Processus fondamentaux conditionnant les apports de sediments fins dans les retenues

Les flux de sédiments dans les cours d’eau sont le reflet des processus d’érosion et de transport de particules sur le bassin versant. Dans les torrents, les rivières ou les fleuves, les matériaux arrachés à la croûte terrestre transitent des surfaces continentales vers les océans. Ce transport sédimentaire est réalisé par différents processus et concerne des matériaux divers. On distingue en particulier le transport des matériaux les plus grossiers (galets ou graviers par exemple) au fond du cours d’eau et le transport en suspension des particules fines (argiles, limons ou sables fins). Ce travail concerne exclusivement le transport en suspension des particules fines et n’abordera pas le transport de fond par charriage et saltation. Les phénomènes naturels comme les crues, ainsi que l’action de l’homme sur les territoires, participent à la dynamique sédimentaire des cours d’eau. Les aménagements apportés au bassin versant ou la gestion de la ressource en eau doivent alors prendre en compte les flux sédimentaires, tant du point de vue de la qualité que de la quantité des sédiments transportés.

Les Matières En Suspension (MES) constituent un paramètre important dans la qualité des eaux de surface. En effet, les concentrations en MES apparaissent comme un critère important du Système d’Évaluation de la Qualité des eaux (SEQ-Eau). Lorsqu’elles deviennent trop élevées, elles peuvent dégrader les indices de qualité. Si les MES sont une source indispensable à la vie dans les cours d’eau, elles peuvent également avoir des impacts directs sur les écosystèmes aquatiques selon leur concentration et les durées d’exposition de la faune aquatique (Newcombe et Jensen 1996). De plus, les sédiments présentent une capacité élevée à fixer sur leur surface différents éléments chimiques et à les transporter sur de longues distances. De nombreuses études ont déjà montré que les flux de carbone fixé sur les MES (carbone particulaire) sont importants aux regards des flux dissous et que les transferts entre les surfaces continentales et les océans doivent être intégrés dans le cycle global du carbone (Meybeck et Vörösmarty 1999; Ludwig et al. 1996; Coynel et al. 2005; Etcheber et al. 2007).

Les MES sont également responsables du transfert des polluants de la surface du bassin versant vers les cours d’eau. Les éléments contaminants d’origine agricole, urbaine ou industrielle, peuvent être fixés sur les sédiments puis sont acheminés vers le réseau hydrographique au cours des processus d’érosion et de transport. Parmi les plus fréquemment observés sur les sédiments en suspension, on peut citer notamment le phosphore (Walling et al. 2001; Owens et Walling 2002; Nemery et al. 2005), les pesticides et les polluants micro-organiques (Meybeck et al. 1998; Warren et al. 2003), les PolyChloroBiphényles, PCBs (Meybeck et al. 1998; Owens et al. 2001), ou encore les Éléments Traces Métalliques, ETM (Foster et Charlesworth 1996; Meybeck et al. 1998; Horowitz et al. 2001; Meybeck et al. 2007). Comprendre la dynamique sédimentaire permet de mieux estimer les flux de pollution sous forme particulaire.

La quantité des sédiments transportés joue également un rôle clef dans la gestion des bassins versants. Bien qu’encore mal connus, les effets morphogènes du transport des particules fines en suspension ne sont pas négligeables dans le lit des cours d’eau. En revanche, leur apport aux estuaires et au deltas est fondamental dans la compréhension de la dynamique du littoral. L’étude des volumes de sédiments transportés par les cours d’eau est particulièrement importante dans le cadre de la gestion ou de la construction d’ouvrages hydrauliques, notamment dans le cas des retenues d’eau ou des barrages. A l’approche de ces derniers, la diminution des vitesses de l’écoulement entraîne une sédimentation des particules, qui conduit à un envasement progressif des réservoirs (Palmieri et al. 2001; Radoane et Radoane 2005; Huffaker et Hotchkiss 2006; Vörösmarty et al. 2003; Bouvard 2004). Durant les premières années de mise en service des ouvrages, les taux de piégeage des sédiments peuvent atteindre jusqu’à 80%, entraînant une perte de capacité de stockage de plus de 50% dans certains cas. A l’échelle mondiale, on estime entre 15 et 25% le taux de remplissage des retenues par des sédiments fins (Vörösmarty et al. 2003).

Le transport en rivière

Dans les cours d’eau, on distingue essentiellement deux types de transport, chacun régi par une dynamique propre :
* le charriage : il transporte les éléments les plus grossiers près du fond, par roulement, voire par des petits sauts.
* la suspension : ce mode de transport concerne les éléments les plus fins, qui sont maintenus en suspension dans la colonne d’eau sous l’effet de la turbulence.

