1L’érosion des berges est un phénomène complexe de la dynamique géomorphologique des rivières. Elle contribue au développement des méandres (Wallemacq et al., 2011), à l’ajustement des chenaux (Casagli et al., 1999 ; Dapporto et al., 2001) et à la migration latérale (Lawler, 1992 ; Couper et Maddock, 2001). Elle représente de ce fait un aléa dont il faut tenir compte dans la gestion des risques fluviaux. L’érosion des berges est aussi un processus écologique nécessaire (Piégay et al., 1997) et peut contribuer par exemple à la succession végétale à l’intérieur de méandres abandonnés (Salo et al., 1986). L’érosion des berges des cours d’eau constitue ainsi une composante clef du système fluvial qui est associée aux transferts sédimentaires, à l’évolution des tracés fluviaux et à la diversité des écosystèmes (Florsheim et al., 2008). La compréhension des processus responsables de l’érosion des berges demeure une donnée primordiale pour la gestion de ces systèmes (Hooke, 1979).
2On reconnaît généralement trois groupes de processus contribuant à l’érosion des berges : l’érosion fluviale, les mouvements de masse et les mouvements subaériens. Ces trois groupes sont intimement liés et agissent de concert comme l’explique le concept d’équilibre des berges (basal endpoint control ; Carson et Kirkby, 1972 ; Thorne et Tovey, 1981 ; Casagli et al., 1999 ; Dapporto et al., 2001 ; Wood et al., 2001). D’après ce concept, les mouvements subaériens affaiblissent la berge préalablement à l’érosion fluviale alors que l’instabilité provenant d’un sapement basal trop important engendre l’apparition de mouvements de masse. L’ajout sédimentaire à la base de la berge provenant des mouvements de masse et, dans une certaine mesure, des mouvements subaériens augmente la stabilité de la berge en abaissant l’angle de la berge. Lorsque l’érosion fluviale retire cet excès sédimentaire, la berge se déstabilise et les mouvements de masse et subaériens reprennent. L’érosion fluviale et les mouvements de masse ont reçu beaucoup plus d’attention en recherche que les mouvements subaériens dans l’étude de l’érosion des berges. Ceci est en partie lié au fait que les mouvements subaériens sont souvent considérés comme des processus « préparatoires » qui affaiblissent la berge, ce qui facilite alors l’érosion fluviale et les mouvements de masse (e.g., Wolman, 1959 ; Duijsings, 1987 ; Thorne, 1990 ; Lawler et al., 1997 ; Green et al., 1999). Certains auteurs (e.g., Abernethy et Rutherfurd, 1998 ; Luppi et al., 2009) mentionnent que la nature saisonnière de ces processus rend leur étude très complexe alors que d’autres (e.g., Rinaldi et Casagli, 1999 ; Rinaldi et Darby, 2007) considèrent qu’il importe d’étudier les processus d’érosion « dominants », i.e. les mouvements de masse et l’érosion fluviale, soulignant implicitement que les mouvements subaériens jouent un rôle secondaire dans la dynamique d’érosion des berges.
3S’opposant à cette hypothèse qui considère les mouvements subaériens comme processus préparatoires, P.R. Couper et I.P. Maddock (2001) ont suggéré que, lorsqu’ils sont observés sur une longue période de temps, les mouvements subaériens constituent un apport sédimentaire au cours d’eau du même ordre de grandeur que l’érosion fluviale et les mouvements de masse. Un suivi de 16 mois sur les berges de la rivière Arrow (RU) à l’aide de tiges d’érosion leur a permis d’extraire des taux d’érosion moyens annuels pour les trois groupes de processus. Dans cette étude, l’érosion fluviale, de fréquence et d’amplitude modérées, a provoqué une érosion moyenne de 57,2 mm pour la période concernée, les mouvements de masse, peu fréquents mais très intenses, ont engendré une érosion moyenne de 500 mm, alors que les mouvements subaériens, de faible amplitude mais très fréquents, ont produit une érosion moyenne de 47,9 mm sur l’ensemble de la berge. Les travaux récents de V. Wallemacq et al. (2011) rejoignent ces conclusions car ils mettent en évidence l’action du gel (et plus spécialement de la glace de ségrégation) sur la désagrégation des sédiments dans les berges et sur l’augmentation de la vitesse d’érosion des berges. Ils montrent notamment que 60 à 70 % de l’érosion totale annuelle d’une berge documentée à l’aide de tiges d’érosion s’est produite lors des crues qui ont suivi une période de gel relativement intense. Ils observent aussi que le gel a entraîné le recul de berges dans les concavités mais également dans les berges situées dans des secteurs rectilignes. Les études de P.R. Couper et I.P. Maddock (2001) et celles de V. Wallemacq et al. (2011), même si elles couvraient des périodes relativement courtes, soulignent la contribution significative des mouvements subaériens à la production sédimentaire du cours d’eau, mais surtout au recul des berges. Ils mettent également en lumière la nécessité d’observer et de considérer à la fois l’amplitude et la fréquence des processus dans une évaluation exhaustive des processus contribuant au bilan sédimentaire et à la dynamique d’érosion des berges.
