitime le suivi de cette variable (celle-ci représentant la minéralisation) comme moyen d'investigation hydrogéochimique. Couramment utilisée comme variable d'identification des types d'écoulement (Bakalowicz, 1977 ; Plagnes, 1997 ; Birk et al., 2004 ; Toran et al., 2006 ; Schilling et Helmers, 2008 ; Liñán-Baena et al., 2008), la conductivité électrique présente, outre sa bonne représentativité géochimique, l'avantage d'être mesurable facilement et directement. Dans notre perspective, les relevés de conductivité se réalisent ponctuellement et permettent de déterminer de façon globale le mode d'écoulement des eaux : une eau de ruissellement superficiel sera peu minéralisée, au contraire d'une eau qui aura circulé sous terre et qui sera d'autant plus minéralisée qu'elle y aura cheminé lentement (Toran et al., 2006). Ces constatations se confirment pour les différents drainages de notre bassin versant (fig. 6A et fig. 6B) : à la perte 2 comme au fossé du Grand Commun, la conductivité électrique oscille entre 50 et 250 μS/cm tandis qu’aux émergences de Boutésaulx et de la Fontaine de Senon, elle varie globalement entre 300 et 700 μS/cm.

Fig. 6 – Variation de la minéralisation dans le temps et dans l’espace. Période janvier 2011-juin 2011.
Fig. 6 – Spatial and temporal variations of mineralization (January 2011-June 2011).

Fig. 6 – Variation de la minéralisation dans le temps et dans l’espace. Période janvier 2011-juin 2011. Fig. 6 – Spatial and temporal variations of mineralization (January 2011-June 2011).

A : Evolution de la conductivité électrique (à 25°C en µS/cm) et du débit à la station amont (site C). Relevés de conductivités électriques (à 25°C en µS/cm) sur une période de quelques mois. 1 : Affluent (épikarst) ; 2 : Fontaine de Senon (karst) ; 3 : station aval (mélange d’eaux) ; 4 : perte 2 (ruissellement sur les argiles) ; 5 : débit de la station amont (site C). B : Variation spatiale des valeurs de conductivité électrique (à 25°C en µS/cm) en phase de décrue, le 8/01/2011 vers 17 h. 1 : émergence ou alimentation épikarstique ; 2 : émergence karstique ; 3 : mélange d'eaux ; 4 : ruissellement sur les argiles.
A: Temporal variations of electrical conductivity vs the discharge of the upstream station (site C). Electrical conductivity samplings (at 25°C in µS/cm) over a period of a few months. 1: Affluent (epikarst); 2: Fontaine de Senon (karst); 3: downstream station (mixing of waters); 4: loss 2 (runoff on clays); 5: discharge of the upstream gauging station (site C). B: Spatial variation of electrical conductivity values (at 25°C in µS/cm) during a recession limb period (01/08/2011 at 5 p.m). 1: emergence or epikarstic supply; 2: karstic emergence; 3: mixing waters; 4: runoff on clays.

4. Le fonctionnement hydro-sédimentaire

4.1. Les types d’écoulement

14En première approximation, l'examen de la variabilité spatiale de la conductivité aux différents points de mesure (fig. 6B) lors du prélèvement du 8 janvier 2011 (qui correspond à une phase de décrue) permet l'identification de quatre types d'eau en fonction de leur origine spatiale : (i) les eaux les plus minéralisées se rencontrent aux émergences situées en position haute sur le plateau calcaire oriental. L'interprétation de Gamez et Hall (1991) sur l'origine épikarstique de ces eaux se confirme, avec un long temps de contact avec la roche, dans la tranche superficielle très perméable du calcaire bathonien. Des valeurs de conductivité tout aussi fortes se mesurent dans les puits du village de Senon qui servent de regards sur la nappe phréatique de ce même aquifère ; (ii) Les eaux karstiques issues de la Fontaine de Senon, des bouillons de Boutésaulx et de Varmonlieu sont caractérisées par une conductivité moyenne (350-400 µS/cm). Cela traduit a priori des circulations souterraines assez rapides, de telle sorte que la minéralisation n'a pas le temps de s'opérer considérablement ; (iii) le ruisseau de Boutésaulx montre une conductivité un peu plus forte qu'aux sources karstiques, conséquence probable d’un mélange d'eaux de subsurface et souterraine. En effet, le cours d'eau est alimenté par les écoulements hypodermiques des drains agricoles, pour lesquels la conductivité varie autour de 400 µS/cm mais aussi par l'épikarst et le karst plus structuré précités ; (iv) les eaux de ruissellement sur les argiles, qui aboutissent aux pertes karstiques ou directement dans l'étang, se distinguent très nettement par des valeurs de conductivité extrêmement basses (< 100 µS/cm).