La suspension

Le transport en suspension concerne les éléments plus fins placés dans un écoulement turbulent. En eau calme, les particules tombent sous l’action de leur poids à une vitesse wc appelée vitesse de chute d’une particule. Lorsque la composante verticale de la vitesse d’écoulement uz est supérieure à la vitesse de chute, la particule est mise en suspension et se déplace à la vitesse de l’écoulement. Contrairement au charriage, la suspension n’est pas limitée par la capacité de transport du cours d’eau. Les particules en suspension transitent de l’amont vers l’aval dans le lit de la rivière, sauf en cas de forte perturbation de l’écoulement comme des retenues ou des lacs (cf. Introduction). Les particules en suspension vont peu interagir avec le lit du cours d’eau et donc peu affecter sa morphologie. Le transport en suspension est essentiellement contraint par deux phénomènes :
* la turbulence de l’écoulement.
* la vitesse de chute des particules.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 Le transport de sédiments en rivière : état des connaissances
A Le transport en rivière
A.1 Le charriage
A.1.1 Définition
A.1.2 Formulation théorique
A.1.3 Propriétés
A.2 La suspension
A.2.1 Définition
A.2.2 Vitesse de chute des particules
A.2.2.1 Cas d’une particule isolée
A.2.2.2 Cas d’une solution réelle
A.2.3 Distribution verticale des concentrations en sédiment en suspension dans
la colonne d’eau
A.3 Le rapport suspension/charriage
A.3.1 Conditions d’observation des processus
A.3.2 Rapport suspension/charriage en rivière
B Origine et devenir des sédiments en suspension sur le bassin versant
B.1 La production des particules : l’érosion sur les versants
B.1.1 L’action de la pluie
B.1.1.1 Le splash
B.1.1.2 L’érositivité de la pluie
B.1.2 L’érosion par le ruissellement
B.1.2.1 L’érosion diffuse
B.1.2.2 L’érosion concentrée
B.1.3 Le rôle de l’état du sol
B.1.3.1 La croûte de battance
B.1.3.2 Les cycles de gel/dégel
B.1.3.3 L’humidité du sol
B.1.4 Les mouvements de masse
B.1.4.1 Les laves torrentielles
B.1.4.2 Les glissements de terrain
B.2 Le transport des particules
B.2.1 Principe de dépôt/reprise naturel
B.2.1.1 Concept de Sediment Delivery Ratio
B.2.1.2 Dépôt/reprise et hystérésis
B.2.2 Phénomène de dépôt/reprise anthropique
C Modélisation des flux de sédiments en suspension sur le bassin versant
C.1 Modèles statistiques simples
C.1.1 A partir de la relation débit-flux ou pluie-flux
C.1.2 Corrélation multiple
C.1.3 Autres modèles statistiques
C.2 Autres modèles
C.2.1 Formules empiriques
C.2.1.1 L’Universal Soil Loss Equation (USLE)
C.2.1.2 La formule de Ludwig et Probst
C.2.1.3 La formule de Meyer et Wischmeier
C.2.2 Modèles conceptuels à l’échelle du bassin versant
C.2.2.1 Le modèle de Negev
C.2.2.2 Le modèle de Moore et Clarck
C.2.2.3 Le modèle à réservoirs de Lee et Singh
C.2.2.4 Le modèle de Gafrej
C.2.3 Modèles déterministes
C.2.3.1 Le modèle WEPP
C.2.3.2 Le modèle SHESED
C.2.3.3 Le modèle DHSVM
D Synthèse sur l’étude bibliographique du transport en suspension
Chapitre 2 Mesure des concentrations en sédiment en suspension dans les rivières
A Présentation des bassins versants d’étude
A.1 Bassins versants méditerranéens : l’Asse et la Bléone
A.1.1 Physique des bassins versants
A.1.2 Géologie et couverture du sol
A.1.3 Hydro-climatologie
A.1.3.1 Régime pluvial méditerranéen
A.1.3.2 Les années 2001-2003
A.2 Bassins versants de haute montagne : le Ferrand et la Romanche
A.2.1 Physique des bassins versants
A.2.2 Géologie et couverture du sol
A.2.3 Hydro-climatologie
A.2.3.1 Régime nival-glaciaire
A.2.3.2 Les années 2002-2004
A.3 Bassin versant complexe/mixte : l’Isère à Grenoble
A.3.1 Physique du bassin versant
A.3.2 Géologie et couverture du sol
A.3.3 Hydro-climatologie
A.3.3.1 La station hydrométrique de Grenoble Campus
A.3.3.2 Régime pluvio-nival
B La mesure des concentrations en MES
B.1 Les différentes méthodes de mesure de concentration en MES
B.2 La mesure par prélèvement-filtration-séchage-pesée
B.3 Le turbidimètre
B.3.1 De la mesure de la turbidité
B.3.2 … A la concentration
B.4 Installation type d’une station de mesure du transport solide en suspension
B.4.1 Matériel utilisé en turbidimétrie et pour les prélèvements d’eau
B.4.1.1 Les turbidimètres
B.4.1.2 Les préleveurs automatiques
B.4.2 Mise en place d’un turbidimètre et d’un préleveur automatique : exemple
de la station de Grenoble Campus
B.4.2.1 Installation
B.4.2.2 Asservissement du préleveur au turbidimètre
B.4.3 Relations concentration-turbidité sur les bassins versants d’étude
C Les incertitudes sur la mesure
C.1 Incertitudes sur la mesure par prélèvement
C.1.1 Répétitivité de la mesure
C.1.2 Influence du volume d’eau filtrée
C.2 Incertitudes de mesure liées à l’utilisation du turbidimètre
C.2.1 Problèmes de terrain
C.2.2 Dispersion de la relation concentration-turbidité
C.2.2.1 Erreurs observées
C.2.2.2 Sources de ces erreurs
C.2.3 Granulométrie des MES au cours des évènements sur l’Isère
C.2.3.1 Analyse de l’évolution de la granulométrie au cours des évènements
C.2.3.2 Influence sur la relation concentration-turbidité
C.3 Représentativité du point de mesure
C.3.1 Représentativité horizontale
C.3.2 … Et représentativité verticale
C.3.2.1 Sur le terrain
C.3.2.2 En théorie
D Synthèse sur la mesure des concentrations en MES
Conclusion générale

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