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Le rôle des aménagements sur la réponse topo-sédimentaire d’un cours d’eau à différents événements hydrologiques, la Loire moyenne

Influence of fluvial engineering works and topo-sedimentary response at different hydrological events, the middle Loire River
Fouzi Nabet, Stéphane Grivel et Emmanuèle Gautier
p. 211-225

Résumés

La dynamique fluviale de la Loire est influencée par deux principaux facteurs : les changements hydro-climatiques et les pressions anthropiques. Ces derniers sont à l’origine de l’incision du lit et de la rétraction de la bande active. La question fondamentale portant sur la réponse géomorphologique locale du plancher alluvial suite à ces perturbations est abordée à travers l’étude de trois sites en Loire moyenne. Le degré d’influence anthropique varie d’un site à un autre. L’objectif de cet article est d’étudier les interactions entre la dynamique hydro-sédimentaire et les aménagements fluviaux. Les événements hydrologiques étudiés sont les crues de récurrence annuelle et quinquennale. Les résultats obtenus soulignent l’influence des seuils durs artificiels (fondations de pont, anciens quais et chevrettes) sur l’évolution morpho-sédimentaire du plancher alluvial. La réponse géomorphologique constatée suite au passage d'une crue quinquennale (2260 m³.s-¹) sur les trois sites est différente. Cette crue, survenue en novembre 2008, a engendré sur les sites fortement anthropisés un rehaussement temporaire du fond du lit. Une érosion post crue s’est produite au sein des trois sites mais à des rythmes différents.

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Notes de la rédaction

Soumis le 5 avril 2014, accepté le 29 janvier 2016.

Texte intégral

1. Introduction

1Les connaissances sur le transport solide et l’hydrologie des cours d’eau français n’ont eu de cesse de s’améliorer. Cependant, les processus hydro-sédimentaires restent encore complexes à cerner même sur les hydrosystèmes fluviaux étudiés comme la Loire. Les études concernant les sédiments de la Loire ont connu une évolution qu’on peut mettre en relation avec les rapports d’usages entre les sociétés riveraines et l’espace fluvial. Les nombreux travaux réalisés au XVIIIe siècle et au cours de la deuxième moitié du XIXe siècle avaient pour objectif l’amélioration des conditions de navigation (Temam, 2012).
Des ingénieurs comme Comoy (1868) ont réalisé, grâce aux observations et relevés sur le terrain, des rapports portant sur la description des sédiments du lit (taille), la typologie des faciès des grèves et leur vitesse de déplacement qu’on appelait alors « la marche des grèves ». G. Comoy estime la vitesse de déplacement des grèves entre le Bec d’Allier et Orléans à 2,05 km/an, soit 5 à 6 m/jour (Brossé, 1982). L’étude de l’évolution spatiale de la charge solide au sein du lit permet à ces ingénieurs de distinguer les chenaux ayant un tirant d’eau suffisant pour le déplacement des bateaux. La période des travaux des ingénieurs se termine avec le déclin de la navigation sur la Loire. Les études réalisées au cours de la première moitié du XXe siècle sont peu nombreuses. Elles s’intéressent plus à la genèse des terrasses alluviales (Denizot, 1914 ; Chaput, 1917). On passe, en un siècle, d’un objectif de gestion par les travaux des ingénieurs à des études visant la compréhension de la mise en place du stock sédimentaire.
La deuxième partie du XXe siècle est marquée par des progrès dans le domaine de la sédimentologie (minéralogie, morphoscopie et transport solide), ce qui a donné un nouvel élan aux travaux de recherche abordant des sujets variés : la dynamique fluviale de la Loire et le transport solide (Babonaux, 1970), les processus sédimentaires (Brossé, 1982), l’effet de la végétation sur les processus de sédimentation (Berthois, 1959 ; Couderc, 1967 ; Rodrigues, 2004 ; Grivel, 2008 ; Claude, 2012 ; Nabet, 2013 ; Macaire et al., 2013). Malgré leur pertinence, ces différents travaux n’apportent pas toutes les informations concernant la dynamique morpho-sédimentaire de la Loire et l’impact du forçage anthropique (transport solide, budget sédimentaire, impact de la végétation et des ouvrage fluviaux sur la morphologie du lit…). Ce déficit de connaissance est dû au nombre réduit de travaux de recherche, que ce soit à l’échelle de la Loire ou de l’unité fonctionnelle. Ce constat met en évidence la nécessité de multiplier les études à différentes échelles spatio-temporelles afin d’acquérir des données récentes et d’effectuer un suivi continu de ces espaces en perpétuelle évolution (Degoutte, 2012).

2Cet article propose de mettre en relation l’évolution spatiale de la dynamique sédimentaire, les conditions hydrologiques et l’emprise spatiale des aménagements fluviaux. L’étude porte sur des sites ligériens qui ont été inégalement affectés par la construction des ouvrages de navigation et par les extractions de sédiments en lit mineur. Confrontés à ces problèmes de fermeture de la bande active, d’incision du chenal principal et de piégeage des sédiments sur les berges, dans les îles et les bras secondaires, les gestionnaires cherchent à enrayer la dégradation du lit. On cherche donc à analyser les capacités d’auto-entretien du lit en fonction des conditions hydrologiques et géomorphologiques. L’objectif est de mettre en évidence l’impact des aménagements et de la variation des débits liquides sur la dynamique morpho-sédimentaire du plancher alluvial (2007-2011).

2. La Loire, un hydrosystème anthropisé

3Les espaces fluviaux ont été depuis fort longtemps le support physique des différentes activités humaines en offrant de nombreux avantages : itinéraires d'accès plus facile à travers les terrains montagneux et accidentés, approvisionnement en eau et fertilité des terres (Fitzpatrick et Knox, 2000).
Les conditions d’écoulement et le transit sédimentaire ont été profondément perturbés par l’action anthropique à l’échelle du bassin versant, du cours d’eau ou de l’unité fonctionnelle (Hooke, 2006 ; Harden, 2006). De nombreux auteurs placent les causes anthropiques au premier rang des facteurs de changement irréversible des systèmes fluviaux, (Cubizolle, 1994 ; Gautier et al., 2001 ; Garcin et al., 2006). Associées aux fluctuations climatiques, les actions anthropiques participent de façon significative à la métamorphose des formes fluviales. L’exemple de la Loire peut illustrer ces propos. La dynamique fluviale contemporaine de la Loire est fortement contrainte par différents aménagements qui se sont succédé depuis le IXe siècle (Garcin et al., 2006). Levées, barrages, épis et ponts ont contribué au forçage anthropique conduisant à la chenalisation (Brookes, 1988). L’aménagement de l’espace fluvial ligérien s’est accompagné d’une croissance démographique au cours du deuxième millénaire (Burnouf et Carcaud, 1999 ; Garcin et al., 2006). Les vals urbanisés de la Loire moyenne et océanique sont en grande partie isolés du fleuve du fait de la présence des levées insubmersibles pour les crues fréquentes et s’étendent sur des surfaces importantes (Val d’Orléans : environ 300 km² et 8 km de large ; Val d'Authion : environ 470 km² et 10 km de large ; Garcin et al., 2006). De nombreux ouvrages ont été conçus au sein du lit de la Loire afin d’améliorer les conditions de navigation. Aujourd’hui, si la navigation est quasi révolue depuis plus d’un siècle, les ouvrages fluviaux et les anciens ports de Loire sont toujours présents dans le lit fluvial, structurant un paysage fluvial qui, lui, a bien changé en ce laps de temps (Nabet, 2005 ; Grivel et Gautier, 2012 ). Levées, quais, duits, chevrettes et seuils rocheux imprègnent fortement les paysages fluviaux de la vallée de la Loire par leur omniprésence et leur intégration aux structures des villes ligériennes (anciennes cités portuaires). Dans les années 1980 et 1990, de grands barrages ont été réalisés pour répondre aux besoins des populations en eau et énergie et assurer le refroidissement des quatre centrales nucléaires installées le long du cours d’eau. La protection nécessaire des centrales s’appuie sur des seuils transversaux.
Ces différents aménagements pèsent sur la dynamique fluviale, ils constituent des éléments agissant en permanence sur les paramètres physiques et paysagers du cours d’eau.

4Si la majeure partie de ces aménagements est très visible, certains des ouvrages les plus anciens (quais, anciennes structures de pêcheries ou de pont), souvent enfouis sous les dépôts ou la végétation, subsistent toujours et participent à différents degrés à contraindre la dynamique fluviale.