4Dans la lignée de ces travaux portant sur les mouvements subaériens (Couper et Maddock, 2001 ; Wallemacq et al., 2011), cet article présente une étude visant à documenter la contribution des mouvements subaériens à la dynamique d’érosion des berges. Plus spécifiquement, nous voulons montrer que ces mouvements peuvent être sous-estimés en tant qu’agent érosif et que le rôle des mouvements subaériens doit être considéré non seulement à travers une dimension spatiale, mais aussi à travers une dimension temporelle. L’échelle temporelle représente non seulement le nombre de mois ou d’années d’une étude mais aussi et surtout la fréquence à laquelle la récolte, des données sur le terrain est faite. Cet article décrit des processus responsables des mouvements subaériens sur une berge de la rivière Ouelle, Québec-Canada, à l’aide d’un suivi photographique, et quantifie la récurrence et les volumes de sédiments mobilisés par des mouvements subaériens à l’aide de relevés topographiques à haute résolution spatiale et temporelle. L’influence des conditions hydrométéorologiques régionales sur ces mouvements est également discutée.
5Le site d’étude se trouve dans la zone inférieure du bassin-versant de la rivière Ouelle, dans le Bas-Saint-Laurent (fig. 1). La rivière Ouelle, affluent du fleuve Saint-Laurent, s’écoule en grande partie dans les Appalaches et draine une superficie de près de 850 km2 sur 75 km de longueur. La station 022704 du Centre d’Expertise Hydrique du Québec, situé à Sainte-Anne-de-la-Pocatière, a enregistré au cours des 25 dernières années un débit de récurrence 2 ans de près de 210 m3/s et des débits maximal et minimal moyens de 220,6 m3/s et 0,8 m3/s, respectivement. La moyenne annuelle des précipitations liquides est de 672,9 mm alors que la moyenne annuelle des précipitations solides équivaut à 2 885 mm. Situé dans une section rectiligne de la rivière Ouelle, le site à l’étude est une berge en érosion de 44 m de hauteur par 50 m de largeur orientée NNE-SSW (fig. 2A). La berge, dont la pente est de 33°, recoupe un till d’ablation constitué de sédiments hétérométriques recouvert par une végétation éparse, herbacée et arbustive (fig. 2B). Les sédiments sont composés de graviers et de blocs allant jusqu’à 40 cm (axe b) tous très anguleux dans une matrice argilo-limoneuse qui maintient la cohésion entre les différentes tailles de sédiments. La médiane (D50) de la fraction fine de la berge (< 2 mm) est de 14,7 μm alors que celle du lit et des bancs (fraction > 2 mm) est de 270 mm. La granulométrie des berges a été effectuée à partir de deux échantillons afin de ne pas endommager la surface de la berge à l’étude. La fraction grossière (> 2 mm) a été mesurée par tamisage sec alors que la fraction fine (< 2 mm) a été traitée par diffraction laser. Les données ont été traitées dans le logiciel Gradistat 4.0.
6Le lit de la rivière situé au pied de la berge étudiée est à une altitude de 108 m et la pente du chenal est de 0,02 %. La morphologie rectiligne du chenal à cet endroit a grandement contribué au choix du site d’étude. Son aspect rectiligne suggère que l’érosion par l’action hydraulique est faible. La pente relativement douce de la berge suggère aussi que les mouvements de masse sont aujourd’hui rares à cet endroit. Les instruments utilisés exigeaient un site facilement accessible pour le suivi fréquent ; le site retenu répondait à ce besoin.
Fig. 1 – Localisation du site d’étude dans le bassin-versant de la rivière Ouelle.
Fig. 1 – Location of study site in the Ouelle River watershed.
1 : bassin-versant ; 2 : eau ; 3 : courbes de niveau (équidistance : 20 m) ; 4 : cours d’eau ; 5 : site d’étude ; 6 : station météorologique.
1: watershed; 2: water; 3: contour line (20 m); 4: streams; 5: study site; 6: meteorological station.
Fig. 2 – A : Berge du site Saint-Onésime. B : Profil de la berge Saint-Onésime.
Fig. 2 – A: Saint-Onésime riverbank. B: Saint-Onésime bank profile.
Photos : V.B. Hamel et J.-P. Marchand.
Photos: V.B. Hamel and J.-P. Marchand.
7Les premières études portant sur la quantification in situ de l’érosion de berge ont utilisé des relevés à l’aide de tiges d’érosion ou de profils transversaux (Lawler, 1993b). Ces relevés sont intensifs (fréquents et délicats) et ils sont encore utilisés (Wallemacq et al., 2011). La version électronique des tiges d’érosion, pour obtenir des données en continu (Lawler, 1993b), et du profileur de berge électronique (PEEP), pour couvrir une plus grande surface de berge que les tiges d’érosion (Prosser et al., 2000), a cependant facilité l’étude de l’érosion des berges. Un PEEP est un photo-dispositif électronique inséré dans la berge qui détecte une exposition à la lumière. Les cellules photovoltaïques permettent de détecter quasi-continuellement s’il y a érosion ou accumulation sur la berge. Néanmoins, aucune de ces méthodes ne réussit à couvrir une grande surface de berge tout en enregistrant des données en continu. Considérant la fréquence élevée et la faible intensité des mouvements subaériens, il importe pour les documenter de mettre en place une méthodologie d’analyse combinant une haute résolution spatiale et une haute résolution temporelle. Cette étude utilise une telle méthodologie. Elle repose sur des campagnes de terrain combinant des observations à haute résolution spatiale à l’aide d’un LIDAR terrestre et à haute résolution temporelle à l’aide d’une caméra automatisée. Notons cependant que les anciennes méthodes sont moins contraignantes que le LIDAR terrestre qui ne peut être utilisé que sur des sites facilement accessibles.
