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Connectivité hydro-sédimentaire dans un petit bassin versant agricole du nord-ouest de la France : de l’expertise de terrain à la modélisation par Système Multi-Agent

Hydro-sedimentary connectivity in a small agricultural watershed in French northwest: from field expertise to multi-agent system modeling
Romain Reulier, Daniel Delahaye, Vincent Viel et Robert Davidson
p. 327-340

Résumés

Les transferts hydro-sédimentaires de surface qui ont lieu sur les versants influencent sensiblement les différents compartiments des hydrosystèmes et génèrent de multiples aléas (érosion des sols, pollution de l’eau, inondations aux exutoires, etc.). Dans les hydrosystèmes de faible énergie, tels qu’on les rencontre dans le nord-ouest de la France, appréhender les dynamiques d’écoulement sur les versants nécessite en premier lieu de s’intéresser aux rôles respectifs de chacune des entités du paysage (parcelles agricoles, haie, fossé, etc.) et aux interactions qu’elles engendrent avec les transferts hydro-sédimentaires. Dans cet article nous proposons une double approche (modélisatrice et géomorphologique) pour mieux formaliser les liens qui unissent la structure paysagère aux processus de transferts hydro-sédimentaires. Dans une première approche, un modèle développé sous Système Multi-Agents a été conçu en vue de développer des indices d’analyse spatiale capables de mesurer l’impact de la structure paysagère sur la connectivité structurelle. Les premiers résultats de cette approche exploratoire montrent la pertinence d’un tel outil pour une meilleure compréhension des interactions processus/paysage et ouvre des pistes pour l’évaluation de la connectivité fonctionnelle. Cette dernière est ici appréhendée par un travail de quantification des flux hydro-sédimentaires au cours de différents épisodes de ruissellement. Le travail s’est déroulé sur un petit bassin versant normand agricole (17,6 km²). Les résultats de cette approche géomorphologique mettent en évidence des effets de seuils hydrologiques, de disponibilité des stocks sédimentaires ainsi que des effets d’échelles dont la bonne compréhension est fondamentale pour mieux appréhender la connectivité fonctionnelle et la complexité des processus.

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Notes de la rédaction

Article soumis le 7 avril 2017, reçu sous sa forme révisée le 14 novembre 2017 et définitivement accepté le 30 novembre 2017.

Texte intégral

Les auteurs remercient l’ensemble des personnes ayant participé aux différentes campagnes de prélèvements.

1. Introduction

1Le transfert de matières en suspension (MES) et des particules associées vers les cours d’eau a des conséquences néfastes sur les ressources environnementales telles que la diminution de la fertilité des sols, la baisse de l’activité biologique, le colmatage des frayères, l’augmentation de la turbidité, l’eutrophisation, la pollution, etc. (Ryther et Dunstan, 1971 ; Gascuel-Odoux et Aurousseau, 1999 ; Malcolm et al., 2003 ; Laurent, 2006 ; IFEN, 2006 ; Acolas et al., 2008). Ces multiples enjeux posent ainsi la question de l’origine des sédiments dans les bassins versants, mais aussi celle des dynamiques spatiales et temporelles de ces flux sédimentaires au sein de l’hydrosystème. Cette méconnaissance est notamment liée à la complexité des processus hydro-sédimentaires à l’œuvre. En effet, dans les hydrosystèmes de faible énergie, aux effets de pentes s’ajoutent ceux liés aux objets du paysage, qui modifient les dynamiques purement topographiques des écoulements de surface. Ces objets du paysage que sont les haies, fossés, prairies, parcelles cultivées, mares, etc., ont fait l’objet d’un grand nombre d’études et leurs rôles sur les processus de ruissellement, pris indépendamment les uns des autres, sont aujourd’hui bien connus (Mérot, 1978, 1999 ; Montgomery, 1994 ; Wemple et al., 1996, 2001 ; Mérot et al., 1998 ; Sebbab, 2000 ; Jones et al., 2000 ; Delahaye, 2002 ; Moussa et al., 2002 ; Duke et al., 2003 ; Carluer et De Marsily, 2004 ; Viaud, 2004 ; Bocher, 2005 ; Tortrat, 2005 ; Moussa, 2008 ; Colin et al., 2012 ; Levavasseur, 2012 ; Viel et al., 2014a). Cependant, pour évaluer la capacité du ruissellement à rejoindre le cours d’eau, il est nécessaire de s’interroger sur l’organisation et la structuration de ces objets du paysage dans l’espace. Ces derniers engendrent en effet des interactions spatiales à l’origine d’une complexité plus ou moins marquée des dynamiques de ruissellement rendant difficile l’évaluation de la contribution des versants à la charge solide des cours d’eau. Certaines configurations spatiales peuvent favoriser les exportations sédimentaires quand d’autres entravent le déplacement de matières à travers le paysage. Ainsi, comprendre les mécanismes spatiaux des transferts hydro-sédimentaires nécessite (i) de formaliser les interactions qui lient ces objets géographiques de différentes natures avec le processus physique d’écoulement de l’eau, puis (ii) d’en déduire un schéma d’organisation à l’échelle du bassin versant, schéma émergeant de la multiplicité des interactions.