15Par ailleurs, les nombreux relevés de conductivité électrique effectués au cours du temps (fig. 6A) font ressortir trois faits complémentaires des interprétations précédentes : (i) une minéralisation croissante, au cours du printemps et de l'été, des émergences et cours d'eau pérennes, ce qui traduit une alimentation par vidange de l'aquifère bathonien ; (ii) une minéralisation qui est toujours très proche, en dehors des épisodes de crue, pour la Fontaine de Senon, le ruisseau de Boutésaulx et l'affluent (cartouche de la figure 2 : cet affluent est principalement alimenté par un drain temporaire en provenance de Senon et secondairement par les bouillons de Boutésaulx) ; (iii) une chute de conductivité constatée à chaque crue, pour chaque site de mesure, ce qui a déjà été observé et expliqué par ailleurs (Corbonnois, 1998). Plus précisément, selon le type de crue, l'épikarst (affluent), le karst (Fontaine) et le ruisseau (station aval, site F) ne semblent pas réagir de la même façon. Lors des grosses crues hivernales, l'épikarst présente une diminution de conductivité qui est la plus faible enregistrée, tandis que la chute est la plus forte pour le ruisseau de Boutésaulx : c'est la conséquence du rôle tampon du domaine épikarstique vis-à-vis des apports en eau météorique peu minéralisée, au contraire du milieu superficiel très réactif au ruissellement, ce qui entraîne une dilution temporaire mais marquée de la charge dissoute. À l'occasion des petites crues de printemps, les diminutions sont plus importantes et il semblerait que la baisse de conductivité affecte davantage l'épikarst et moins le ruisseau, les différences étant toutefois moins flagrantes qu'en hiver. On peut interpréter ces phénomènes par le fait qu'à cette saison, l'alimentation par la nappe bathonienne faiblit régulièrement et que le moindre ruissellement apporte proportionnellement une quantité d'eau importante, diluant considérablement le volume d'eau qui sourd. Cet effet est un peu moins sensible pour les volumes écoulés les plus forts, c'est-à-dire dans le ruisseau à la station aval (site F). Le karst « profond » présente une position plus variable dans chacune des situations hydrologiques, ce qui résulte d'un fonctionnement bimodal, tantôt par la perméabilité en grand du karst, tantôt par la vidange plus inertielle des réservoirs matriciels moins perméables.

16Dans l'optique de l'interprétation des mesures de MES, 3 types d’écoulement au fonctionnement bien distinct sont identifiés : le ruissellement sur argiles, les écoulements épikarstiques et les écoulements des sources karstiques. Le ruisseau de Boutésaulx est considéré de manière particulière car il intègre les variables des trois types d’écoulement déterminés.

4.2. Variabilité spatiale et temporelle des MES

17Le comportement hydro-sédimentaire associé aux différents types d’écoulement, y compris les mélanges d'eau aux stations hydrométriques, est apprécié ponctuellement à travers deux campagnes d'échantillonnages automatiques et manuels. La première et plus importante campagne encadre l'épisode de crues du 6 au 17 janvier 2011, avec notamment un suivi d'une dizaine de points dont le but est d'effectuer des comparaisons de teneurs entre sites. Les présentations graphique (fig. 7A) et cartographique (fig. 7B) des teneurs des points sélectionnés pour la phase de décrue permettent de mettre en évidence, tout d'abord, un rythme très voisin de la teneur en MES aux deux stations. Ensuite, aux autres points de contrôle, les prélèvements ponctuels se répartissent selon trois classes : (i) celle dont les teneurs en MES sont plus élevées qu'aux stations, à la source karstique de la Fontaine de Senon et aux drains agricoles de Pinauloup ; (ii) celle dont les teneurs sont semblables, pour le ruisseau de Boutésaulx à l'amont de la confluence de la station amont (site C, fig. 2 ; ruisseau qui rassemble un mélange d'eaux variées) ; (iii) celle dont les teneurs sont plus faibles, au niveau des pertes 1 et 2 et des cours d'eau issus des Grand et Petit Commun (ruissellements sur argiles), de la source busée de Pinauloup et de l'affluent de la station amont (sites C ; origines épikarstiques exclusives ou prépondérantes).

Fig. 7 – Variabilité des MES dans le temps et dans l’espace lors de l'épisode de crue de janvier 2011.
Fig. 7 – Spatial and temporal variations of the SPM during the flood event of January 2011.

Fig. 7 – Variabilité des MES dans le temps et dans l’espace lors de l'épisode de crue de janvier 2011. Fig. 7 – Spatial and temporal variations of the SPM during the flood event of January 2011.