8Pour décrire les processus subaériens sévissant sur la berge, une caméra Reconyx RC55 RapidfireTM a été installée sur le site à un peu moins de 50 m de la berge. Des photographies couleur (image à résolution de 3,1 mégapixels) ont été prises de septembre 2009 à avril 2010 à raison d’une photographie par heure. Ces photographies constituent une série temporelle documentant les événements se produisant sur l’ensemble de la berge. Une analyse visuelle détaillée des photographies a permis de caractériser les événements d’érosion sur la berge et d’en construire une série temporelle. Six processus différents ont été identifiés : le ruissellement à compétence élevé (forte mobilisation de sédiments), le ruissellement à compétence faible (faible mobilisation de sédiments), les décrochements, les avalanches de neige, les chutes de graviers et de blocs et les chutes d’arbre (tab. 1). Toutes les occurrences de ces processus ont été identifiées à partir des séries photographiques. Pour chaque événement, l’amplitude et la position relative sur la berge ont été notées. L’amplitude des processus est qualifiée de faible, moyenne ou élevée en fonction de la surface de la berge touchée par la mobilisation de sédiments par section. Pour ce faire, une note /10 a été attribuée à chacun des mouvements. Un mouvement ayant touché moins de 3 fois sur 10 la surface de la berge est considéré comme faible. Un mouvement touchant entre 4 et 7 fois sur 10 la surface est considéré comme ayant une amplitude moyenne alors qu’un mouvement touchant plus de 7 fois sur 10 la surface représente une amplitude élevée. Pour la position relative, la berge a été divisée en trois sections de haut en bas soit haut (H), centre (C) et bas (B) et de l’amont vers l’aval (sections I, II, III ; fig. 2). Pour bien s’assurer de ne pas obtenir des valeurs d’érosion fluviale sur le pied de berge durant une période de crue ou des données d’érosion associées à la débâcle printanière, la section du bas des photographies (B) a été délimitée délicatement en tenant compte du niveau d’eau le plus haut atteint durant la période d’étude. Ainsi, aucune donnée associée à l’érosion par l’action hydraulique ne vient interagir avec les données obtenues sur les mouvements subaériens. La série photographique a permis aussi de faire le suivi des conditions météorologiques locales. Cette série a été utilisée pour évaluer les événements hydrométéorologiques ayant pu influencer les processus subaériens observés.
9La prise de photographie horaire comporte des limites. Par exemple, l’angle d’ensoleillement nuit à la clarté des images alors que des précipitations trop intenses ou encore le brouillard limitent la visibilité. Aussi, lorsque la berge était recouverte de neige, seuls les mouvements importants ont pu être recensés facilement puisque la neige en était déplacée. Malgré le sol gelé, de petits mouvements ont peut-être eu lieu sous la couverture neigeuse et n’ont pas pu être comptabilisés. De plus, puisque la caméra prend des données à distance, elle ne peut fournir des informations sur certains processus reconnus tels les aiguilles de glace, la contraction-dilatation de la berge ou encore l’humidité de la berge (e.g., Wolman, 1959 ; Lawler et al., 1997). Pour ce faire, d’autres outils méthodologiques doivent être utilisés pour obtenir des données décrivant l’état interne de la berge. Sans aucun doute, ces processus auraient avantage à être documentés. Les choix méthodologiques nous permettent donc d’obtenir des informations sur les processus visibles sur les photographies.
Tab. 1 – Les processus subaériens recensés sur la berge Saint-Onésime et leur définition respective.
Tab. 1 – Observed subaerial processes and their definition on Saint-Onésime riverbank.
|
Processus
|
Définition
|
|
Ruissellement (C↓)
|
Faible écoulement de surface lorsque la berge est saturée produit par la faible fonte du couvert nival et/ou par de faibles précipitations et transportant des sédiments en bas de pente.
|
|
Ruissellement (C↑)
|
Fort écoulement de surface lorsque la berge est saturée produit par la fonte accélérée du couvert nival et/ou par de fortes précipitations et transportant des sédiments en bas de pente.
|
|
Avalanche
|
Masse de neige se détachant du reste du couvert nival et transportant avec elle des sédiments en bas de pente.
|
|
Décrochement
|
Petite partie de terre se détachant du reste du sol et se dirigeant vers le bas de pente.
|
|
Chute d’arbre
|
Détachement partiel ou complet d’un ou de plusieurs arbres transportant avec eux des sédiments en bas de pente.
|
|
Chute de graviers et de blocs
|
Graviers et blocs se détachant de la berge et se dirigeant vers le bas de pente.
|
10Des modèles numériques de terrain (MNT) à haute résolution obtenus à deux moments dans le temps peuvent être soustrait l’un de l’autre pour créer un modèle numérique des différences d’élévation (MNDE). Les MNDE permettent d’extraire les volumes de sédiments liés aux changements morphologiques de la surface (Lane et al., 2003). M. Nasermoaddeli et E. Pasche (2008) ont utilisé cette méthode pour mesurer l’érosion fluviale et les mouvements de masse le long de la rivière Hardebek-Brokenlander en Autriche. Ils ont utilisé un LIDAR terrestre pour mesurer les changements morphologiques des berges car il représente une méthode rapide et précise. Les auteurs réussissent à quantifier des bilans sédimentaires (accumulation - érosion) aussi petits que 14 mm/mois. T. Oppikofer et al. (2006) ont eux aussi souligné l’efficacité des images provenant de LIDAR terrestre sur les berges de la Sorge en Suisse afin de quantifier l’érosion provenant de mouvements de masse. Les nuages de points obtenus entre le 16 mars et le 12 avril 2006 montrent une érosion de 800 mm sur une surface de 500 m2. J.P. Resop et W.C. Hession (2010) ont analysé l’érosion d’une berge du ruisseau Stroubles, Blacksburg, Virginie. Pour ce faire, deux méthodes d’analyse ont été comparées : le théodolite et le scanneur laser terrestre. Ils concluent que le scanneur laser capte de l’information sur toute la berge plutôt que sur une section transversale comme le fait le théodolite et est donc, de ce fait, l’outil le plus précis entre les deux techniques. Les données obtenues indiquent une érosion de 150 mm/an.