2Notion fondamentale dans l’analyse de la distribution écologique des espèces, la connectivité a été introduite par Merriam (1984) en écologie du paysage pour caractériser les interactions entre les espèces et la structure des paysages afin de déterminer les mouvements des individus à travers les habitats (Pringles, 2003). S’appuyant sur les bases épistémologiques définies par les écologues du paysage, le terme de connectivité hydrologique a progressivement fait son apparition dans les recherches en hydrologie et s’est largement répandu dans les disciplines des sciences de l’environnement depuis le milieu des années 1990 (Ali et Roy, 2009 ; Sarrazin, 2012). Du fait de sa récente apparition, le terme de connectivité hydrologique souffre d’un manque de clarté et de nombreuses définitions lui sont prêtées (Bracken et Croke, 2007 ; Bracken et al., 2013 ; Wainwright et al., 2011 ; Ali et Roy, 2009 ; Lexartza-Artza et Wainwright, 2009 ; Cossart et al., in review). Pour Pringles (2003), la connectivité hydrologique se caractérise comme le transfert par l’eau de matières, d’énergies et d’organismes à l’intérieur ou entre tous les compartiments du cycle hydrologique (Pringle, 2003 ; Freeman et al., 2007, Bracken et al., 2013). Malgré le manque d’unité autour d’une définition claire, il est néanmoins communément admis que « la connectivité hydrologique peut opérer selon les dimensions longitudinales, latérales, verticales et temporelles des systèmes hydrologiques » (Ali, 2010) et qu’en cela elle est étroitement liée au concept de continuum fluvial. Utilisé en hydrologie, le terme de connectivité est également plébiscité en géomorphologie notamment pour l’approche multiscalaire qu’il permet (Delahaye, 2002 ; Viel, 2012 ; Cossart, 2014). Cette notion permet dès lors de comprendre les liens qui existent entre les zones de production sédimentaire et leur localisation dans l’espace avec le comportement global du bassin qui résulte de l’organisation de ces liens (Delahaye, 2002 ; Pringle, 2003 ; Cerdan et al., 2004 ; Le Gouée et Delahaye, 2008 ; Bracken et Croke, 2007 ; Fryirs et al., 2007a,b ; Ali et Roy, 2009 ; Viel et al., 2014b). La connectivité peut se produire soit par le contact physique direct entre les espaces de production sédimentaire (zone émettrice) et les zones réceptrices, soit par l’intermédiaire d’un transfert de matériel entre les zones, ou les deux (Jain et Tandon, 2010 cité par Bracken et al., 2015). On distingue ainsi la connectivité structurelle (ou statique) de la connectivité fonctionnelle (ou dynamique). La connectivité structurelle est le fait de composants homogènes et continus dans un même milieu et dont le comportement face à un processus est considéré comme uniforme. La connectivité fonctionnelle ou dynamique s’intéresse au mouvement de flux et de matières (c’est-à-dire les variables dynamiques) entre et sur les liens qui unissent les éléments de la connectivité structurelle (Bracken et al., 2013 ; Wainwright et al., 2011). A l’inverse, le terme de déconnectivité met en évidence les effets de rupture de connectivité entre deux points. Ainsi, l’absence de relation entre les quantités de terres érodées aux échelles locales et les quantités exportées à l’exutoire peut s’expliquer par les discontinuités observées entre les espaces de ruissellement, les zones de transferts et les cours d’eau (Turnbull et al., 2010 ; Delmas et al., 2012).