A : Variabilité dans le temps de la teneur (T) en MES (mg/l) et comparaison au débit à la station amont (site C). 1 : Fontaine de Senon ; 2 : station amont ; 3 : station aval ; 4 : perte 2 ; 5 : débit de la station amont (site C). B : Variabilité dans l'espace de la teneur en MES (mg/l, valeurs moyennes sur 1 à 3 prélèvements au cours de la journée) le 8/01/2011. 1 : émergence karstique ou drain agricole (T > 65) ; 2 : mélanges d'eaux (30 < T < 55) ; 3 : ruissellement sur les argiles ou alimentation épikarstique (10 < T < 20).
A: Temporal variation of SPM (mg/l) content (T), compared with the discharge of the upstream station (site C). 1: Fontaine de Senon (karst); 2: upstream station; 3: downstream station; 4: loss 2; 5: discharge of the upstream gauging station (site C). B: Spatial variation of SPM (mg/l) content (T, mean values ​​of 1-3 samples during the day), the 01/08/2011. 1: karstic spring or agricultural drain (T > 65); 2: mixing waters (30 < T < 55); 3: runoff on clays or epikarstic supply (10 < T < 20).

18La seconde campagne ponctuelle (fig. 8), centrée sur l'épisode de crue du 28 février 2010, concerne uniquement deux points de mesure : la perte 2 et la station aval (site F, fig. 2). À partir des rythmes de passage des MES, il ressort que le pic de teneur en MES est bien plus élevé à la perte 2 qu'à la station aval (site F ; 1 000 mg/l contre 600), mais les valeurs chutent plus fortement à la perte qu'à la station pendant la décrue. On retrouve alors à la perte 2 les faibles teneurs enregistrées en décrue et tarissement lors de la chronique du 6-17 janvier 2011. En termes de charge sédimentaire, une quantité de MES bien plus importante doit passer à la station aval (site F), où le débit dépasse largement celui de la perte 2.

Fig. 8 – Variabilité des teneurs en MES (mg/l) lors de l'épisode de crue du 28/02/2010.
Fig. 8Variation of SPM (mg/l) content (T) during the flood event of 02/28/2010.

Fig. 8 – Variabilité des teneurs en MES (mg/l) lors de l'épisode de crue du 28/02/2010. Fig. 8 – Variation of SPM (mg/l) content (T) during the flood event of 02/28/2010.

1 : perte 2 ; 2 : station aval ; 3 : débit de la station amont (site C).
1: loss 2; 2: downstream station; 3: discharge of the upstream gauging station (site C).

19Au total, les quatre types d’écoulement définis par la minéralisation renvoient à des schémas fonctionnels différents en ce qui concerne les MES. Le ruissellement sur argiles provoque des chasses sédimentaires brutales au moment des crues, tandis que les décrues et tarissements se caractérisent par des transits faibles de particules. D'après le cas de la Fontaine de Senon, il apparaît que les sources karstiques restituent les chasses sédimentaires aux pertes de façon étalée dans le temps, ce qui produit des pics moins forts de teneurs en MES, mais des valeurs qui restent élevées pendant les décrues (un décalage temporel existe naturellement aussi entre les pics respectifs). Pour les apports épikarstiques, on peut formuler l'hypothèse que les teneurs en MES augmentent légèrement au cours des crues, mais elles semblent chuter rapidement à la décrue. Le drainage artificiel doit cependant accentuer nettement l'évacuation des particules lessivées par les infiltrations et donc modifier le fonctionnement tamponné de l'épikarst non anthropisé. Enfin, le ruisseau de Boutésaulx combine les apports variés précédents et montre ainsi des pics de teneurs de MES moyens lors des crues, suivis de décroissances plus lentes que pour le ruissellement, soutenues qu'elles sont par les contributions souterraines.

4.3. Le bilan des MES : masse et origine

20Le calcul de la charge de MES passée à la station amont (site C, fig. 2) pendant les 2 cycles hydrologiques (octobre 2010 à septembre 2012) donne le résultat suivant: M' = 103 t (M = 93 t ; tab. 1). L'essentiel de cette charge sédimentaire a été exporté lors des décrues : M'décrues = 60 t environ, soit 58 % de la quantité totale pour 161 jours. Les montées de crues et les phases de bas débits représentent respectivement 30 et 540 jours (pour 41,7 % et 0,3 % des quantités totales) mais lors des périodes estivales (290 jours lors des deux cycles hydrologiques), on constate un assèchement complet du ruisseau de Boutésaulx à la station amont (site C) et donc une absence de transports sédimentaires. Malgré la courte période d'étude, il est utile de déterminer la charge spécifique, qui permet des comparaisons avec d'autres bassins versants, sur les deux cycles hydrologiques : Ms' = 7,7 t/km²/an (Ms = 7 t/km²/an).