11Pour quantifier la contribution des processus subaériens à l’érosion des berges, plusieurs MNT ont été obtenus à des temps différents à l’aide d’un LIDAR terrestre (Leica scan station II). Les scans ont été pris à une résolution d’1 cm donnant en moyenne 10 000 points/m2. La surface de la berge possède une rugosité élevée et nécessite de ce fait des scans à plus forte résolution pour réussir à capturer le moindre détail dans les différences d’élévation (Schürch et al., 2011). Au total, six MNT ont été réalisés entre août 2009 et mai 2010 pour obtenir des données saisonnières sur les changements morphologiques. Aucun scan n’a été fait durant les mois d’hiver (décembre, janvier, février et mars) puisque le faisceau du scan ne traverse pas la couverture neigeuse. Les MNT ont été traités dans le logiciel Cyclone de Leica puis exportés dans le module Cyclone II topo pour éliminer la végétation et ne garder que la face de la berge dénudée. Le logiciel permet la création rapide de plans topographiques à partir d’un nuage de points. Le logiciel cherche un point au sol en traversant la végétation et y insère une valeur pour une résolution donnée (Leica Geosystems, 2011). Dans cette étude, le retrait de la végétation a été effectué pour obtenir un MNT de 5 cm de résolution. Cette résolution est un compromis pour minimiser l’effet de l’irrégularité du nuage de points tout en optimisant le temps nécessaire à la mise en œuvre de l’extraction de la végétation. La résolution aux 5 cm obtenue à l’aide de Cyclone II topo n’implique pas un quadrillage parfait de 5 cm x 5 cm puisque le logiciel cherche un point au sol au travers de la végétation. De ce fait, il ne peut réussir à créer un nuage de points équidistants et une interpolation est alors nécessaire pour comparer les MNT entre eux. Pour déterminer la méthode d’interpolation spatiale la plus fidèle à la réalité, douze méthodes d’interpolation ont été testées à l’aide du logiciel Surfer 8.0 pour deux dates différentes. Une validation croisée de 1 000 points-repères sur chacune des douze méthodes permet le calcul de la moyenne et des erreurs types des erreurs d’interpolation. Considérant la densité de points (55 points/m2), les erreurs sont similaires pour plusieurs méthodes mais la méthode « Natural Neighbor » induit les plus faibles erreurs tant au niveau de la moyenne (10 mm) que de l’erreur type (40 mm) pour les deux dates. Cette méthode a donc été retenue pour les analyses.
12Les conditions météorologiques proviennent de la station météorologique de La Pocatière (Environnement Canada, 2010) située à 6,6 km du site d’étude et à une altitude de 30,5 m. Bien que cette station ne soit pas située dans un contexte environnemental similaire à la berge à l’étude, elle demeure la station la plus près du site. De plus, en utilisant les données météorologiques régionales, nous désirons évaluer si ces données peuvent être utilisées pour une explication des processus à une échelle locale sans que l’on ait recours à des stations météorologiques à même les sites. Ces données régionales sont validées par l’entremise des conditions horaires observables sur les photographies de la caméra automatisée. Un senseur de température est intégré à la caméra et indique la température ambiante sur la photographie au moment du cliché. Les photographies permettent également d’observer la durée et l’intensité relative des précipitations. Les données de température et de précipitation extraites des photographies et de la station météorologique sont mises en relation avec les mouvements observés sur les photographies (fig. 3). Les données provenant de la station météorologique ainsi que les données sur les photographies ont toutes les deux une fréquence horaire.
Fig. 3 – Mouvements subaériens observés sur la berge Saint-Onésime 2009-2010 et mis en relation avec la température de l’air et les précipitations à la station météorologique La Pocatière.
Fig. 3 – Subaerial movements observed on Saint-Onésime riverbank in relation with ambient air and precipitations at La Pocatière meteorological station.
Position sur la berge. 1 : haut ; 2 : centre ; 3 : bas. Magnitude. 4 : faible ; 5 : moyenne ; 6: élevée.
Position on the riverbank. 1: top; 2: center; 3: bottom. Magnitude. 4: low; 5: medium: 6: high.
13Le tab. 2 donne les caractéristiques des mouvements subaériens répertoriés entre septembre 2009 et avril 2010 à l’aide des photographies obtenues par la caméra automatisée. Les mouvements sont classifiés selon le type, l’amplitude et la position sur la berge :
-
Les chutes de graviers et de blocs sont les événements observés le plus fréquemment. À eux seuls, ces mouvements représentent 50 % des 91 mouvements subaériens répertoriés. Ils possèdent une amplitude moyenne dans 40 % des cas et faible dans 60 % des cas. Par la suite, le ruissellement à compétence faible et les avalanches sont les mouvements les plus fréquents avec une occurrence respective de 17,6 % et 15,4 %. Le ruissellement à compétence élevé suit avec 11 % des mouvements totaux. Les décrochements et chutes d’arbre sont peu fréquents mais possèdent une amplitude forte à moyennement forte dans tous les cas.