5Le lien direct de cause à effet entre les aménagements et les réajustements morphologiques fluviaux, voire les métamorphoses fluviales, est loin d’être établi. Les causes des évolutions morphodynamiques des lits fluviaux sont multiples et les interactions entre les différents facteurs exerçant un contrôle sur les processus morphodynamiques au sein de l’hydrosystème sont complexes. Bien que le pas de temps de l'ajustement des cours d’eau ait été établi par Knighton (1998), il n'a pas toujours été possible de prédire les changements sur les formes fluviales du lit mineur (Gregory, 2006).

6Par ailleurs, avant d’analyser les implications de l’hydrologie, il convient de rappeler les principales caractéristiques hydrologiques au droit des sites étudiés en Loire moyenne. La Loire a un régime hydrologique très irrégulier de type pluvio-nival marqué par une influence océanique. Dans sa partie médiane, la Loire draine un substratum en grande partie perméable et ne reçoit aucun affluent important sur environ 300 km depuis le Bec d’Allier jusqu’à Tours où on enregistre un module brut de 370 m³.s-¹

7Les débits moyens mensuels de la Loire sont très variables d’une année à l’autre et présentent un double aspect de l’irrégularité : une variation des dates d’occurrence des maxima et des minima annuels d’une année à l’autre et l’irrégularité des débits moyens d’un même mois. Les moyennes mensuelles maximales surviennent à n’importe quel mois de la saison froide, il en va de même pour les moyennes mensuelles minimales de la saison chaude. Ce régime traduit la grande irrégularité des pluies sur le bassin versant (Dacharry, 1974). La fluctuation des débits est plus prononcée en période des hautes eaux, lors de la saison froide, que pendant les basses eaux de la saison chaude. Cette dernière s’étale sur environ cinq mois (Dacharry, 1974). La Loire se caractérise aussi par un contraste important entre les débits maximal et minimal. Les fortes crues peuvent atteindre un débit supérieur à 7 000 m³.s-¹ (crues de 1846, 1856, 1866) et des étiages sévères comme celui de 1949, l'année de référence du XXème siècle, où il ne passait que 11 m³.s-¹ à Gien. La Loire est ainsi un fleuve moyennement abondant. La lame d'eau écoulée dans son bassin versant est de 306 mm annuellement, ce qui est quelque peu inférieur à la moyenne d'ensemble de la France (plus ou moins 320 mm). Le débit spécifique atteint de ce fait le chiffre modéré de 9,71 l.s-¹.km².

3. Les sites d’étude

8Trois sites sont définis entre le Bec d’Allier et Orléans : d’amont en aval, le site de La Charité-sur-Loire, le site de Mesves-sur-Loire et le site de Guilly (fig. 1 et tab. 1). Ces secteurs sont choisis en collaboration avec les services déconcentrés de l’Etat (DREAL de bassin Loire, Directions Départementales Territoriales du Loiret et de la Nièvre) et le Conservatoire des Espaces Naturels de la Région Centre. Ce sont des sites témoins pour le suivi et l’amélioration des politiques de la gestion du lit mineur. Les gestionnaires du lit de la Loire portent un intérêt particulier à l’influence des ouvrages fluviaux sur le continuum sédimentaire et biologique. Le présent article s’inscrit dans cette perspective. Il permet d’apporter des éléments de compréhension concernant l’influence des actions anthropiques (particulièrement les aménagements locaux) sur la dynamique hydro-sédimentaire du lit. Le choix de ces sites se justifie par la présence d’enjeux socio-économiques et écologiques :
- la présence d’ouvrages fluviaux susceptibles de perturber les transferts longitudinaux et latéraux de la charge solide (chevrettes et digues) ;
- l’intérêt que portent les gestionnaires à ces secteurs face au manque de données et d’informations relatives à l’évolution morpho-dynamique du lit actif ;
- la nécessité de préserver le patrimoine naturel (sites des Conservatoires d’Espaces Naturels des régions Centre et Bourgogne) ;
- l’accessibilité facile et rapide aux sites et la présence de stations de référence pour effectuer les mesures topographiques et bathymétriques.

Fig. 1 – Localisation des sites d’étude : A (Site de Guilly), B (Site de Mesves-sur-Loire) et C (Site de La Charité-sur-Loire) (source : DREAL, 2005).
Fig. 1 – Location of study sites :
A (Guilly site), B (Mesves-sur-Loire site) & C (La Charité-sur-Loire site) (data source : DREAL, 2005).

Fig. 1 – Localisation des sites d’étude : A (Site de Guilly), B (Site de Mesves-sur-Loire) et C (Site de La Charité-sur-Loire) (source : DREAL, 2005). Fig. 1 – Location of study sites : A (Guilly site), B (Mesves-sur-Loire site) & C (La Charité-sur-Loire site) (data source : DREAL, 2005).

9Les sites de la Charité-sur-Loire et Mesves-sur-Loire (fig. 1-2) se situent dans le périmètre d’un espace protégé, la Réserve Naturelle Nationale du Val de Loire. Le site de la Charité-sur-Loire concerne un secteur fonctionnel d’environ 4 km. La largeur du chenal principal est en moyenne de 250 m. Les parties les plus étroites et les plus profondes se trouvent au niveau des deux extrémités du site en rive gauche. Cette configuration morphologique crée une dissymétrie dans le profil en travers et favorise les dépôts de sable et le développement d’îles en rive gauche (Nabet, 2013). Ce site se caractérise par une omniprésence d’aménagements fluviaux :
- deux ponts séparés par une île urbanisée, le Faubourg de la Charité ;
- deux quais : le premier se situe au niveau de la partie amont du site en rive gauche et le second en rive droite en aval du pont de rive droite ;
- une digue submersible (chevrette), située au niveau de la connexion amont du secteur d’étude. Cet ouvrage oblique a été construit en 1838 afin d’améliorer les conditions de navigation et optimiser l’accès au port de la rive droite ;
- un seuil rocheux artificiel dans le chenal principal pour le confortement du pont (radier construit en 1984) et de nombreux point durs répartis de façon transversale par rapport au tracé de la Loire. Ces derniers correspondent à d’anciens aménagements (seuils et quais en ruine).

Tab. 1 – Caractéristiques des sites d’étude.
Tab. 1 – Characteristics of the study sites.

Tab. 1 – Caractéristiques des sites d’étude.   Tab. 1 – Characteristics of the study sites.

10Le site de Mesves se trouve à environ 3 km en aval du site de La Charité-sur-Loire. Ce secteur fonctionnel, situé en rive droite à la hauteur de la commune de Mesves-sur-Loire, s’étend sur une longueur d’environ 3 km. La largeur moyenne du chenal principal est d’environ 290 m. On note l’absence d’aménagements et de seuils artificiels dans ce secteur. En dehors de la levée qui longe la berge en rive gauche, le lit mineur évolue dans des conditions relativement naturelles. D’un point de vue géomorphologique, les deux sites d’étude appartiennent à un secteur où la Loire développe un système en anabranches, style fluvial proche de l’anastomose (Knighton, 1998 ; Makaske, 2001 ; Lewin et Ashworth, 2013). L’analyse comparée de ces deux sites permet de déterminer les rythmes d’évolution des formes au sein d’un secteur fonctionnel très contraint par les aménagements (La Charité) et un secteur moins influencé par les aménagements (Mesves). Cette différence permet d’appréhender l’impact des aménagements locaux sur l’évolution morphodynamique du lit de la Loire.

11Le site de Guilly (fig. 1-2) fait partie d’un tronçon où la Loire développe un style fluvial méandriforme. Il se situe à environ 40 km en amont d’Orléans et concerne les deux premières boucles des méandres de Guilly, allant du lieu-dit « Bouteille » au lieu-dit « Villabé ». La longueur du lit mineur est d’environ 9 km, la largeur moyenne du chenal principal est d’environ 320 m. On distingue au sein du lit mineur plusieurs atterrissements, îlots et îles boisées, présentant les mêmes enjeux que les deux secteurs précédemment présentés. D’un point de vue géomorphologique, ce site présente des caractéristiques particulières qu’on ne retrouve pas sur les cours d’eau à méandres : il inclut des îles de taille variable et de forme allongée. Elles peuvent s’être formées sur les marges du cours d’eau comme l’île dite « des Mahîs » ou au milieu du chenal comme l’île située au droit du port de Saint-Benoît-sur-Loire, en rive droite.
Les aménagements et les seuils durs sont omniprésents dans ce site (fig. 2) : deux quais (à Saint-Benoît-sur-Loire, en rive droite, et à Bouteille, en rive gauche), des levées longeant le lit sur ses deux rives (en dehors du lobe de rive gauche, ces levées sont en contact direct avec les berges de la Loire). Pour réduire l’impact de cette érosion, des palplanches ont été installées dans les secteurs les plus profonds. Ces ouvrages protègent la berge à une profondeur limitée, l’érosion de la levée est donc active au fond du chenal principal (Nabet, 2013). De nombreux seuils rocheux ou artificiels (en ruine) sont disposés dans le chenal de façon longitudinale par rapport au tracé du lit. Ces derniers sont susceptibles de perturber le transit sédimentaire dans le lit.