Tab. 1 – Exportations sédimentaires à la station amont (site C).
Tab. 1 – Sedimentary exports at the upstream station (site C).

Tab. 1 – Exportations sédimentaires à la station amont (site C). Tab. 1 – Sedimentary exports at the upstream station (site C).

21Sur cette même période, les calculs donnent pour la station aval (site F, fig. 2) : M' = 177 t (M = 164 t), soit une charge minérale évacuée en suspension de 13 t/km²/an (ou 12 t/km²/an sans la correction) pour les deux années hydrologiques considérées (tab. 2). Une grande partie de cette charge sédimentaire a été exporté lors des décrues : M'décrues = 85 t environ, soit 48 % de la quantité totale pour seulement 89 jours. Les montées de crues et les phases de bas débits représentent respectivement 30 et 612 jours (pour 45 % et 7 % des quantités totales). En considérant une masse volumique des sédiments de 1 700 kg/m³ (Techno-Science.net, 2011), le volume de MES ayant transité lors des deux cycles hydrologiques correspond à 104 m³. Rapporté à la surface d'envasement potentiel de l'étang (cornée nord de Senon, jusqu'à la digue), estimée à 0,3 km², ce volume correspond à une lame de sédiments de 3,5 mm (intervalle de confiance à 70 % [2,3-5,5]).

Tab. 2 – Exportations sédimentaires à la station aval (site F).
Tab. 2 – Sedimentary exports at the downsteam station (site F).

Tab. 2 – Exportations sédimentaires à la station aval (site F). Tab. 2 – Sedimentary exports at the downsteam station (site F).

22Sur les deux cycles hydrologiques, la station aval (site F) a vu passer 1,8 fois plus de MES que la station amont (site C). Cette différence s'explique par un contributeur hydrosédimentaire unique entre les deux stations : la Fontaine de Senon. La signature hydrochimique, par conductivité, de cette émergence majeure semble révélatrice d'un fonctionnement karstique en milieu souterrain correctement structuré ; ceci implique des circulations rapides et hiérarchisées en phase de crue depuis les pertes. Or, les calculs ont amené à estimer que les crues (montée de crue et décrue) ont évacué près de 95 % des MES, pour seulement 15 % du temps de mesure (30 jours de montée de crue, 89 jours de décrue pour une période de 731 jours). Par conséquent, il est fort probable que l'essentiel des 75 t de MES supplémentaires exportées à la station aval par rapport à la station amont (site C), provienne indirectement des collines argileuses drainées par les pertes concentrées. Cette interprétation est en accord avec le constat que les pertes absorbent des MES dont les teneurs sont importantes en crue. Ces sédiments fins se retrouvent dans le milieu souterrain et sont ensuite évacués petit à petit, à chaque intumescence de la « nappe » bathonienne. On peut considérer que les terrains couverts de forêt participent à plus de 40 % de la charge en MES qui aboutit dans l'étang, via le karst. Or, la zone forestière drainée par les pertes concentrées correspond à seulement 18 % de la superficie du bassin du ruisseau de Boutésaulx. L'explication principale doit probablement être cherchée dans la valeur des pentes qui composent le nord-ouest du bassin versant. Cependant, ces estimations, basées sur la différence de charge entre station amont (site C) et aval, ne pourraient être confirmées, voire affinées, que par des mesures sur plusieurs années consécutives. En effet, on vient de voir que l'endokarst peut jouer un rôle de stockage sédimentaire, dont la vidange dépend des conditions climatiques. L'influence des champs cultivés n'a pour sa part pas pu être quantifiée. Les quelques analyses disponibles à l'aval des drains et fossés agricoles ont montré des teneurs en MES suffisamment disparates pour imposer des mesures complémentaires avant toute conclusion plus affirmée.

5. Conclusion

23Ces travaux de recherche expérimentaux mettent en exergue le rôle du karst dans le transport sédimentaire en contexte de contact lithostratigraphique et de bas plateau. Il a ainsi été montré que les vides souterrains connectent rapidement les surfaces pentues et boisées, principales pourvoyeuses de sédiments, à l'étang d'Amel. Ces transports de sédiments par le souterrain s'observent principalement lors des crues, notamment celles qui se produisent en saison froide. Toutefois, la corrélation entre l'importance des crues et le volume de MES exportées n'est pas toujours établie ; les petites crues d'automne ou de printemps peuvent s'avérer proportionnellement plus érosives que les grosses crues hivernales. Le type et la nature des précipitations, le niveau du stock hydrologique dans le bassin et les caractéristiques biogéographiques sont autant de paramètres qui se combinent pour expliquer la variabilité des teneurs en MES dans le ruisseau de Boutésaulx. Suite à ces premiers résultats, il conviendra d'affiner la connaissance de l'origine géographique des sédiments, en multipliant les sites de prélèvements en forêt, ainsi qu'au droit de drains agricoles, insuffisamment appréhendés. Ces investigations supplémentaires, couplées à la poursuite des mesures aux stations, permettront alors d'envisager des actions de réduction de l'érosion.