-
La très grande majorité des événements (80 %) se produisent en haut ou au centre de la berge mais ils ont des répercussions morphologiques jusqu’au bas de la berge. Parmi eux, 70 % correspondent à des événements apparus au centre de la berge, soit plus de la moitié des mouvements totaux alors que seulement 10 % d’entre eux correspondent à des mouvements d’amplitude élevée. Le nombre de mouvements de faible et de moyenne amplitude est équivalent à ceux au centre de la berge.
-
Le ruissellement de faible compétence possède une amplitude faible en haut de la berge ; il atteint une amplitude forte au centre pour ensuite diminuer au bas de la berge en raison de la pente qui s’amenuise. Le ruissellement de compétence élevée, bien moins fréquent, suit le même patron.
-
Les avalanches pour leur part touchent les trois zones, mais elles sont plus fréquentes en haut et au centre de la berge. Elles atteignent une forte amplitude au centre de la berge seulement. De forts décrochements ont été observés seulement en haut de berge. La pente plus abrupte à cet endroit et la présence de discontinuités thermiques (arbres, arbustes et herbacées sur un sol en surplomb) et structurales au sein de manteau neigeux expliquent cette observation.
-
La chute d’arbres s’observe aussi en haut de berge où la pente abrupte et le sol humide, en raison du ruissellement constant, diminuent l’emprise des racines dans le sol. La chute d’un arbre en haut de la berge a entrainé la chute d’un autre arbre au centre de la berge. Finalement, la chute de graviers et de blocs, qui correspond de loin à l’événement le plus fréquent, s’observe dans les trois zones, mais elle se produit principalement au centre de la berge (26 événements sur 46).
Tab. 2 – Types de mouvement et leur récurrence selon leur position sur la berge et leur amplitude.
Tab. 2 – Types of movement and their recurrence according to their position on the bank face and their magnitude.
|
Position
|
Haut
|
Centre
|
Bas
|
Total
|
|
Amplitude
|
Élevée
|
Moy.
|
Faible
|
Élevée
|
Moy.
|
Faible
|
Élevée
|
Moy.
|
Faible
|
|
Ruissellement (C↓)
|
|
3
|
2
|
3
|
5
|
1
|
|
2
|
|
16
|
|
Ruissellement (C↑)
|
|
1
|
|
2
|
2
|
3
|
|
1
|
1
|
10
|
|
Avalanche
|
|
3
|
3
|
1
|
3
|
2
|
|
1
|
1
|
14
|
|
Décrochement
|
1
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
|
Chute d'arbre
|
2
|
|
|
|
1
|
|
|
|
|
3
|
|
Chute de graviers, blocs
|
|
5
|
3
|
|
11
|
15
|
|
2
|
10
|
46
|
|
Total
|
3
|
13
|
8
|
6
|
22
|
21
|
0
|
6
|
12
|
91
|
L’amplitude réfère à la proportion de la berge affectée par le processus.
The magnitude relates to the proportion of the bank that is affected by the movement.
14La fig. 3 présente la chronologie des 91 mouvements subaériens répertoriés à l’aide des photographies. Comme pour les séries temporelles des précipitations et des températures régionales, l’occurrence des mouvements est présentée selon les jours juliens. Les cercles noirs, gris et blancs identifient les mouvements survenus respectivement dans le haut, le centre et le bas de la berge. La taille des cercles est proportionnelle à l’amplitude relative des mouvements. Pour faciliter les observations, le tab. 3 indique la moyenne des précipitations survenues dans les dernières 24 et 48 h ainsi que lors de la semaine précédant un événement. Le nombre de cycles gel-dégel est présenté selon les mêmes paramètres.
15Les résultats obtenus de septembre 2009 à avril 2010 montrent que les mouvements subaériens se produisent plus fréquemment lorsque la température de l’air oscille autour de 0 °C. À l’automne 2009, 16 événements ont été répertoriés entre la mi-octobre et la mi-décembre alors qu’au printemps 2010, 57 événements ont été répertoriés entre le 24 février et le 14 avril. Aucun événement n’a été observé durant la période hivernale (décembre-janvier). Le redoux hivernal de fin janvier-début février 2010 a cependant provoqué plusieurs événements. De plus, la plupart des événements surviennent après une période de précipitations liquides. Par exemple, les petits événements du début du mois de novembre 2009 se sont produits après une période de précipitations de 40 mm en une semaine et trois cycles gel-dégel (sur 23 j). Les événements plus nombreux de la fin novembre et du début du mois de décembre 2009 se sont produits après deux semaines de précipitations totalisant 101 mm, précipitations qui furent accompagnées de deux cycles gel-dégel complets. Cette combinaison est intervenue à d’autres reprises. Entre les jours juliens 20 et 38, 11 mouvements ont été observés durant une période de redoux accompagnée de précipitations liquides (19 mm). Entre les jours 67 et 105, six cycles gel-dégel accompagnés de pluie (64 mm) ont eu lieu, produisant 53 mouvements de tous les types, à l’exception des décrochements et chutes d’arbre. Les mouvements liés aux chutes d’arbre et aux décrochements surviennent à des moments où le sol est gorgé d’eau en raison des fortes précipitations. D’après le tab. 3, les précipitations liquides semblent avoir un rôle majeur dans le déclenchement de ces événements. Au jour julien 283, deux chutes d’arbre sont survenues après un total de de 63,7 mm de pluie en une semaine. Au jour julien 332, une autre chute d’arbre s’est produite après une pluie de 25 mm durant les trois jours précédant l’événement. Les décrochements du 55e jour julien coïncident avec à une période de précipitation intense, soit de 43 mm de pluie en trois jours. Les chutes de graviers et de blocs, qui représentent les mouvements les plus fréquents, ainsi que les avalanches sont survenues dans la grande majorité des cas lors d’événements météorologiques combinant des précipitations liquides et des cycles gel-dégel (tab. 3).