12La plaine alluviale des méandres de Guilly est considérée par les gestionnaires comme une zone de réduction de l’impact des crues sur les agglomérations situées immédiatement en aval (Orléans, Blois, Tours). D’environ 7 km de large, il s’agit en effet de l’un des plus larges vals entre Nevers et Saumur. Du point de vue géomorphologique, ce secteur présente de nombreux intérêts : l’originalité et la rareté de ces formes sinueuses en Loire moyenne, la position de transition entre une Loire à tracé rectiligne et une Loire à bras multiples, la présence d’îles dans un secteur à méandres (fig. 2). L’analyse de ces trois sites est effectuée sur un pas de temps pluriannuel, de 2008 à 2011.

Fig. 2 – Caractéristiques des trois sites d’étude (A, B et C).
Fig. 2 – Characteristics of the three study sites (A, B & C).

Fig. 2 – Caractéristiques des trois sites d’étude (A, B et C). Fig. 2 – Characteristics of the three study sites (A, B & C).

1 : franc-bord ; 2 : île ; 3 : chenal secondaire ; 4 : chenal principal ; 5 : levée ; 6 : pont ; 7 : chevrette ; 8 : radier de pont ; 9 : quai ; 10 : déversoir.
1 : lateral margin ; 2 : fluvial island ; 3 : secondary channel ; 4 : main channel ; 5 : dike ; 6 : bridge ; 7 : oblique dike or “chevrette” in local terminology ; 8 : weir ; 9 : fluvial dock ; 10 : spillway.

4. Méthodologie

13Les trois sites ont fait l’objet de relevés topographiques et bathymétriques afin de quantifier la répartition spatiale des sédiments dans le bras principal de la Loire. Ce travail a été réalisé en fonction des événements hydrologiques.
Les campagnes de mesures ont été financées par la Région Centre dans le cadre du Plan Loire Grandeur Nature (2007-2013) et réalisées par le CEREMA de Blois (Centre d’Etudes et d’expertise sur les Risques, l’Environnement, la Mobilité et l’Aménagement). Le protocole de mesure (nombre de profils) a été établi en fonction du coût et du temps de réalisation.

14L’interprétation des résultats tient compte de la présence des aménagements fluviaux et de leur agencement au sein du lit. Les mesures bathymétriques ont été réalisées dans le chenal principal et la topographie dans les chenaux secondaires, à sec au cours de l’été. Nous avons reconstitué à partir de ces mesures des profils transversaux et longitudinaux dans les secteurs où les points de mesures sont distants de plus de 20 m et des Modèles Numériques de Terrain (M.N.T.) dans les secteurs où les points de mesures sont distants de moins de 20 m. Ce travail de terrain est complété par de nombreuses sorties d’inspection (détection visuelle en période d’étiage) afin d’obtenir des informations sur l’état des berges, le chenal et les seuils durs (état des levées, agencement et emprise spatiale des seuils artificiels et naturels). L’objectif de ces inspections est double : localiser avec précision les ouvrages fluviaux et délimiter les seuils et mouilles au sein du chenal (au moyen d’un DGPS).
Les informations issues de cette approche sont prises en compte dans l’interprétation des résultats.

15Le matériel utilisé pour la réalisation de mesures bathymétriques est un sondeur bi-fréquence 33-200 KHz Odom Echotrack MK III, un DGPS cinématique RTK Trimble 4700 et un logiciel de navigation Hypack Max. Le bateau est choisi en fonction du niveau d’eau : un pneumatique si le niveau d’eau de la Loire est bas, ou un bateau métallique lourd motorisé si le niveau d’eau est haut. La fréquence des mesures est annuelle (2008, 2009, 2010 et 2011). Ces mesures ont été réalisées en période de basses eaux (de juillet à septembre). On dénombre au total sur l’ensemble des sites 54 profils transversaux et 3 profils en long réalisés sur le site de La Charité-sur-Loire, 24 profils transversaux et 3 profils en long effectués sur le site de Mesves-sur-Loire, 342 profils transversaux et 3 profils en long réalisés sur le site de Guilly.
Les profils en travers sont positionnés aux mêmes endroits d'une année sur l'autre.

16Nous appliquons la méthode diachronique spatialisée des profils transversaux et longitudinaux (Landon et Piegay, 1994 ; Gautier et al., 2001 ; Grivel, 2008). Cette méthode permet d’étudier l’évolution verticale du chenal principal. A partir de ces profils transversaux, on reconstitue un profil en long en extrayant les valeurs des talwegs de chaque profil transversal. L’axe du profil en long est parallèle à l’écoulement. Les valeurs de la variation verticale sont déduites à partir d’une quantification du changement morphologique par superposition successive de profils transversaux (Ashworth et Ferguson, 1986 ; Kondolf et Piegay, 2003). Cette méthode est appliquée aux sites de la Charité-sur-Loire et de Mesves-sur-Loire. Compte-tenu de la faible densité des points de mesures, les profils sont espacés de plus de 20 m.

17Sur le site de Guilly, nous appliquons la méthode de soustraction des M.N.T. en raison de la densité des points de mesures. Cette technique de plus en plus fréquente en géomorphologie, permet d’identifier les changements morphologiques (Martin et Church, 1995 ; Brasington et al., 2000 ; Hooke et Mant, 2000 ; Eaton et Lapointe, 2001 ; Fuller et al., 2003a ; Fuller et al., 2003b ; Rumsby et al., 2008 ; Legleiter et Kyriakidis, 2008 ; Heritage et al., 2009). Cette technique détermine des indicateurs spatio-temporels des phénomènes d’érosion et de sédimentation et permet d’effectuer une représentation de la topographie du terrain au moyen d’un codage numérique. Il est ensuite possible d'identifier les secteurs ayant subi des modifications et d'en calculer les volumes. De nombreux auteurs montrent que la qualité d’un M.N.T. est étroitement liée à la densité des mesures, les caractéristiques physiques du terrain (taille, pente) et la précision des techniques d’interpolation (Mc Bratney et al., 2003 ; Chaplot et al., 2006). Le degré de précision, la performance de l’outil de mesure (GPS, DGPS, échosondeur) et la fiabilité de la technique d’interpolation (Krigeage simple, méthode du voisin naturel, inverse de la distance IDW, TIN... ; Wood, 1996 ; Wechsler, 2000 ; Lloyd et Atkinson, 2002) peuvent générer des niveaux d’incertitude dans les mesures. Aussi, des auteurs comme Borga et Vizzaccaro (1997) soulignent que l’augmentation de la densité de points de mesures permet de réduire ces incertitudes générées par les techniques d’interpolation (marge d’erreur). La méthode d’interpolation utilisée pour la réalisation de M.N.T. est le krigeage ordinaire, algorithme d’interpolation couramment utilisé en géomorphologie fluviale (Booker et al., 2001 ; Lloyd et Atkinson, 2002 ; Fuller et al., 2003b ; Ferguson et al., 2003). L’erreur moyenne d’interpolation varie de 1,5 à 3 cm. En dehors des mesures bathymétriques, les différentes sorties sur le terrain nous ont permis de délimiter précisément les seuils et mouilles au sein du chenal. Cette approche représente un moyen supplémentaire efficace pour vérifier les résultats des M.N.T. après chaque campagne de mesure. Les données sont intégrées dans une base de données sous un Système d’Information Géographique (SIG).