24D'un point de vue quantitatif, il a été calculé qu'une masse de MES de 177 t est venue sédimenter dans l'étang pendant les deux années suivies. Cela correspond à une lame solide d'environ 3,5 mm qui vient colmater la moitié nord de l'étang. Cette valeur n'est naturellement pas extrapolable en l'état sur un temps plus long, d'autant que les deux cycles se sont révélés correspondre à une pluviosité plutôt indigente. Malgré la faible durée de la période d’investigation, il apparaît que le volume de MES arrivant à l'étang par le ruisseau de Boutésaulx peut être évalué à environ 50 m³/an. On est loin des 1 300 m³/an obtenus par l'étude diachronique des variations bathymétriques entre 1866 et 2001 (Durcik, 2005 in Richard et Bernard, 2008). Les apports en MES au niveau du Grand Puits et des émergences voisines dans l'étang ne permettraient assurément pas d'atteindre une telle valeur ; la Fontaine de Senon ne fournit elle-même qu'environ 20 m³/an. Cette importante différence doit avant tout s'expliquer par les périodes de mesures incomparables : les deux années d'analyse hydro-sédimentaire ne peuvent être mises sur le même plan que les 135 ans de l'étude diachronique, pendant lesquels le bassin versant a connu des activités humaines fort variables et notamment d'intenses bouleversements des terrains pendant la guerre de 1914-1918 (le secteur se situe dans la zone de front principale du conflit).

25Enfin, les valeurs de charge en MES calculées s'accordent assez bien avec une précédente étude dans la région. Dans un contexte géomorphologique assez semblable, Gamez (1985, 1995) a évalué que la dégradation spécifique dans le bassin versant de la Damusse était comprise entre 19 t/km²/an (mesures par prélèvements manuels en 1978 et 1979) et 46 t/km²/an lors d'années plus humides (mesures par prélèvements automatiques sur 6 ans, de 1984-85 à 1989-90). À titre de comparaison, à la station aval (site F), les valeurs non corrigées de dégradation spécifique, sont respectivement de 11 t/km²/an pour le cycle « sec » 2010/2011 et 14 t/km²/an pour le cycle 2011/2012, plus humide.

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Annexe

Abridged English version

The catchment of the pond of Amel (Meuse, France) is located at the boundary between two very different and characteristic environments of the sedimentary Lorraine. Thus, the basin of this stretch of water is shared between a clayey depression from which some hills in the west emerge and a tilted limestone plateau in the east (fig. 1). The flat bottom, that is the boundary between these two types of environments, is a lithostratigraphic contact area. This lithological duality induces a binary supply (Gamez et al., 1979; Gamez, 1995; Jaillet, 2000; Devos, 2010) of the pond by concentrated losses and karstic springs in the contact area and runoff on clay. Of course, the hydric complexity of the catchment (Gamez, 1992-1993) has consequences on the transport and deposits of sediments in the pond. In this research, we investigate the pathways of suspended particulate matter (SPM, fig. 2) as well as transport rates and volumes deposited in the pond.

The field data are based on recent measurements (two water years, 2010/2011 and 2011/2012) and are of two types. Continuous data which are discharge series (fig. 3) estimated from two gauging stations installed on the brook of Boutésaulx situated from some hundred meters apart. Moreover, by using SPM targeted samplings assessed at the two gauging stations, fittings are proposed between solid and liquid flow rates (fig. 5) according to three phases (rising limb, recession limb, baseflow period) and allow to estimate continuously sediment load that passes through the brook of Boutésaulx and clogs the pond. Discrete data which are the electric conductivities and the solid loads estimated on various hydro-sedimentary contributors of the pond