3L’objectif de cette étude est de mieux comprendre les conséquences de l’organisation spatiale des entités paysagères (haies, parcelles agricoles, chemins, etc.) sur le parcours des écoulements de surface au sein des hydrosystèmes de faibles énergies. Pour cela, nous proposons une étude des dynamiques de transferts hydro-sédimentaires de versant au sein d’un petit bassin versant normand fortement façonné par l’activité agricole. Nos travaux reposent sur une double approche méthodologique. Le recours aux outils de l’analyse spatiale et notamment à la simulation spatiale afin de mettre en évidence la connectivité structurelle liée à l’organisation des entités paysagères dans l’espace. Cette approche par modélisation est ensuite complétée par une approche géomorphologique qui permet (i) d’estimer les flux sédimentaires à différentes échelles spatiales (parcelle agricole, tête de bassin, etc.) et donc (ii) d’évaluer l’efficience des connections identifiées lors de la simulation. Cette étude a été menée sur le petit bassin versant bocager du Lingèvres (17,4 km², Calvados, Normandie), dont la complexité des relations processus/paysages avait été préalablement soulignée (Viel et al., 2014a, b ; Reulier, 2010, 2015 ; Reulier et al., 2016).

2. Site d’étude

4Le bassin versant de Lingèvres est situé dans le nord-ouest de la France à une vingtaine de kilomètres à l’ouest de la ville de Caen (fig. 1). Le ruisseau du Pont-Saint-Esprit qui draine le bassin est un affluent du cours d’eau côtier de La Seulles. Situé sur la zone de contact entre le Massif Armoricain et le Bassin Parisien, le bassin de Lingèvres présente une décroissance des altitudes vers le nord-ouest (altitude maximale : 135 m, minimale : 48 m). Le bassin repose sur les formations calcaires à gryphées et à bélemnites du Lias, qui affleurent localement, recouvertes de formations d’altération d’argiles à silex. Sur les parties nord et ouest du bassin, ces formations d’argiles sont surmontées de lœss. Les sols développés sur les argiles à silex dans la partie sud du bassin sont peu épais (< 30 cm), de texture limono-argilo-sableuse et présentent localement une forte hydromorphie (Le Gouée et Delahaye, 2008). Dans les parties nord, les sols de texture limoneuse à limono-argileuse sont d’épaisseurs plus importantes (> 1,4 m). L’incision du réseau hydrographique est peu marquée avec des pentes majoritairement inférieures à 10 %, même si localement elles peuvent dépasser 15 %. Le débit moyen annuel du ruisseau (période 2008-2015) est de 74 l/s. Les régimes hydrologiques mensuels sont classiques du nord-ouest de la France avec un débit soutenu en hiver, caractérisé par une succession de crues, et un étiage progressif au cours de l’été (Viel, 2012 ; Reulier, 2015).

Fig. 1 – Carte de localisation du bassin versant de Lingèvres.
Fig. 1 – Map of the Lingèvres catchment area.

Fig. 1 – Carte de localisation du bassin versant de Lingèvres.  Fig. 1 – Map of the Lingèvres catchment area.

1. Bassin versant de La Seulles ; 2. Bassin versant de Lingèvres.
1. La Seulles catchment ; 2. Lingèvres catchment.

5Le ruisseau du Pont-Saint-Esprit se caractérise néanmoins par un retour au débit de base très rapide ainsi que par un faible soutien de la nappe phréatique, et ce même en hiver (fig. 2). En été, les étiages peuvent également être sévères. Le contraste lithologique et pédologique présenté précédemment n’est pas sans conséquence sur les processus hydrologiques, et deux comportements peuvent être distingués. Au sud du bassin, sur le socle armoricain, du fait de la faible épaisseur de sols développés sur les argiles imperméables, les processus de ruissellement de surface se déclenchent lorsque les sols ont atteint la saturation (cette situation est atteinte très rapidement au cours de la période hivernale). Dans les parties nord du bassin, les sols, bien plus épais, sont eux sensibles au phénomène de la battance qui se met en place progressivement au cours de la période hivernale. Viel (2012) puis Reulier (2015) montrent par ailleurs que la majorité des exportations de matières en suspension se fait au cours de quelques épisodes hydrologiques seulement. Pour l’année hydrologique 2009-2010, quatre crues ont exporté 50 % des MES de l’année, et pour 2012-2013 ce sont 6 crues.