18Les résultats de l’analyse topographique sont corrélés à l’évolution des conditions hydrologiques sur une période allant de 2007 à 2011. L’intérêt porte sur les événements hydrologiques dont les valeurs des débits sont égales et supérieures au débit à pleins bords. Le débit à pleins bords est déterminé à partir des observations sur le terrain. Nous avons utilisé comme indicateur la hauteur de la limite inférieure de la végétation pérenne, principalement des arbres, et les différentes études réalisées dans ces secteurs (Gautier et al., 2001 ; Gautier et Grivel, 2004 ; Gautier et Grivel, 2006 ; Grivel, 2008). La période d’observation est de cinq années (2007-2011) à une fréquence de 2 à 3 fois par mois.
On prend aussi comme référence le seuil hydrologique à partir duquel le niveau de l’eau atteint le haut des berges avant débordement. La valeur du débit à pleins bords varie d’un site à l’autre : 900 m³.s-¹ à La Charité-sur-Loire, 1 200 m³.s-¹ à Mesves-sur-Loire et 750 m³.s-¹ à Guilly. L’analyse des séries partielles des crues consiste à effectuer une sélection dans l’ensemble des observations des crues supérieures à un seuil déterminé de façon arbitraire (Bravard et Petit, 1997). Ce seuil correspond à une valeur proche des débits à pleins bords définis dans les trois sites, soit 850 m³.s-¹. On procède à une classification des événements hydrologiques en fonction de leur intensité, durée et fréquence. Les résultats de cette analyse sont confrontés aux modalités de l’évolution topographique du plancher alluvial (en présence d’anciens aménagements). Cette approche permet d’évaluer le rôle dit morphogène des événements hydrologiques et l’effet des ouvrages fluviaux (Nabet, 2013).

5. Implications de l’hydrologie sur la dynamique fluviale

5.1. Evolution depuis 1850

19Le travail de synthèse des événements hydrologiques importants réalisé par E. Gautier et C. Castanet (Garcin et al., 2006) met en évidence un affaiblissement de l’activité hydrologique de la Loire marqué par la réduction de l’intensité et de la fréquence des crues au cours du XXe siècle (fig. 3). On relève ainsi la disparition depuis 1866 des crues dont le débit dépasse 6 000 m³.s-¹. Depuis 1907 il n’y a plus eu de crues supérieures à 4 000 m³.s-¹. On note également une réduction de la fréquence des crues de 3 000 m³.s-¹ et 2 600 m³.s-¹ au cours de la période 1957-2005. Le changement de l’activité hydrologique de la Loire a provoqué un affaiblissement de la dynamique fluviale. Cela a favorisé le développement et la stabilisation de la végétation au sein des îles et francs-bords (terme ligérien désignant les marges du chenal correspondant généralement à d’anciens bancs stabilisés par la végétation alluviale) et potentiellement dans les bras secondaires, essentiellement au cours de la seconde moitié du XXe siècle. Il résulte de cette évolution une rétraction de la bande active (Gautier et al., 2001 ; Gautier et Grivel, 2004 ; Grivel et Gautier, 2012 ; Nabet, 2013). Grivel (2008) montre par ailleurs une augmentation de la durée des basses eaux, période propice à la prolifération de la végétation pionnière. Cette métamorphose des formes fluviales est aussi liée aux prélèvements de sédiments et aux changements des pratiques agricoles dans le lit mineur.

Fig. 3 – Chronique des crues survenues entre 1846 et 2003, stations de Givry (adapté de Gautier, 2008).
Fig. 3 – Flooding chronic between 1846 and 2003, Givry gauging site (adapted from Gautier, 2008).

Fig. 3 – Chronique des crues survenues entre 1846 et 2003, stations de Givry (adapté de Gautier, 2008).   Fig. 3 – Flooding chronic between 1846 and 2003, Givry gauging site (adapted from Gautier, 2008).

On observe un affaiblissement de l’activité hydrologique de la Loire. Les crues peuvent être extrêmement importantes (plus de 6 000 m³.s-¹). Les débits journaliers calculés de crue biennale et quinquennale valent respectivement 1 700 et 2 300 m³.s-¹. Le débit journalier calculé de la crue décennale est de 2 700 m³.s-¹, pour la crue de récurrence vicennale il est de 3 100 m³.s-¹, tandis que pour la crue cinquantennale il est de 3 600 m³.s-¹.
From these results can be seen a decrease of the hydrological activity. Floods can be extremely high (over 6,000 m³.s-¹). Daily flows of biennial and five-year flood are respectively 1,700 and 2,300 m³.s-¹. The daily rate for the decennial flood is 2,700 m³.s-¹, for the twenty-year flood is 3,100 m³.s-¹, for cinquantennale flood is 3,600 m³.s-¹.

5.2. Analyse d’une chronique hydrologique récente (2007-2011)

20Deux constats sont mis en évidence à partir de l’analyse des données relatives à la variation des débits. Le premier concerne la valeur du débit à pleins bords.
On constate à partir des mesures de terrain une différence de la valeur du débit à pleins bords dans les sites étudiés. Cette valeur est d’environ 850-900 m³.s-¹ à La Charité-sur-Loire, 1 200 m³.s-¹ à Mesves et 750 m³.s-¹ à Guilly. Cela implique que le transport solide peut être influencé différemment d’un site à l’autre en raison notamment de la variation de la fréquence du débit à pleins bords (fig. 4). Le second constat concerne la variation interannuelle de la fréquence et de l’intensité des crues. Les années 2008, 2010 et, dans une moindre mesure, 2007 se caractérisent par une intensité et une fréquence plus importantes des débits morphogènes, que la moyenne sur 30 ans.
On enregistre quatre crues, dont une crue quinquennale en 2008 et cinq crues en 2010. Les modifications morpho-sédimentaires de la bande active sont susceptibles de se produire au cours de ces épisodes hydrologiques (Tricart, 1977 ; Dury, 1969). En revanche, les années 2009 et 2011 semblent correspondre à une activité hydrologique plus modérée avec des crues d’une intensité et d’une fréquence relativement faibles : deux crues en 2009 et une crue en 2011 dont le débit avoisine 1 000 m³.s-¹. Les principaux résultats de cette analyse sont résumés dans les tableaux 2 et 3 et sur la figure 4.

Tab. 2 – Evolution du nombre de jours des différentes classes de débits (2007-2011).
Tab. 2 – Evolution of the number of days according to the different categories of discharges (2007-2011).

Tab. 2 – Evolution du nombre de jours des différentes classes de débits (2007-2011).   Tab. 2 – Evolution of the number of days according to the different categories of discharges (2007-2011).

Tab. 3 – Evolution annuelle des crues (2007-2011, station de Givry).
Tab. 3 – Annual flood evolution (2007-2011, Givry gauging site).

Tab. 3 – Evolution annuelle des crues (2007-2011, station de Givry).   Tab. 3 – Annual flood evolution (2007-2011, Givry gauging site).

Fig. 4 – Variation des débits moyens journaliers et repérage des crues (2007-2011).
Fig. 4 – Change in mean daily discharges and identification of flood (2007-2011).

Fig. 4 – Variation des débits moyens journaliers et repérage des crues (2007-2011).   Fig. 4 – Change in mean daily discharges and identification of flood (2007-2011).

1 : module (350 m³.s-¹) ; 2 : débit à pleins-bords (850 m³.s-¹, station de Givry).
1 : mean annual flow (350 m³.s-¹) ; 2 : bankfull discharge (850 m³.s-¹, Givry gauging site).

5.3. La forte variabilité temporelle des sites de la Charité-sur-Loire et Mesves

21On constate, d’après l’analyse des données topographiques, une tendance à l’incision du chenal principal au sein des trois sites. Cependant, les modalités de l’évolution topographique, l’influence des aménagements fluviaux et des événements hydrologiques présentent des points de différence d’un site à l’autre.

22Le chenal principal, à la Charité-sur-Loire, a connu une phase de rehaussement, en 2009, suivie d’une phase d’incision entre 2009 et 2011 (fig. 5). La crue, survenue en novembre 2008, a engendré un rehaussement temporaire du plancher alluvial sur l’ensemble du linéaire étudié. La valeur moyenne de rehaussement relevée en 2009 est de 70 cm, avec une valeur maximale de 2,7 m ; les secteurs de sédimentation les plus importants se situant dans la partie aval du site d’étude. On note pour l’année 2011 un abaissement d’une valeur moyenne de 52 cm sur l’ensemble du profil, soit un rythme annuel d’incision de 26 cm sur la période 2009-2011. Les valeurs d’incision les plus importantes sont relevées dans la partie aval, soit 1,1 m (fig. 5 et tab. 4).

Fig. 5 – Évolution du profil en long pour la période 2008 et 2011, site de La Charité (C).
Fig. 5 – Evolution of the longitudinal profile for the period 2008 to 2011, La Charité site (C).

Fig. 5 – Évolution du profil en long pour la période 2008 et 2011, site de La Charité (C).   Fig. 5 – Evolution of the longitudinal profile for the period 2008 to 2011, La Charité site (C).

Tab. 4 – Synthèse de l’évolution topographique des profils transversaux (2008-2011).
Tab. 4 – Topographic evolution of the cross-sections (2008-2011).

Tab. 4 – Synthèse de l’évolution topographique des profils transversaux (2008-2011).   Tab. 4 – Topographic evolution of the cross-sections (2008-2011).