At first, by referring to the punctual measures, the spatial and temporal variabilities of the sediments transport are estimated. The electrical conductivity measurements, considered as a representative variable of different types of water (Bakalowicz, 1977; Liñán-Baena et al., 2008), allow the identification of 3 types of chemically well-defined water and consequently the recognition of three different origins (fig. 6). In the catchment, we make out the very weakly mineralized runoff water, the moderately mineralized karstic water, the highly mineralized epikarstic water and finally the brook of Boutésaulx that can be considered as a fourth type because it integrates the three previous ones. The discrete SPM samplings (fig. 7 and fig. 8) are used to associate a sedimentary behavior to the four previously defined flow types. The runoff on clays triggers brutal sediment flushing during rising limb, whereas recession limbs and low water periods experience low transits of particles. The karst springs restore sedimentary flushing to the losses over long periods, which generates less strong peak levels of SPM, but that values remain high during recession limbs. For the epikarst contribution, the contents of SPM increase slightly during rising limbs, but they seem to drop rapidly during recession limbs. Finally, the brook of Boutésaulx combines the various previous contributions and thus shows moderate peaks of SPM during rising limbs, followed by a slower decreasing than for the runoff because they are supported by groundwater contributions. Secondly, by referring to the continuous data, the mass and the origin of the deposits are assessed. Sediment loads are estimated at 103 t for the upstream station (tab. 1) and 177 t for the downstream station (tab. 2) i.e. a clogging of 3.5 mm of the northern part of the pond during the two hydrological years followed. Besides, the downstream station recorded a solid charge which was 1.8 times higher than the one recorded by the upstream station. The drainage area ratio between the two nested catchments being considered as insignificant (between 1.01 and 1.02), this difference can be explained by a single and fundamental hydrosedimentary contributor, between the two gauging stations: the Fountain de Senon, whose karstic supply comes from the northern lands of the catchment (about 1.2 km² drained by the concentrated losses). The hydrochemical signature of this major emergence obtained through conductivity measurements is representative of a correctly structured subsurface karst: this means that the circulations from the losses are fairly rapid during floods. At present, the calculations led to believe that the floods have evacuated more than 95% of the SPM, for only 15% of the measurement time. Therefore, it is very likely that most of the 75 t of additional SPM exported to the downstream station in comparison with the upstream station comes indirectly from the clayey hills drained by the concentrated losses. These thin sediments are found in the subsurface and are then gradually discharged during each swelling of the Bathonian water table. As far as the land use is concerned, we can consider that the lands covered by forests contribute to almost 40% of the SPM clogging the pond through the karst. However, this area corresponds to only 18% of the catchment. The high hydrosedimentary implication of this zone must probably be due to its steep slopes.

Finally, to assess the validity and the representativity of those results, we compared the Amel catchment erosion rates with the ones obtained in a rather similar geomorphological context. In the Damusse catchment which has a little more marked relief than the one of Amel, Gamez (1985, 1995) found specific degradation values between 19 t.km-2.year-1 and 46 t.km-2.year-1 during more humid years. At the downstream station, we found values between 11 t/km2/year for the "dry" 2010/2011 cycle and 14 t/km2/year for the wetter 2011/2012 cycle.