16Ces observations soulignent que la fréquence des cycles gel-dégel ou la quantité de précipitations reçue sur une courte période de temps augmente la probabilité d’observer un mouvement. Toutefois, il convient de rappeler que les données météorologiques utilisées proviennent d’une station située à 6,6 km de notre site d’étude et que les conditions réelles qui prévalaient sur ce site étaient probablement légèrement différentes, notamment en raison de l’altitude plus élevée.
Tab. 3 – Moyennes des précipitations (en mm) et des cycles gel-dégel survenus dans les dernières 24 h et 48 h et lors de la dernière semaine pour chacun des processus répertoriés.
Tab. 3 – Average rainfall (in mm) and freeze-thaw cycles occurred in the last 24 h, 48 h, and during the last week for each process listed.
17Les MNDE permettent d’obtenir des données sur les volumes de sédiments accumulés ou érodés (en m3) par unité de surface (en m2). Pour saisir plus facilement les résultats des MNDE et les comparer avec ceux des autres études, les données sont présentées sous la forme d’un bilan sédimentaire. La valeur de bilan sédimentaire est obtenue en divisant la différence de volume entre deux MNT par la surface de berge. Cette valeur représente l’épaisseur moyenne (en mm) de sédiments mobilisés pour l’ensemble de la berge. Une valeur positive est attribuée à une accumulation alors qu’une valeur négative est associée à une érosion.
18La fig. 4 présente les bilans sédimentaires déduits de six MNDE. Les cinq premiers MNDE proviennent de la superposition des MNT mensuels alors que le sixième découle de la superposition des MNT des mois d’août 2009 et mai 2010 (10 mois de différence entre les deux relevés). Les zones d’érosion sont représentées en rouge, les zones d’accumulation en vert et les zones sans changement topographique significatif en blanc. La fig. 4 indique également la position sur la berge (haut, centre, bas) alors que le tab. 4 présente les bilans sédimentaires pour chacune des positions relatives sur la berge.
19Pour les mois d’août et septembre, le bilan sédimentaire de l’ensemble de la berge est de -4,3 mm ; l’érosion est plus importante au centre et en bas de berge (tab. 4). Le MNDE entre les mois de septembre et d’octobre 2009 révèle un bilan sédimentaire de 47,5 mm sur l’ensemble de la berge avec une étroite bande d’érosion à proximité de la limite du niveau d’eau de la rivière. L’accumulation la plus importante se trouve en haut de berge. Le MNDE entre les mois d’octobre et de novembre 2009 montre une accumulation en haut de berge alors qu’une érosion est perceptible au centre. De novembre 2009 à avril 2010, le haut de la berge a été érodé (-24,2 mm) alors que le centre (3,9 mm) et le bas (70,5 mm) de la berge présentent un bilan sédimentaire positif. Le MNDE entre les mois d’avril et mai 2010 révèle une érosion marquée de près de 80 mm à la base de la berge alors que le haut et le centre s’érodaient de 62 mm et 36 mm respectivement. Au final, le bilan sédimentaire pour toute la période d’observation (août 2009 et mai 2010) indique que l’ensemble de la berge a subi une érosion marquée en haut de berge et au centre de la berge alors que la base de la berge a été en progradation.
Fig. 4 – Modèles numériques des différences d’élévation (MNDE) pour le site Saint-Onésime entre août 2009 et mai 2010.
Fig. 4 – Saint-Onésime digital elevation models (DEM) between August 2009 and May 2010.
1 : accumulation ; 2 : érosion ; 3 : aucun changement notable.
1: accretion; 2: erosion; 3: no significant change.
Tab. 4 – Bilans sédimentaires (en mm) provenant des MNDE pour le site Saint-Onésime divisés selon le haut, le centre et le bas de la berge.
Tab. 4 – Clear benefits (in mm) from DEM divided in top, middle and bottom of the bank face for Saint-Onésime site.
|
Bilan sédimentaire (en mm)
|
|
Août-septembre 2009
|
Septembre-octobre 2009
|
Octobre-novembre 2009
|
Novembre 2009-
avril 2010
|
Avril-mai 2010
|
Aout 2009-
mai 2010
|
|
Haut
|
-2,9
|
66,8
|
3,2
|
-24,2
|
-61,9
|
-26,1
|
|
Centre
|
-5,1
|
44,1
|
-10,3
|
3,9
|
-36,2
|
-2,5
|
|
Bas
|
-4,3
|
35,6
|
-2,1
|
70,5
|
-76,8
|
18,3
|
|
Ensemble
de la berge
|
-4,3
|
47,5
|
-3,6
|
16,7
|
-57,0
|
-1,9
|
20L’analyse de la chronologie et des caractéristiques des mouvements subaériens combinée aux MNDE a permis de cerner leur contribution à l’érosion des berges. À l’aide de la méthodologie utilisée, les processus subaériens sont difficilement quantifiables de façon individuelle car plusieurs peuvent survenir au même endroit pendant la durée d’un mois entre deux relevés mensuels. Cependant, il est possible d’évaluer les volumes accumulés et érodés par les mouvements subaériens pour l’ensemble de la berge à l’aide des MNDE. Ces derniers permettent d’observer rapidement les changements survenus sur une grande surface.