Site de La Charité-sur-Loire. LTZS : Longueur totale des zones de sédimentation ; TMAS : Taux moyen annuel de sédimentation ; LTZE : Longueur totale des zones d’érosion ; TMAE : Taux moyen annuel d’érosion.
Charité-sur-Loire site. LTZS : total length of sedimentation areas ; TMAS : annual sedimentation rate ; LTZE : total length of erosion areas ; TMAE : annual erosion rate.

23La modélisation topographique du bras principal a permis de mettre en relation la répartition spatiale du stock sédimentaire et le positionnement des aménagements au sein du lit mineur : les zones les plus profondes du lit longent les aménagements longitudinaux (digue, quai et chevrette) en rive droite (fig. 2, 6). Quant aux zones de dépôts, on les retrouve en face de ces ouvrages sur les marges des îles et des francs-bords. Ces aménagements ont donc une influence sur l’évolution morpho-sédimentaire du bras principal en modifiant son profil en travers. Les levées bordant les rives de la Loire ont un double effet sur la forme du lit : augmentation de la résistance des berges aux forces d’érosion (réduction des apports solides) et de la valeur du débit de débordement. Ce rehaussement de la ligne d’eau de débordement représente un flux liquide supplémentaire favorisant l’incision du fond du lit en augmentant les forces tractrices et la fragilisation des levées. Le débit à pleins bords est de l’ordre de 900 m³.s-¹ alors que le débit de débordement avoisine 2 800 m³.s-¹ en raison de la présence des levées.

Fig. 6 – Influence de la chevrette sur la morphologie du chenal principal (partie amont). Photographie : Kap-Archéo, par ballon-captif.
Fig. 6 – Influence of river installation (chevrette) on the morphology of the main channel (upstream section). Balloon Photography : Kap-Archéo.

Fig. 6 – Influence de la chevrette sur la morphologie du chenal principal (partie amont). Photographie : Kap-Archéo, par ballon-captif.   Fig. 6 – Influence of river installation (chevrette) on the morphology of the main channel (upstream section). Balloon Photography : Kap-Archéo.

24L’autre élément à prendre en compte est la présence d’un seuil artificiel au niveau du pont de la Charité (fig. 2, 6). Ce seuil influence la régularité du profil en long en le décomposant en deux segments. Ainsi, l’emplacement de la chevrette et son emprise spatiale (600 m de long en travers du chenal) influencent l’orientation du flux liquide et la distribution des vitesses au sein de la section mouillée. Cela peut favoriser la création de zones préférentielles d’érosion et de dépôt des sédiments. Cet ouvrage représente également un obstacle à l’écoulement dans le chenal secondaire (en rive gauche) et favorise la concentration des eaux dans le chenal principal pour un débit inférieur à 700 m³.s-¹ qui est le seuil hydrologique de submersion de la chevrette.

25Sur le site de Mesves-sur-Loire, le chenal principal est dépourvu d’ouvrages fluviaux, hormis la levée en rive gauche (fig. 2). L’évolution verticale du plancher alluvial se caractérise par une tendance permanente à l’incision, ce qui diffère du cas précédent (fig. 7). On enregistre au niveau de la partie amont du site de Mesves un abaissement du fond du chenal principal d’une valeur moyenne de 75 cm, soit un rythme annuel d’incision de l’ordre de 25 cm.
Au niveau de la partie médiane, l’incision atteint une valeur moyenne de 1,07 m, soit un rythme annuel d’environ 35 cm. La crue de 2008 a provoqué une accélération du rythme d’abaissement du plancher alluvial. Les valeurs d’incision les plus importantes sont relevées au niveau de la partie aval du site.
On enregistre dans ce secteur un abaissement d’une valeur moyenne de l’ordre de 1,4 m, soit un rythme annuel de 49 cm (fig. 7 et tab. 5). Il apparaît donc que ces deux sites, pourtant très proches, ont réagi différemment aux mêmes événements hydrologiques.

Fig. 7 – Évolution du profil en long pour la période 2008-2011, site de Mesves (B).
Fig. 7 – Evolution of the longitudinal profile for the period 2008-2011, Mesves site (B).

Fig. 7 – Évolution du profil en long pour la période 2008-2011, site de Mesves (B).   Fig. 7 – Evolution of the longitudinal profile for the period 2008-2011, Mesves site (B).

Tab. 5 – Synthèse de l’évolution topographique des profils transversaux (2008-2011), site de Mesves.
Tab. 5 – Topographic evolution of the cross-sections (2008-2011), Mesves site.

Tab. 5 – Synthèse de l’évolution topographique des profils transversaux (2008-2011), site de Mesves. Tab. 5 – Topographic evolution of the cross-sections (2008-2011), Mesves site.

LTZS : Longueur totale des zones de sédimentation ; TMAS : Taux moyen annuel de sédimentation ; LTZE : Longueur totale des zones d’érosion ; TMAE : Taux moyen annuel d’érosion.
LTZS : total length of sedimentation areas ; TMAS : annual sedimentation rate ; LTZE : total length of erosion areas ; TMAE : annual erosion rate.

6. Les méandres de Guilly : un déséquilibre spatial franc

26Les M.N.T. réalisés sur le site des méandres de Guilly permettent d’avoir une analyse plus précise de la répartition et de l’évolution des stocks sédimentaires sur les années d’étude. On distingue, d’après les résultats de la modélisation topographique du site de Guilly, une discontinuité sédimentaire longitudinale mettant en évidence deux zones bien distinctes : un secteur de sédimentation concernant la moitié amont du site et un secteur d’érosion ou de transfert de la charge solide couvrant l’étendue spatiale de la moitié aval (fig. 8).

Fig. 8 – Site de Guilly (A) : variabilité spatiale de la dynamique morphologique.
Fig. 8 – Guilly site : spatial variability of morphologic dynamic.

Fig. 8 – Site de Guilly (A) : variabilité spatiale de la dynamique morphologique.   Fig. 8 – Guilly site : spatial variability of morphologic dynamic.

27Ainsi, on définit trois secteurs pour faire l’objet d’une analyse fine (fig. 9) : en amont du site d’étude, dans la partie médiane au niveau de la zone de transition entre les deux boucles et dans la partie aval du site. L’analyse de l’évolution topographique réalisée au moyen des comparaisons de M.N.T. fait ressortir deux types de tendances qui semblent être des tendances continues : une tendance à la sédimentation au niveau de la partie amont et une tendance à l’érosion dans la partie médiane et la partie aval du site. Les apports sédimentaires se déposent essentiellement au niveau de la première boucle. On remarque aussi que la crue survenue en novembre 2008 n’a pas inversé ces tendances d’évolution morpho-sédimentaires comme c’était le cas sur le site de la Charité-sur-Loire, où on constate un rehaussement du plancher alluvial en 2009.
A Guilly, la crue de 2008 a plutôt renforcé la tendance à la sédimentation dans la première boucle et accentué l’érosion dans la seconde boucle.

Fig. 9 – Site de Guilly (A) : bilan sédimentaire pour les années 2008-2009 et 2009-2010.
Fig. 9 –Guilly site : sediment budget (2008-2009 ; 2009-2010).

Fig. 9 – Site de Guilly (A) : bilan sédimentaire pour les années 2008-2009 et 2009-2010.   Fig. 9 –Guilly site : sediment budget (2008-2009 ; 2009-2010).

28Le bilan sédimentaire calculé pour l’année 2008-2009 au niveau de la partie amont est en faveur de la sédimentation (fig. 9). Le volume moyen de sédimentation est de l’ordre de 70 000 m³. La charge solide importante s’est répartie sur l’ensemble de ce secteur, à l’exception de la mouille située au niveau de la rive gauche à Bouteille (entre la levée et un seuil rocheux).
Sur cette mouille, on enregistre une érosion moyenne de 7 cm. En 2010, la tendance de l’évolution topographique reste toujours en faveur de la sédimentation avec des valeurs moins importantes que celles de l’année 2009. Le volume moyen enregistré pour l’année 2009-2010 est de l’ordre de 36 000 m³, soit environ la moitié du stock sédimentaire accumulé dans ce secteur en 2009. Le plancher alluvial tend à revenir à la forme qu’il avait en 2008, ce qui laisse penser à l’existence de zones préférentielles de dépôt et d’érosion en dehors des périodes de crue.