Fig. 2 – Bassin versant du Lingèvres.
Fig. 2 – Lingèvres catchment.

Fig. 2 – Bassin versant du Lingèvres.  Fig. 2 – Lingèvres catchment.

A : relief ; B : hydrogramme du ruisseau du Pont Saint Esprit du 1er Octobre 2012 au 30 septembre 2013.
A: relief; B: hydrograph of the creek of the Pont Saint Esprit from October 1, 2012 to September 30, 2013.

6 Le bassin versant de Lingèvres présente un paysage bocager et agricole, avec plus de 95 % de sa superficie occupée par l’activité agricole (fig. 3A). La répartition entre surfaces cultivées et surfaces en herbe est équilibrée (fig. 3B). Les parcelles cultivées (principalement en maïs, blé, orge, avoine et colza) occupent 45,7 % du bassin (7,80 km²) et les prairies 45,1 % (7,7 km²). Bien que bocager, le bassin présente sur le plateau nord, un paysage plus ouvert sur lequel les parcelles sont majoritairement cultivées et d’une superficie moyenne plus importante (4,2 ha contre 2,9 ha en moyenne sur l’ensemble du bassin). Sur ces parties du bassin, les réseaux bocagers sont quasiment inexistants, seuls quelques reliquats de haies subsistent sur les pentes les plus marquées (rebord de plateau). La densité du réseau routier est également faible (fig. 3C). Quelques axes secondaires, desservant les hameaux situés au nord du bassin, incisent les versants, depuis le plateau sédimentaire (90 m d’altitude) jusqu’au talweg (70 m), représentant ainsi d’excellents vecteurs de ruissellement. Les 4/5ème du bassin se caractérisent à l’inverse par un paysage bocager. La superficie moyenne des parcelles agricoles est moins importante (2,16 ha). Le parcellaire est plus morcelé et majoritairement herbager. La densité de haies est plus grande avec 6,17 km de linéaires par kilomètre carré. De très nombreux fossés sont associés aux réseaux de haies afin d’assurer le drainage de cette partie du bassin développé sur les argiles à silex peu perméables. Cette particularité paysagère rend particulièrement efficace les têtes de bassin versant, sur lesquelles des processus d’érosion et de transferts de matières vers les cours d’eau avaient été observés dans des études précédentes (Reulier, 2010 ; Viel, 2012).

Fig. 3 – L’occupation du sol en 2014 dans le bassin versant du Lingèvres.
Fig. 3 – Land use in 2014 in Lingèvres catchment.

Fig. 3 – L’occupation du sol en 2014 dans le bassin versant du Lingèvres.  Fig. 3 – Land use in 2014 in Lingèvres catchment.

A : cartographie de l’occupation ; B : longueur des réseaux ; C : diagramme d’occupation du sol ; 1. Chemin agricole ; 2. Linéaire bocager ; 3. Route ; 4. Cours d’eau ; 5. Bassin ; 6. Bois ; 7. Bâti ; 8. Culture; 9. Herbe ; 10. Verger.
A: mapping of land use; B: network length; C: land cover diagram; 1. Agricultural pathway; 2. Hedges; 3. Road; 4. Stream; 5. Basin; 6. Wood; 7. Build; 8. Cropland; 9. Grassland; 10. Orchard.

3. Méthodologie

7La démarche employée se décompose en deux étapes. Ces dernières, bien qu’exposées indépendamment, ont été développées simultanément au cours du travail de recherche. La première approche consiste à identifier les entités de la connectivité structurelle par simulation multi-agents et validation de terrain. L’objectif est de distinguer les parcelles agricoles cultivées -comme entités paysagères les plus sensibles aux processus de ruissellement- directement connectées au cours d’eau car elles jouxtent celui-ci, de celles qui le sont indirectement (via une entité de transfert comme un fossé par exemple), et de celles qui sont déconnectées à cause d’une haie par exemple (Le Gouée et Delahaye, 2008 ; Viel, 2014a). Les surfaces directement et indirectement connectées constituent ainsi l’aire d’alimentation potentielle de matières en suspension d’un cours d’eau. Une fois cette typologie des connectivités structurelles au cours d’eau réalisée, il est possible d’aller plus loin en appréhendant la connectivité fonctionnelle, c’est-à-dire, en s’intéressant au flux d’eau et de sédiments s’écoulant réellement entre les parcelles et le cours d’eau. Pour cela, l’approche géomorphologique est nécessaire afin de quantifier les flux d’eau et de sédiments qui transitent dans le bassin versant en période de ruissellement.