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Titre Fig. 1 – Le bassin versant de l’étang d’Amel: localisation et caractéristiques hydro-géomorphologiques. Fig. 1 – The catchment of the Amel pond: location and hydrogeomorphological characteristics.
Légende 1 : Dalle d'Etain (calcaire du Bathonien) ; 2 : Argiles de la Woëvre (Callovien) ; 3 : point coté (m) ; 4 : bassin versant de l'étang ; 5 : cours d'eau pérenne ; 6 : cours d'eau temporaire (fossé) ; 7 : ruissellement en drain temporaire ; 8 : doline-perte ; 9 : gouffre-perte ; 10 : gouffre ; 11 : source ; 12 : traçage artificiel (Gamez et Hall, 1991) ; 13 : étang et sa roselière ; 14 : village ; A à E : pertes 1 à 5 des Clairs Chênes ; F à H : sources de Pinauloup, Flamavaux et la Raiche ; I et J : bouillons de Varmonlieu et de Boutésaulx ; K : Fontaine de Senon ; L : émergence des Grand Puits et Petit Puits.1: Dalle d'Etain (limestone of Bathonien); 2: Argiles de la Woëvre (Callovien); 3: spot height (in m); 4: catchment of the pond; 5: perennial stream; 6: temporary stream (drainage ditch); 7: runoff in temporary drain; 8: doline-loss; 9: sinkhole-loss; 10: sinkhole; 11: spring; 12: tracer test (according to Gamez and Hall, 1991); 13: pond and its reed bed; 14: village; A to E: losses 1,2,3,4,5 of the Clairs Chênes; F to H: springs of Pinauloup, Flamavaux and Raiche; I and J: bouillons of Varmonlieu and Boutésaulx; K: Fontaine de Senon; L: emergence of Grand Puits and Petit Puits.
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Titre Fig. 2 – Le bassin versant de l’étang d’Amel: occupation du sol et réseau de mesure. Fig. 2 – The catchment of the Amel pond: land cover and monitoring network.
Légende 1 : champs cultivés ; 2 : forêt ; 3 : prairie ; 4 : village ; 5 : étang ; 6 : marais (roselière) ; 7 : point coté (m) ; 8 : bassin versant supposé de l'étang ; 9 : cours d'eau/drain (indifférenciés) ; 10 : perte ; 11 : source ; 12 : station hydrométrique ; 13 : pluviomètre ; 14 : site de prélèvement sédimentaire et/ou de mesure de conductivité électrique ; 15 : bassin topographique contrôlé par la station amont (site C) ; 16 : bassin topographique contrôlé par la station aval (site F) ; 17 : bassin topographique drainé par les pertes et gouffres.1: Cultivated fields; 2: forest; 3: grassland; 4: village; 5: pond; 6: marsh (reed bed); 7: spot height (in m); 8: catchment of the pond; 9: stream/drain (undifferentiated); 10: loss; 11: spring; 12: gauging station; 13: rain gauge; 14: site of sedimentary sampling and/or measure of electric conductivity; 15: topographic catchment monitored by the upstream station (site C); 16: topographic catchment monitored by the downstream station; 17: topographic catchment drained by the losses and the sinkholes.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10917/img-2.jpg
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Titre Fig. 3 – Données hydroclimatiques et phases de prélèvements sédimentaires. Fig. 3 – Hydroclimatic data and periods of sedimentary samplings.
Légende A : Hydrogramme et classification des prélèvements de MES en fonction du débit liquide à la station amont (site C). 1 : débit de la station amont (site C) ; 2 : montée de crue ; 3 : décrue ; 4 : phase de bas débits. Période septembre 2009/avril 2013. B : Hydrogramme et classification des prélèvements de MES en fonction du débit liquide à la station aval (site F). 5 : débit de la station aval (site F) ; 6 : montée de crue ; 7 : décrue ; 8 : phase de bas débits. Période septembre 2009/avril 2013. C : Hyétogramme des stations de Bonzée et d'Amel. Période septembre 2009/avril 2013.A: Hydrograph and classification of the SPM samplings according to the liquid flow rate in the upstream station (site C). 1: discharge of the upstream gauging station (site C); 2: rising limb; 3: recession limb; 4: low-water period. Period September 2009/April 2013. B: Hydrograph and classification of the SPM samplings according to the liquid flow rate in the downstream station (site F). 5: discharge of the downstream gauging station (site F); 6: rising limb; 7: recession limb; 8: low-water period. Period September 2009/April 2013. C: Hyetograph of the rainfall stations of Bonzée and Amel. Period September 2009/April 2013.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10917/img-3.jpg
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Titre Fig. 4 – Ajustement statistique à une loi normale des précipitations de la station climatique de Metz-Frescaty (période 1971-2012). Fig. 4 - Statistical adjustment to a normal distribution of rainfall totals of the meteorological station of Metz-Frescaty (period 1971-2012).
Légende 1 : Cumul annuel (septembre/août) ; 2 : loi normale ; 3 : intervalle de confiance (95 %).1: Annual rainfall total (September/August); 2: normal distribution fit; 3: confidence interval (95%).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10917/img-4.jpg
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Titre Fig. 5 – Corrélation entre débits solides et débits liquides aux stations amont (site C) et aval (site F), selon les différentes phases hydrologiques.Fig. 5 - Correlation between solid and liquid flows in the upstream and downstream stations, according to the different hydrological phases.
Légende A : Station amont (site C). B : Station aval (site F). C : Equations de régression utilisées pour les trois phases hydrologiques. 1 : montée de crue ; 2 : décrue ; 3 : phase de bas débits. A: Upstream gauging station (site C). B: Downstream gauging station (site F). C: Regression equations used for the three hydrological phases. 1: rising limb; 2: recession limb; 3: baseflow period.
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Titre Fig. 6 – Variation de la minéralisation dans le temps et dans l’espace. Période janvier 2011-juin 2011. Fig. 6 – Spatial and temporal variations of mineralization (January 2011-June 2011).
Légende A : Evolution de la conductivité électrique (à 25°C en µS/cm) et du débit à la station amont (site C). Relevés de conductivités électriques (à 25°C en µS/cm) sur une période de quelques mois. 1 : Affluent (épikarst) ; 2 : Fontaine de Senon (karst) ; 3 : station aval (mélange d’eaux) ; 4 : perte 2 (ruissellement sur les argiles) ; 5 : débit de la station amont (site C). B : Variation spatiale des valeurs de conductivité électrique (à 25°C en µS/cm) en phase de décrue, le 8/01/2011 vers 17 h. 1 : émergence ou alimentation épikarstique ; 2 : émergence karstique ; 3 : mélange d'eaux ; 4 : ruissellement sur les argiles.A: Temporal variations of electrical conductivity vs the discharge of the upstream station (site C). Electrical conductivity samplings (at 25°C in µS/cm) over a period of a few months. 1: Affluent (epikarst); 2: Fontaine de Senon (karst); 3: downstream station (mixing of waters); 4: loss 2 (runoff on clays); 5: discharge of the upstream gauging station (site C). B: Spatial variation of electrical conductivity values (at 25°C in µS/cm) during a recession limb period (01/08/2011 at 5 p.m). 1: emergence or epikarstic supply; 2: karstic emergence; 3: mixing waters; 4: runoff on clays.
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Titre Fig. 7 – Variabilité des MES dans le temps et dans l’espace lors de l'épisode de crue de janvier 2011. Fig. 7 – Spatial and temporal variations of the SPM during the flood event of January 2011.
Légende A : Variabilité dans le temps de la teneur (T) en MES (mg/l) et comparaison au débit à la station amont (site C). 1 : Fontaine de Senon ; 2 : station amont ; 3 : station aval ; 4 : perte 2 ; 5 : débit de la station amont (site C). B : Variabilité dans l'espace de la teneur en MES (mg/l, valeurs moyennes sur 1 à 3 prélèvements au cours de la journée) le 8/01/2011. 1 : émergence karstique ou drain agricole (T > 65) ; 2 : mélanges d'eaux (30 < T < 55) ; 3 : ruissellement sur les argiles ou alimentation épikarstique (10 < T < 20). A: Temporal variation of SPM (mg/l) content (T), compared with the discharge of the upstream station (site C). 1: Fontaine de Senon (karst); 2: upstream station; 3: downstream station; 4: loss 2; 5: discharge of the upstream gauging station (site C). B: Spatial variation of SPM (mg/l) content (T, mean values ​​of 1-3 samples during the day), the 01/08/2011. 1: karstic spring or agricultural drain (T > 65); 2: mixing waters (30 < T < 55); 3: runoff on clays or epikarstic supply (10 < T < 20).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10917/img-7.jpg
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Titre Fig. 8 – Variabilité des teneurs en MES (mg/l) lors de l'épisode de crue du 28/02/2010. Fig. 8Variation of SPM (mg/l) content (T) during the flood event of 02/28/2010.
Légende 1 : perte 2 ; 2 : station aval ; 3 : débit de la station amont (site C). 1: loss 2; 2: downstream station; 3: discharge of the upstream gauging station (site C).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10917/img-8.jpg
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Titre Tab. 1 – Exportations sédimentaires à la station amont (site C). Tab. 1 – Sedimentary exports at the upstream station (site C).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10917/img-9.jpg
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Titre Tab. 2 – Exportations sédimentaires à la station aval (site F). Tab. 2 – Sedimentary exports at the downsteam station (site F).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10917/img-10.jpg
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Pour citer cet article