29Le secteur médian se situe dans une zone charnière entre la zone de sédimentation et la zone d’érosion. Le bilan sédimentaire calculé pour l’année 2008-2009 est en faveur de l’érosion. Le volume moyen de la charge solide évacuée est de l’ordre de 55 000 m³. Cette tendance à l’incision se confirme aussi en 2010, avec cependant des valeurs moins importantes que celles calculées pour l’année 2009. Cela met en évidence l’impact morphogène de la crue de novembre 2008. Le volume moyen érodé pour l’année 2009-2010 est de l’ordre de 13 000 m³. Les valeurs d’incision les plus importantes sont enregistrées au niveau des mouilles qui se situent en rive droite vers le port de Saint-Benoît, soit un rythme annuel de 10 cm. On note aussi le rôle important des îles dans la dynamique hydro-sédimentaire : réduction de la section mouillée, concentration des eaux en rive droite et piégeage de sédiments.
Ainsi, sur l’île de Saint Benoît, qui est renforcée par des enrochements situés en rive gauche, on enregistre la valeur la plus importante de sédimentation, soit 5 cm par an.

30Le bilan sédimentaire calculé pour l’année 2008-2009 au sein de la partie aval est également en faveur de l’érosion. Le volume moyen de la charge solide évacuée est de l’ordre de 24 000 m³. Cette tendance à l’incision se poursuit en 2010. Le bilan sédimentaire calculé en 2009 est plus important que celui de 2010 en raison de l’impact morphogène de la crue (augmentation de la capacité de transport et accentuation de l’érosion). Le volume moyen érodé pour l’année 2009-2010 représente environ le quart de celui de 2009, soit un volume moyen de l’ordre de 5 400 m³. Les valeurs d’incision les plus importantes sont relevées au niveau de la mouille située en rive droite, soit un rythme annuel de 9 cm. Des palplanches ont été installées dans cette zone afin de protéger la berge contre l’érosion.

31Les résultats sur les trois sites mettent donc en évidence la variabilité temporelle des processus d’érosion-sédimentation du chenal principal sur les trois sites étudiés en Loire moyenne. D’une façon générale, la tendance à la poursuite de l’enfoncement semble dominer. Les sites montrent également de fortes discontinuités spatiales, particulièrement sur le site de Guilly (fig. 9).

7. Discussion

32Des éléments d’explication et de compréhension de l’évolution topographique des trois sites étudiés peuvent être apportés. Le croisement des résultats de l’analyse topographique et de l’analyse interannuelle des conditions hydrologiques montre l’influence des crues et des débits proches du plein bord sur les processus d’évolution morpho-sédimentaire du chenal. La crue de novembre 2008 a engendré une remobilisation plus importante des sédiments, qui a eu des effets contrastés en fonction des sites. Outre un pic en novembre de 2260 m³s-¹, cette année a atteint et dépassé le niveau à pleins bords durant 16 jours (fig. 2 et tab. 2), dépassant les valeurs des années suivantes. Sur le site de la Charité-sur-Loire, cette crue a eu un effet temporaire en remblayant légèrement le chenal principal, entraînant un bilan sédimentaire temporairement positif (tab. 4). Sur l’amont du site de Guilly, la sédimentation a été encore plus soutenue. Les années suivantes, avec des pointes de crue plus faibles et des durées supérieures ou égales au plein-bord plus courtes, ont favorisé de façon quasi-générale l’incision, à l’exception de la partie amont du site de Guilly. La prépondérance des crues dans le bilan sédimentaire global a été démontrée dans de nombreuses études. Sur le Rhône, Antonelli et Provansal (2003) montrent que 80 % de la charge en suspension transitent lors des crues. L’étude réalisée par Lallias-Tacon et al. (2012) sur le Bès met en évidence des changements morphologiques significatifs pendant la crue de décembre 2009. Des processus morphologiques sont clairement observables comme des érosions de berge, des dépôts, et des migrations du chenal principal. Les résultats de l’analyse de l’évolution verticale du plancher alluvial réalisée par Arnaud-Fassetta (1997) sur un autre hydrosystème fluvial, le Petit Rhône, sont relativement proches des résultats obtenus sur le site de la Charité-sur-Loire. Cet auteur montre clairement l’impact des crues sur les modalités d’évolution morpho-sédimentaire du fond du lit et met en évidence l’impact morphogène des débits de hautes eaux. Il effectue un rapprochement entre la phase d'accumulation dominante (1993-1994) et la crue exceptionnelle d'octobre 1993, qui réinjecte dans l'hydrosystème une charge sédimentaire importante. Les phases d'incision (1990-1993 et 1994-1995) sont liées à des processus plus complexes, sachant que des périodes de hautes eaux ordinaires sont morphogènes (Arnaud-Fassetta, 1997). Le passage de la crue a engendré un rehaussement temporaire du plancher alluvial du Petit Rhône. Ce dernier retrouve son état « primitif » vingt-neuf mois après que les crues d'octobre 1993 et de janvier 1994 aient modifié pour « un temps » son bilan sédimentaire de façon positive. Ce laps de temps est qualifié de période de récupération (Wolman et Gerson, 1978). Le site de La Charité-sur-Loire a connu le même mode d’évolution avec un rehaussement du fond du lit après le passage de la crue de novembre 2008 et une reprise de l’incision en 2010 et 2011. La relative instabilité des milieux de sédimentation apparaît comme un signe de l'inadaptation des paramètres morphologiques et des flux entrant dans 1'hydrosystème fluvial (Poinsart, 1992).

33Sur le secteur de Bréhemont en Loire tourangelle, Rodrigues et Gautier (2007) montrent le rôle des crues modérées ou importantes dans l’accentuation de la morphologie asymétrique des chenaux. Ces événements hydrologiques favorisent l’exhaussement et le rattachement des zones végétalisées aux îles déjà présentes et l’érosion au sein des zones basses et nues. La répartition spatiale du stock sédimentaire est influencée par la topographie des chenaux et la présence de la végétation. Le rapprochement de ces résultats avec ceux du site de Mesves fait ressortir cependant quelques points de différence.
On constate, après le passage de la crue de novembre 2008, une sédimentation en rive droite en aval du site de Mesves, ce secteur étant relativement bas et dépourvu de végétation (Nabet, 2013). Cela laisse penser qu’en période de crue la topographie des chenaux peut être modifiée et dans certains cas, des zones basses peuvent faire l’objet d’accumulation. Ces dépôts sédimentaires sont susceptibles de disparaître suite à des événements hydrologiques de plus faible intensité : l’incision du lit ne s'effectue pas forcément lors des plus fortes crues ; des crues modérées peuvent avoir des effets morphogéniques sur le fond du cours d'eau. Une étude plus récente (Claude et al., 2014) montre l’influence des bancs sédimentaires sur la vitesse des écoulements. Associé à ceux de cet article, les résultats permettent de constater l’influence des ouvrages fluviaux sur les bancs sédimentaires et par conséquent sur les vitesses d’écoulement et le transport solide au sein du lit.

34L’étude des trois sites appuie les résultats des études mettant en évidence la tendance d’incision du lit de la Loire (Babonaux, 1970 ; Gazowski, 1994 ; Gautier et al., 2001 ; Grivel et Gautier, 2012 ; Nabet 2013 ; Latapie et al., 2014) et démontre l’impact très fort des aménagements situés dans le chenal. On peut affirmer qu’ils sont directement responsables des dissymétries spatiales observées en rive droite et rive gauche (La Charité) ou entre l’amont et l’aval (site de Guilly). Le site des méandres est particulièrement parlant. Outre les levées bien connues, un relevé de terrain effectué lors d’un étiage très creux a permis de retrouver d’anciens ouvrages (ruines). Il s’agit fort probablement d’anciens quais ou d’anciens seuils. Ainsi, il semble que le déséquilibre sédimentaire peut être lié à la présence de nombreux seuils rocheux et artificiels au niveau de la première boucle du méandre et à la forme sinueuse du lit (fig. 10). On retrouve des seuils en amont du site, le long de la rive gauche au niveau du quai à Bouteille et au niveau de l’île située au droit du port de Saint- Benoît. La vitesse et l’orientation du flux liquide sont modifiées par ces anciens ouvrages fluviaux, entraînant une répartition particulière des seuils et des mouilles dans le lit mineur. Les mouilles les plus importantes se trouvent au niveau des extrémités amont et aval du site. Le différentiel topographique entre les points les plus profonds dans ces deux mouilles est d’environ 1 m.
Cela signifie que le rythme d’érosion dans la mouille située dans la partie aval est plus intense. Y. Babonaux avait déjà cartographié ces deux mouilles en 1970.
La réduction de la mobilité latérale du lit mineur par l’édification des digues favorise la pérennité de ces mouilles et par conséquent concentre l’érosion sur la berge. De ce fait, ces zones profondes représentent une menace pour la stabilité des levées.