21Les volumes provenant des MNDE, les photographies et les conditions météorologiques suggèrent que les pluies des mois d’août et septembre arrachent les particules fines sur la surface de la berge, ce qui explique les faibles taux d’érosion de -4,3 mm sur l’ensemble de la berge comparativement aux taux plus élevés entre les mois d’avril et mai 2010 (57,0 mm). R.B. Bryan (2000) souligne lui aussi l’importance du ruissellement et de l’impact des gouttes de pluie sur les taux d’érosion.
22Le scan effectué au mois d’octobre 2009 a été obtenu après une période de pluie soutenue alors que les températures moyennes oscillaient près de 0 °C et que la glace de ségrégation s’installait graduellement dans la berge. B. Abernethy et I.D. Rutherfurd (1998) soulignent que les berges qui subissent des cycles d’humidification-sécheresse se contractent et se dilatent. De plus, lorsqu’elle passe de la phase liquide à la phase solide, l’eau augmente en volume de près de 10 % (Pissart, 1987). Le bilan sédimentaire positif de 47,5 mm obtenu à partir du MNDE entre les mois de septembre et d’octobre 2009 indique une augmentation généralisée de la topographie (fig. 4). Cette observation suggère que l’humidification de la berge et la présence de glace de ségrégation ont fait gonfler la berge suffisamment pour que ce gonflement soit perceptible par le scan. Il semble ainsi que le scan soit suffisamment sensible pour capter les gonflements de la berge, dus à l’humidification et à la présence de glace de ségrégation, phénomènes difficilement observable à l’œil nu. Des scans à plus haute résolution temporelle seraient cependant nécessaires pour valider une telle observation.
23Les variations de volume des berges sont dans certains cas clairement associés à des mouvements recensés à l’aide de la caméra automatisée. Tout d’abord, le MNDE entre les mois de septembre et octobre 2009 montre bien les chutes de graviers, de blocs et d’arbres, répertoriées en IHC et IIICB entre les scans. De plus, le MNDE entre les mois d’octobre et novembre 2009 montre clairement tous les événements répertoriés à l’aide des photographies. Les mouvements observés ont tous eu lieu en IIICB puis les sédiments se sont accumulés en bas de pente. Le MNDE entre les mois de novembre 2009 et avril 2010 montre très bien les mouvements d’amplitude moyenne et forte observés sur les photographies. Ces mouvements ont tous eu lieu en IH, IIHC et IIICB. De la même façon, l’accumulation des sédiments en bas de pente est bien enregistrée, de même que plusieurs petits événements survenus en IIB. Enfin, le MNDE correspondant aux mois d’avril et mai 2010 met en évidence le ruissellement significatif observé en IH et IIHC.
24Le suivi fréquent à l’aide de scans au site Saint-Onésime, sur une longue période de temps et combiné aux images obtenues à l’aide de la caméra, permet de mettre en relation les résultats et les données météorologiques régionales. Par exemple, entre la fin du mois de février 2010 et le début du mois de mai 2010, plusieurs mouvements subaériens ont eu lieu pendant de nombreux cycles gel-dégel. Cette dynamique sera vraisemblablement accentuée par le réchauffement climatique. Selon les données du consortium OURANOS (2010), les températures journalières moyennes ont augmenté de 0,2 à 0,4 °C par décennie dans le sud du Québec. De plus, les hivers sont plus courts et nous faisons actuellement face à une augmentation du nombre de jours avec précipitations de faible intensité. Les prévisions du consortium à l’horizon 2050 annoncent un réchauffement climatique touchant l’ensemble du territoire québécois et une augmentation des précipitations solides dans le sud du Québec allant de 8,6 % à 18,1 % selon les modèles. Cependant, l’augmentation des précipitations solides est aussi accompagnée d’une hausse des températures et d’une arrivée précoce du printemps réduisant ainsi la durée d’un couvert nival. Les bouleversements climatiques annoncés laissent sous-entendre que la contribution relative de chacun des types de processus érosifs risque d’être modifiée à son tour. En effet, les températures plus chaudes peuvent se traduire par des cycles gel-dégel plus fréquents. Les précipitations plus importantes et plus nombreuses annoncent une amplification des mouvements subaériens par une augmentation du ruissellement, par l’activité amplifiée de l’érosion pluviale et la suffosion (Bryan, 2000 ; Bernatchez et Dubois, 2004). En ce sens, la contribution des mouvements subaériens à l’érosion des berges pourrait être exacerbée.
25Le concept d’équilibre des berges affirme que l’érosion fluviale entraîne les mouvements de masse par le sapement basal (Carson et Kirkby, 1972 ; Thorne et Tovey, 1981) alors qu’en échange, les processus subaériens provoquent une accélération de l’érosion fluviale (Wolman, 1959 ; Lawler, 1993a). Les mouvements subaériens sont largement contrôlés par les variations climatiques. Des changements dans les conditions climatiques (précipitations, températures) peuvent modifier la fréquence et l’amplitude des mouvements subaériens et, par conséquent, entraîner une accélération de l’érosion des berges par l’action hydraulique.