3.1. Appréhender la connectivité structurelle par la simulation

8En l’absence d’outil de modélisation à même de mettre en évidence les dynamiques spatiales des écoulements induites par la structure paysagère (Reulier et al., 2016), un modèle développé sous système multi-agents, appelé LASCAR (LAndscape STructure And Runoff), a été spécialement construit à partir de la plateforme NetLogo (Tisue et Wilensky, 2004). LASCAR cherche à reproduire la dynamique spatiale des écoulements de surface en s’appuyant sur la capacité d’agents à se déplacer dans un environnement avec lequel ils sont capables d’interagir, cette approche est ainsi similaire à des travaux antérieurs (Servat, 2000 ; Treuil et al., 2008). Le fonctionnement de LASCAR est assez simple (fig. 4). En appliquant des règles régissant le déplacement d’agents « goutte d’eau » (appelé « Agentgouttes »), il s’agit de reproduire la dynamique des flux d’eau à la surface d’un bassin versant. Pour cela, les agents se déplacent en suivant la pente donnée par un modèle numérique de terrain (MNT). Au cours de leur déplacement, les agents entrent également en interaction avec les entités du paysage présentes dans l’environnement de simulation. Ces dernières viennent alors contraindre la dynamique topographique du déplacement des agents.

Fig. 4 – Modèle LASCAR (LAndscape StruCture And Runoff).
Fig. 4 – LASCAR (LAndscape StruCture And Runoff).

Fig. 4 – Modèle LASCAR (LAndscape StruCture And Runoff).  Fig. 4 – LASCAR (LAndscape StruCture And Runoff).

A : fonctionnement du modèle ; B : fonctions affectées aux « Agentgouttes » ; C : superposition des données.
A: model working; B: functions assigned to "Agentgouttes"; C: data superposition.

9 Il n’y a pas de prise en compte des vitesses d’écoulement, les « Agentgouttes » se déplacent de cellule en cellule à chaque itération du modèle. Si deux agents ont la même cellule de destination, l’ordre d’arrivée sur cette cellule est aléatoire. Face à un obstacle infranchissable (cuvette topographique, rôle barrière d’une haie, etc.), les « Agentgouttes » vident le volume d’eau (à l’initialisation, toutes les gouttes disposent du même volume d’eau) qu’elles transportent puis meurent (Reulier et al., 2016). Un obstacle peut cependant être surmonté si la somme des volumes d’eau de l’ensemble des agents présents est supérieure au volume de la cuvette. Si tel est le cas, la somme des volumes d’eau des agents est amputée du volume de comblement. Un volume correspondant à 1 % du volume total est également ponctionné. Ce dernier permet de surélever la hauteur du patch nouvellement comblé par rapport aux patches voisins de plus faibles altitudes. La quantité d’eau est ensuite divisée par le nombre d’agents présents. Cette première version du modèle a été développée en vue de s’assurer de la capacité des systèmes multi-agents à reproduire la dynamique des écoulements de surface. Pour cela, les sédiments ne sont pas intégrés au modèle car leur intégration passe d’abord par une meilleure compréhension des dynamiques sédimentaires qui se jouent au sein d’un bassin versant. C’est pourquoi cette modélisation est complétée dans la seconde partie par une approche géomorphologique.

10 Le terrain d’étude est représenté par une grille de pixel de 10 x 10 mètres calquée sur la résolution du MNT fourni par l’Institut National de l’Information Géographique et Forestière (la résolution initiale de 25 m a été ré-échantillonnée à 10 m à partir des outils d’un Système d’Information Géographique). Chaque cellule (appelé patch) du modèle contient ainsi des informations sur sa localisation spatiale (x, y) et son altitude (z). Ces informations sont complétées par celles relatives à l’occupation du sol. On distingue ainsi les cellules haies, fossés (et routes), prairies, parcelles cultivées et cours d’eau, obtenues par un travail de relevé paysager sur le bassin versant de Lingèvres. L’incorporation des données du bassin versant de Lingèvres nécessite 280 524 patches (rectangle de 581 x 481 patches).