Référence papier

Vincent Fister, Benoît Losson, Luc Manceau, Sébastien Lebaut, Pascale Richard et Mylène Tollié, « L'hydrosystème de l'étang d'Amel (Meuse, France) : fonctionnement hydro-sédimentaire d'un petit bassin karstique et évaluation de l'érosion », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 21 – n° 2 | 2015, 101-114.

Référence électronique

Vincent Fister, Benoît Losson, Luc Manceau, Sébastien Lebaut, Pascale Richard et Mylène Tollié, « L'hydrosystème de l'étang d'Amel (Meuse, France) : fonctionnement hydro-sédimentaire d'un petit bassin karstique et évaluation de l'érosion », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 21 – n° 2 | 2015, mis en ligne le 01 janvier 2016, consulté le 23 mai 2017. URL : http://geomorphologie.revues.org/10917 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.10917

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Auteurs

Vincent Fister

LOTERR – UFR SHA – Ile du Saulcy – BP 30309 – 57006 Metz cedex 1 – France (vincent.fister@univ-lorraine.fr). Tél. : 33 (0)3 87 31 59 86 ; Fax : 33 (0)3 87 31 52 55.

Benoît Losson

LOTERR – UFR SHA – Ile du Saulcy – BP 30309 – 57006 Metz cedex 1 – France (benoit.losson@univ-lorraine.fr).

Articles du même auteur

Luc Manceau

LOTERR – UFR SHA – Ile du Saulcy – BP 30309 – 57006 Metz cedex 1 – France (luc.manceau@univ-lorraine.fr).

Sébastien Lebaut

LOTERR – UFR SHA – Ile du Saulcy – BP 30309 – 57006 Metz cedex 1 – France (sebastien.lebaut@univ-lorraine.fr).

Pascale Richard

Conservatoire d'espaces naturels de Lorraine – 3 rue Robert Schuman – 57400 Sarrebourg (p.richard@cren-lorraine.fr).

Mylène Tollié

Conservatoire d'espaces naturels de Lorraine – 3 rue Robert Schuman – 57400 Sarrebourg (m.tollie@cren-lorraine.fr).

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Droits d’auteur

© Groupe français de géomorphologie

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