26La fig. 5 propose plus spécifiquement un modèle conceptuel intégrant le concept d’équilibre des berges tout en considérant l’influence des changements climatiques sur les processus. Bien que plusieurs facteurs jouent sur chacun des processus, ce modèle souligne le facteur dominant directement influencé par des changements dans les régimes thermique et pluvial. La flèche en pointillés souligne la relation indirecte existant entre les mouvements de masse et les changements climatiques, en raison du concept d’équilibre des berges. Le modèle veut surtout souligner la nécessité d’étudier à la fois l’érosion fluviale et les mouvements subaériens pour mieux comprendre l’effet des changements climatiques sur l’érosion des berges. En effet, la fréquence et l’intensité des mouvements subaériens et de l’érosion fluviale varieront en fonction de la nature des changements climatiques. Ce modèle propose une vision simplifiée mais exhaustive des trois processus contribuant à l’érosion des berges. Comme les mouvements subaériens sont contrôlés par les conditions hydrométéorologiques, le modèle permet de corréler les changements climatiques et la migration latérale. Par exemple, si les précipitations liquides deviennent plus fréquentes, les mouvements subaériens seront accélérés, ce qui affaiblira la berge et, de facto, augmentera l’érosion fluviale. Éventuellement, l’érosion fluviale pourra devenir assez importante pour provoquer un mouvement de masse. Aussi, si les sédiments produits par les mouvements subaériens ne sont pas évacués par l’érosion fluviale, l’angle de la berge sera modifié par une accumulation importante en sédiments, ce qui réduira la probabilité d’observer des mouvements de masse.
27Le modèle considère les mouvements subaériens comme une des trois composantes fondamentales contribuant au recul des berges. Il élargit la vision actuelle qui estime les processus subaériens comme étant simplement préparatoires ou secondaires. Le modèle souligne également que l’activité des mouvements subaériens peut influencer directement celle de l’érosion fluviale, et ce, de plusieurs façons. Comme mentionné précédemment, les mouvements subaériens peuvent diminuer la cohésion d’une berge et amplifier l’érosion produite par l’activité hydraulique lorsque le débit augmente. Cependant, les mouvements subaériens peuvent jouer un tout autre rôle. Ils peuvent en effet exacerber ou étouffer le rôle de l’érosion fluviale. Plus les mouvements subaériens sont actifs et moins l’érosion fluviale pourra s’attaquer au pied de berge car elle devra évacuer les sédiments produits par les mouvements subaériens. En revanche, si la production de sédiments subaériens est moindre, l’érosion fluviale sera en mesure de saper plus facilement le pied de berge. Le modèle souligne la nécessité de replacer à leur juste place les mouvements subaériens dans l’étude de l’érosion des berges, et ce, principalement dans le contexte actuel où les modèles climatiques envisagent de grandes modifications du climat dans un avenir proche (e.g., Arora et Boer, 2001 ; OURANOS, 2010). Le modèle fait ressortir l’importance d’étudier davantage l’érosion fluviale et les mouvements subaériens directement contrôlés par les conditions hydrométéorologiques.
Fig. 5 – Modèle conceptuel montrant l’influence des changements climatiques sur l’érosion des berges en se basant sur le concept d’équilibre des berges.
Fig. 5 – Conceptual model showing the influence of climate change on riverbank erosion, based on the concept of basal endpoint control.
28Cette étude a documenté la contribution des mouvements subaériens à la dynamique d’érosion d’une berge dans une portion rectiligne de la rivière Ouelle pendant près d’une année. L’étude reposait sur l’utilisation de deux approches méthodologiques, l’une basée sur le suivi photographique de la berge afin de déterminer l’occurrence des événements, l’autre basée sur des relevés topographiques à très haute résolution spatiale à l’aide d’un LIDAR terrestre. Les deux méthodes sont complémentaires et ont permis de mieux comprendre le rôle respectif des différents mouvements subaériens pour la période étudiée. Les conclusions qui découlent de cette recherche sont les suivantes :
-
Les mouvements subaériens entraînent des épaisseurs d’érosion variant de 5 à 50 mm/mois, les taux variant selon le mois et la position sur la berge ;
-
Sur la berge retenue, les mouvements les plus fréquemment répertoriés sont les chutes de graviers et de blocs (50 %) ;
-
Tous les mouvements subaériens répertoriés surviennent principalement à l’automne et au printemps lorsque la température oscille autour de zéro ou encore lorsque des précipitations liquides surviennent.
29Ces conclusions suggèrent qu’il importe de considérer les mouvements subaériens dans l’étude de l’érosion des berges et, plus particulièrement, leur contribution dans les portions rectilignes des cours d’eau. Ils engendrent des dynamiques efficaces qui risquent d’être modifiées par les changements climatiques actuels et futurs. Cette étude s’est concentrée sur une partie seulement des mouvements subaériens connus. Le rôle des aiguilles de glace devrait être mieux documenté par les études ultérieures. Il semble en effet à la lumière des observations qualitatives que nous avons effectuées que les mouvements initiés par les cycles gel-dégel et la glace de ségrégation jouent un rôle significatif dans la dynamique des mouvements subaériens. Ainsi, l’ajout d’instruments pour mesurer les variations d’humidité et le régime des températures de la berge serait très pertinent.
30La contribution des processus subaériens dans les taux de retrait des berges demeure difficilement quantifiable à l’aide des relevés topographiques mensuels, surtout lorsque les mouvements sont abordés individuellement. Durant le suivi de dix mois, la berge à l’étude n’a subi aucun mouvement de masse et influence relativement faible de l’érosion fluviale mais, en revanche, de nombreux mouvements subaériens. Pour obtenir des données plus justes et plus complètes sur les taux d’érosion des berges, les processus subaériens doivent être considérés, et ce, sur une très longue période de temps.
Cette recherche a été subventionnée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) ainsi que par le laboratoire de géomorphologie et dynamique fluviale de l’UQAR. Un merci tout spécial à tous les volontaires qui ont apporté une aide indispensable sur le terrain et en laboratoire. Finalement, nous désirons remercier les deux relecteurs pour des commentaires constructifs qui ont permis de rehausser significativement la qualité du document.
Flux RSS