11 L’outil a d’abord été utilisé pour mesurer la connectivité des parcelles cultivées au cours d’eau à l’échelle du bassin versant, puis a servi à évaluer plus finement le rôle de chaque entité paysagère sur les dynamiques spatiales des écoulements de surface.

12 Dans une première étape, l’objectif était donc d’évaluer la capacité des écoulements à rejoindre le cours d’eau. Un indice de connectivité, exprimé en pourcentage de la superficie du bassin, a donc été calculé (la connectivité mesurée ici est basée sur les cellules composant le bassin versant). Afin de mesurer l’impact de chacune des entités paysagères sur cet indice global de connectivité, celles-ci sont intégrées progressivement. Le choix a donc été fait de décomposer le système afin d’en réduire sa complexité, quatre hypothèses, traduites en quatre simulations, ont ainsi été posées :

13(1) dans une première simulation, seule la topographie guide les écoulements, les entités du paysages ne sont pas intégrées (terrain vierge). Toutes les surfaces du bassin ruissellent. On est ici dans une approche similaire à celle que proposent les outils classiques de SIG ;

14(2) dans une seconde simulation, les entités linéaires (haies, routes, fossés) sont intégrées dans les simulations. Les cellules « fossé » et « route » ont une altitude inférieure à celle de leur voisine alors que les cellules « haie » ont une altitude supérieure à celle de leur voisines. Par ailleurs, toutes les surfaces du bassin ruissellent ;

15(3) dans une troisième simulation, seules les surfaces cultivées et les routes ruissellent. Les surfaces boisées et en herbe (prairies) sont cependant considérées comme imperméables et n’ont aucune capacité d’infiltration ;

16(4) dans une quatrième simulation, un seuil d’infiltration est introduit afin de permettre aux prairies et surfaces boisées d’infiltrer, au moins un minimum, les écoulements produits sur les surfaces cultivées ou bitumées. Ainsi, il s’agit ici de permettre aux entités prairies et bois de « tuer » (ie : infiltrer l’eau dans le sol) des agents. Dès lors que le seuil est atteint, les entités prairie et bois n’ont plus aucun rôle de rétention. Le seuil utilisé a été validé empiriquement en comparant les niveaux de connectivité simulés avec ceux observés sur le terrain au cours de différents épisodes de ruissellement (en pourcentage de surface connectée).

17La méthodologie utilisée pour cartographier la connectivité est présentée dans la section suivante (3.2). Il apparait qu’un seuil de 40 (c’est-à-dire que le 41ème agent qui arrive, de manière aléatoire sur la cellule, ne peut pas s’infiltrer) offre les meilleurs résultats avec 82 % de bonnes corrélations (fig. 5A). Ce seuil artificiel est utilisé à titre expérimental, il se base sur les observations de terrain réalisées sur le bassin de Lingèvres au cours de différents épisodes de ruissellement. Ces derniers, comprenant notamment un épisode d’occurrence décennale, sont représentatifs d’une certaine variabilité des intensités mesurables au cours d’une année hydrologique dans le nord-ouest de la France. Cependant, le seuil utilisé ici n’est qu’une étape intermédiaire vers un seuil calé sur des paramètres physiques.

18Dans un second temps, les résultats de ces simulations sont affinés en vue d’isoler le rôle de chacune des entités paysagères. Les résultats sont pour cela agrégés à l’échelle des entités paysagères dans un système d’information géographique (SIG), c’est-à-dire que les résultats ne sont plus représentés sous forme de cellules mais d’entités vectorielles. On parle alors en terme d’entités physiques réelles (la parcelle, le linéaire de haie) et non plus en cellule. Pour cela, les données raster issues des simulations sont converties en vecteur sous SIG puis analysées en tant que telles. Ce passage vers des données vectorielles facilite l’identification des parcelles en herbe et les réseaux de haies qui déconnectent les écoulements du cours d’eau ainsi que les points d’entrées des écoulements dans les fossés ou les chemins. Il est également possible de hiérarchiser la connectivité des parcelles en évaluant leur degré de connectivité. Ces deux premières approches modélisatrices permettent ainsi d’évaluer la connectivité structurelle du bassin. L’analyse de la connectivité fonctionnelle nécessitant une analyse des flux d’eau et de sédiments, un suivi très fin des processus a ensuite été mené afin de pouvoir quantifier les masses de sédiments transitant dans ces espaces de connectivité structurelle au cours de sept épisodes de ruissellement.