Fig. 10 – Localisation des anciens seuils et des mouilles, site de Guilly (A).
Fig. 10 – Location of the ancient weirs and the pools, Guilly site (A).

Fig. 10 – Localisation des anciens seuils et des mouilles, site de Guilly (A).   Fig. 10 – Location of the ancient weirs and the pools, Guilly site (A).

35La seconde particularité du site est la présence d’îles au milieu du chenal.
Cela représente un autre indice attestant le déséquilibre morpho-sédimentaire au sein du lit mineur. Théoriquement, dans un cours d’eau à tracé sinueux, la charge sédimentaire se dépose au niveau des bancs convexes. La ligne de talweg passe d’une berge concave à une autre à travers le centre du chenal. Ceci est loin d’être le cas du site d’étude. On remarque par ailleurs que ces formes insulaires se trouvent souvent à l’aval de seuils rocheux et artificiels susceptibles de renforcer leur stabilité. La fixation des atterrissements et des mouilles à travers les seuils rocheux, levées et îles peut donc avoir un impact non négligeable sur l’évolution du profil en long et des profils en travers au sein du lit mineur.

8. Conclusion

36L’observation de l’incision du chenal sur les trois sites correspond bien à une tendance générale du lit de la Loire moyenne (fig. 11). Cet enfoncement du plancher alluvial, fort probablement déclenché par les ouvrages de navigation, a été nettement aggravé par les extractions massives de sédiment (Grivel, 2008 ; Nabet, 2013). Plus de dix ans après l’interdiction des prélèvements en lit mineur, l’enfoncement du chenal n’est pas enrayé en raison de l’inertie du système fluvial. Les résultats des différentes analyses effectuées au sein des trois sites d’étude mettent en évidence la complexité du fonctionnement de l’hydrosystème Loire : un cours d’eau influencé à différents degrés par un forçage anthropique et évoluant dans un contexte de déficit sédimentaire et de calme hydrologique. On observe une incision du plancher alluvial réalisée à des rythmes différents d’un site à l’autre. L’incision peut entraîner des modifications dans le fonctionnement hydro-sédimentaire tel le changement des débits de connexion des annexes d’écoulements et la modification du rythme d’évolution du couvert végétal. Cette dynamique sédimentaire est aussi influencée par les aménagements présents dans le lit mineur. Les différents aménagements fluviaux, digues, radiers de pont, chevrettes et seuils en ruine modifient les conditions de transport des flux d'eau et de sédiment. Ces ouvrages opérationnels, au temps de la navigation ligérienne, sont aujourd’hui révolus dans leur fonction initiale mais perturbent encore durablement la dynamique fluviale : rétention sédimentaire, influence des conditions d’écoulements, végétalisation du lit entre levées. Les seuils durs créent une rupture de pente et entraînent une modification des caractéristiques physiques du flux liquide (vitesse et orientation) et par conséquent de la capacité de transport solide et des modalités de stockage de sédiment. L’effacement de ces ouvrages immergés pourrait être envisagé, serait même souhaitable, mais à plusieurs conditions. Premièrement, certains de ces ouvrages peuvent avoir un intérêt patrimonial : un diagnostic fin par les services archéologiques régionaux doit être effectué préalablement. En second lieu, un diagnostic géomorphologique et hydraulique de ces ouvrages doit être entrepris ; une modélisation hydro-sédimentaire de la bande active mettrait en évidence l’impact de la suppression des ouvrages fluviaux (chevrette, seuils en ruine) sur l’évolution morphologique du cours d’eau.

Fig. 11 – Evolution du profil en long de la Loire moyenne de 2003 à 2011 (Source : DREAL Centre).
Fig. 11 – Evolution of longitudinal profile of middle Loire River, 2003-2011(Data source : DREAL Centre).

Fig. 11 – Evolution du profil en long de la Loire moyenne de 2003 à 2011 (Source : DREAL Centre).   Fig. 11 – Evolution of longitudinal profile of middle Loire River, 2003-2011(Data source : DREAL Centre).

37D’un point de vue hydrologique, on constate l’effet de la variabilité interannuelle des conditions sur les modalités du transport solide et la morphologie du cours d’eau. La fréquence et la durée de submersion sont les moteurs de la régénération des formes fluviales. En raison de leur fréquence, les débits variant entre 800 m³.s-¹, proche du plein bord, et 1 600 m³.s-¹ semblent avoir un effet morphogène durable et, dans la majorité des cas étudiés, provoquent l’incision du lit.

38Bien que les résultats concernent une courte période d’observation, ils apportent des éléments de connaissance de la dynamique actuelle d’un grand cours d’eau à fond mobile et des impacts hydromorphologiques souvent hérités de pressions anthropiques anciennes. La présente étude montre l’importance de l’emboîtement des échelles spatiale et temporelle et d’une analyse intégrée s’appuyant sur une approche multi-sites. Enfin, s’il est encore nécessaire de le rappeler, la démonstration souligne la nécessité de disposer à la fois de données hydrologiques robustes au moment des mesures topographiques, et de chroniques hydrologiques plus longues (au moins 30 ans) pour l’analyse intégrée. Le maintien et la consolidation du réseau national des stations hydrologiques en est la garantie.

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Bibliographie

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Annexe

English abridged version

With a 112 120 km² basin and 1012 km in length, the Loire River is one of the most important fluvial hydrosystems in France. The upper part of Loire and the Allier rivers (the main tributary of the Loire River) drains the French Massif Central. The moderate heights of these hercynian mountains induce coldest winters and warmer summers, while the middle part of the catchment belongs to the sedimentary Bassin Parisien, where the climate is more temperate. Due to this double climatic influence, the mean annual discharge is quiet modest (310 m³.s-¹) and the hydrology of the Loire River is immoderate: long droughts during the summer alternate with high water levels during the winter. The ratio between the driest monthly discharge and the wettest monthly discharge attains 6.6. The intensity of annual flood varies greatly.

Managers of the French government are exposed to more than a century of profound environmental streams changes: disruption of flow conditions by channelization and incision of the river bed, increased hydrological risks through the development of vegetation in river corridors and reducing wetlands.
The Loire River is one of the rivers affected by such disruption.
The river bed reacts by erosion (an incision that is locally a value of 2 m between 1995 and 2010), the lateral migration of the thalweg and narrowing the width of the river corridor. Since 1995, the Loire riverbed has been a field of restoration and maintenance works. These interventions took place within the “Plan Loire Grandeur Nature” and consisted of the following points: the protection of the inhabitants against flooding risks, the preservation of the ecological assets and the elimination of the water line sinking at its lower level.

This paper highlights the influence of old river installations on the distribution and accumulation of sediments in a sandy gravel riverbed. These installations designed mainly during the 19th century (large and small dams) combined with other factors such as stopping maintenance works and extractions of sediment in the riverbed changed the hydro-sedimentary dynamics. We integrate in the interpretations of the results the effect of the ubiquity of the river installations, their size and orientation relative to the flow direction. The results also represent additional evidence that corroborates the trend of riverbed incision recognized for decades.

Three sites have been identified in consultation with managers of the Loire River. Two of the study sites perfectly represent the riverbed influenced by human actions (la Charité-sur-Loire and Guilly). River installations are frequent in these sites (dam, bridge and old harbor). The third site (Mesves-sur-Loire) operates in a relatively natural context. It serves as a control site. The site of Guilly is characterized by a meandering fluvial pattern. Comparing the results of the three sites also serve to analyze the impact of river installations on hydro-sedimentary evolution in two different fluvial patterns meandering and anabranching.

The morphological method is based on bathymetric and topographic survey.
The measurements are conducted every year according to hydrological events for a period from 2008 to 2011. These measurements are conducted in the main channel. 54 cross sections and 3 longitudinal profiles were realized in La Charité-sur-Loire, 342 cross sections and 3 longitudinal sections in Guilly 24 cross sections and 3 longitudinal sections in Mesves-sur-Loire. The measure has a centimeter precision. Digital Elevation Models are elaborated. Association between topographic and bathymetric survey allows to precisely evaluating erosion and sedimentation. This approach has enabled to accurately measure the topographic evolution and to calculate an annual sediment budget.

The results of the topographic and bathymetric analysis show the impact of human pressure on the hydro-sedimentary evolution of the main channel.
The navigation works (dikes and weirs built in the 19th century) have stabilized the active channel and triggered incision. More than one century after dam construction, the main channel is not yet stabilized. According to our measures, an annual incision varying average from 0.2 to 1 m.

The largest flood observed during the study period occurred in 2008 (five-year flood). This flood had a different geomorphological impact in the three study sites. We found a temporary accumulation in some part within the sites affected by installations. Post flood erosion occurred in the three sites, but at different rates. The most important incision rates are observed locally at the sites affected by river installations.

Solid and liquid flows are affected by different river engineering some of which have no function today. These river installations encourage the continuation of the main channel incision, an elevation of islands, secondary channels and excessive growth of vegetation. We deduce that the sedimentary discontinuity is mainly a consequence of anthropogenic pressures. This discontinuity is faced with major factors of sediment transport (slope and fluctuating liquid flow). Results of this paper are made available to managers and optimize river maintenance work carried out in the riverbed.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 – Localisation des sites d’étude : A (Site de Guilly), B (Site de Mesves-sur-Loire) et C (Site de La Charité-sur-Loire) (source : DREAL, 2005). Fig. 1 – Location of study sites : A (Guilly site), B (Mesves-sur-Loire site) & C (La Charité-sur-Loire site) (data source : DREAL, 2005).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-1.png
Fichier image/png, 1,2M
Titre Tab. 1 – Caractéristiques des sites d’étude. Tab. 1 – Characteristics of the study sites.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-2.png
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Titre Fig. 2 – Caractéristiques des trois sites d’étude (A, B et C). Fig. 2 – Characteristics of the three study sites (A, B & C).
Légende 1 : franc-bord ; 2 : île ; 3 : chenal secondaire ; 4 : chenal principal ; 5 : levée ; 6 : pont ; 7 : chevrette ; 8 : radier de pont ; 9 : quai ; 10 : déversoir.1 : lateral margin ; 2 : fluvial island ; 3 : secondary channel ; 4 : main channel ; 5 : dike ; 6 : bridge ; 7 : oblique dike or “chevrette” in local terminology ; 8 : weir ; 9 : fluvial dock ; 10 : spillway.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-3.png
Fichier image/png, 187k
Titre Fig. 3 – Chronique des crues survenues entre 1846 et 2003, stations de Givry (adapté de Gautier, 2008). Fig. 3 – Flooding chronic between 1846 and 2003, Givry gauging site (adapted from Gautier, 2008).
Légende On observe un affaiblissement de l’activité hydrologique de la Loire. Les crues peuvent être extrêmement importantes (plus de 6 000 m³.s-¹). Les débits journaliers calculés de crue biennale et quinquennale valent respectivement 1 700 et 2 300 m³.s-¹. Le débit journalier calculé de la crue décennale est de 2 700 m³.s-¹, pour la crue de récurrence vicennale il est de 3 100 m³.s-¹, tandis que pour la crue cinquantennale il est de 3 600 m³.s-¹. From these results can be seen a decrease of the hydrological activity. Floods can be extremely high (over 6,000 m³.s-¹). Daily flows of biennial and five-year flood are respectively 1,700 and 2,300 m³.s-¹. The daily rate for the decennial flood is 2,700 m³.s-¹, for the twenty-year flood is 3,100 m³.s-¹, for cinquantennale flood is 3,600 m³.s-¹.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-4.png
Fichier image/png, 79k
Titre Tab. 2 – Evolution du nombre de jours des différentes classes de débits (2007-2011). Tab. 2 – Evolution of the number of days according to the different categories of discharges (2007-2011).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-5.png
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Titre Tab. 3 – Evolution annuelle des crues (2007-2011, station de Givry). Tab. 3 – Annual flood evolution (2007-2011, Givry gauging site).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-6.png
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Titre Fig. 4 – Variation des débits moyens journaliers et repérage des crues (2007-2011). Fig. 4 – Change in mean daily discharges and identification of flood (2007-2011).
Légende 1 : module (350 m³.s-¹) ; 2 : débit à pleins-bords (850 m³.s-¹, station de Givry). 1 : mean annual flow (350 m³.s-¹) ; 2 : bankfull discharge (850 m³.s-¹, Givry gauging site).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-7.png
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Titre Fig. 5 – Évolution du profil en long pour la période 2008 et 2011, site de La Charité (C). Fig. 5 – Evolution of the longitudinal profile for the period 2008 to 2011, La Charité site (C).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-8.png
Fichier image/png, 32k
Titre Tab. 4 – Synthèse de l’évolution topographique des profils transversaux (2008-2011). Tab. 4 – Topographic evolution of the cross-sections (2008-2011).
Légende Site de La Charité-sur-Loire. LTZS : Longueur totale des zones de sédimentation ; TMAS : Taux moyen annuel de sédimentation ; LTZE : Longueur totale des zones d’érosion ; TMAE : Taux moyen annuel d’érosion. Charité-sur-Loire site. LTZS : total length of sedimentation areas ; TMAS : annual sedimentation rate ; LTZE : total length of erosion areas ; TMAE : annual erosion rate.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-9.png
Fichier image/png, 47k
Titre Fig. 6 – Influence de la chevrette sur la morphologie du chenal principal (partie amont). Photographie : Kap-Archéo, par ballon-captif. Fig. 6 – Influence of river installation (chevrette) on the morphology of the main channel (upstream section). Balloon Photography : Kap-Archéo.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-10.png
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Titre Fig. 7 – Évolution du profil en long pour la période 2008-2011, site de Mesves (B). Fig. 7 – Evolution of the longitudinal profile for the period 2008-2011, Mesves site (B).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-11.png
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Titre Tab. 5 – Synthèse de l’évolution topographique des profils transversaux (2008-2011), site de Mesves. Tab. 5 – Topographic evolution of the cross-sections (2008-2011), Mesves site.
Légende LTZS : Longueur totale des zones de sédimentation ; TMAS : Taux moyen annuel de sédimentation ; LTZE : Longueur totale des zones d’érosion ; TMAE : Taux moyen annuel d’érosion. LTZS : total length of sedimentation areas ; TMAS : annual sedimentation rate ; LTZE : total length of erosion areas ; TMAE : annual erosion rate.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-12.png
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Titre Fig. 8 – Site de Guilly (A) : variabilité spatiale de la dynamique morphologique. Fig. 8 – Guilly site : spatial variability of morphologic dynamic.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-13.png
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Titre Fig. 9 – Site de Guilly (A) : bilan sédimentaire pour les années 2008-2009 et 2009-2010. Fig. 9 –Guilly site : sediment budget (2008-2009 ; 2009-2010).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-14.png
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Titre Fig. 10 – Localisation des anciens seuils et des mouilles, site de Guilly (A). Fig. 10 – Location of the ancient weirs and the pools, Guilly site (A).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-15.png
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Titre Fig. 11 – Evolution du profil en long de la Loire moyenne de 2003 à 2011 (Source : DREAL Centre). Fig. 11 – Evolution of longitudinal profile of middle Loire River, 2003-2011(Data source : DREAL Centre).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11398/img-16.png
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Pour citer cet article

Référence papier

Fouzi Nabet, Stéphane Grivel et Emmanuèle Gautier, « Le rôle des aménagements sur la réponse topo-sédimentaire d’un cours d’eau à différents événements hydrologiques, la Loire moyenne », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol.22 - n° 2 | 2016, 211-225.

Référence électronique

Fouzi Nabet, Stéphane Grivel et Emmanuèle Gautier, « Le rôle des aménagements sur la réponse topo-sédimentaire d’un cours d’eau à différents événements hydrologiques, la Loire moyenne », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol.22 - n° 2 | 2016, mis en ligne le 06 juin 2016, consulté le 24 mars 2017. URL : http://geomorphologie.revues.org/11398 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.11398

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Auteurs

Fouzi Nabet

Université Paris 1 – Institut de Géographie – 191, rue Saint-Jacques, 75005 Paris, France – Laboratoire de Géographie physique – CNRS UMR 8591 – 1 place Aristide Briand, 92192 Meudon, France (nabet@cnrs-bellevue.fr). Tél : +33 1 45 07 55 85 ; Fax : +33 1 45 07 58 30.

Stéphane Grivel

Laboratoire de Géographie physique – CNRS UMR 8591 – 1 place Aristide Briand, 92192 Meudon, France – Ministère de l'Environnement, de l'Energie et de la Mer (MEEM) – Direction de l'eau et de la biodiversité – Tour Séquoia – 92055 cedex La Défense, France (stephane.grivel@developpement-durable.gouv.fr).

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Emmanuèle Gautier

Université Paris 1 – Institut de Géographie – 191, rue Saint-Jacques, 75005 Paris, France – Laboratoire de Géographie physique – CNRS UMR 8591 – 1 place Aristide Briand, 92192 Meudon, France (emmanuele.GAUTIER@lgp.cnrs.fr).

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