Fig. 5 – Cartographie des connectivités hydrologiques.
Fig. 5 – Mapping of hydrological connectivities.

Fig. 5 – Cartographie des connectivités hydrologiques.  Fig. 5 – Mapping of hydrological connectivities.

A : comparaison de la connectivité simulée/observée au cours d’eau de chaque patch ; B : connectivités observées sur le bassin au cours de différents épisodes de ruisselants ; 1. Espaces connectés correctement simulés ; 2. Espaces déconnectés correctement simulés ; 3. Espaces connectés sous-représentés par la simulation ; 4. Espaces connectés sur-représentés par la simulation ; 5. Déconnecté ; 6. Connecté ; 7. Non intégré ; 8. Site de mesure en continu ; 9. Site de prélèvements ponctuels.
A: comparison of the simulated / observed connectivity to the watercourse of each patch; B: connectivities observed in the basin during different runoff events; 1. Connected spaces correctly simulated; 2. Disconnected spaces correctly simulated; 3. Connected spaces under represented by the simulation; 4. Connected spaces overrepresented by the simulation; 5. Disconnected; 6. Connected; 7. Non-integrated; 8. Site of continuous measurement; 9. Spot sampling site.

3.2. L’approche géomorphologique pour mesurer la connectivité fonctionnelle

19La première étape de l’approche géomorphologique a consisté à valider la cartographie des connectivités par un diagnostic de terrain. Pour cela, le parcours des écoulements de surface a été identifié au cours de plusieurs épisodes de ruissellement entre 2010 et 2012. Par ailleurs, quatre têtes de bassins ont été particulièrement suivies (fig. 5B) au regard des processus qui avaient pu être observés lors de campagnes de terrain entre 2009 et 2011 (Reulier, 2010 ; Viel, 2014b). Celles-ci ont fait l’objet de mesures de transferts de matières en suspension à hautes résolutions spatiales et temporelles. Cette première approche est ensuite couplée avec une approche « quantitative ». Cette dernière (quantification des transferts de matières en suspension) s’est appuyée sur deux sites de mesures en continu et 21 sites de mesures ponctuelles répartis dans le bassin versant. Les sites de mesures en continu ont été équipés d’une sonde de pression PLS mesurant les hauteurs d’eau. A l’exutoire du bassin, une sonde multiparamètres permettait d’obtenir les valeurs de turbidité (NTU) toutes les 10 minutes pendant qu’un préleveur automatique était installé sur le deuxième site (La Bouderie) et permettait de suivre l’évolution des concentrations de MES à des pas de temps de 30 minutes (Reulier, 2015). En complément de ces deux stations de mesures fixes, une vingtaine de sites de mesures ponctuelles a été sélectionnée dans le bassin versant. Une station météorologique de type DAVIS, assurant un enregistrement des précipitations à un pas de temps de 10 minutes et situés à un kilomètre de l’exutoire, est venue compléter le dispositif de mesure.

20Le Tableau 1 récapitule les caractéristiques des sept épisodes de ruissellement suivis au cours de cette étude. Le suivi de ces sept épisodes a permis d’obtenir un panel d’épisodes climatiques et hydrologiques diversifié. Sur l’ensemble des sept épisodes de crues suivis, le débit de pointe à l’exutoire a dépassé 1 500 l/s à quatre reprises, dont une crue décennale le 28 février 2010 (Viel, 2012). Les trois autres crues suivies ont été de plus faible intensité avec des débits de pointe restés inférieurs à 1 500 l/s. Ainsi les épisodes suivis correspondent à une gamme assez large de crues : trois « petites crues » (Ql < 1 500 l/s) et quatre « importantes » (Ql > 1 500 l/s). Par ailleurs, la crue du 13-14 novembre 2010 a la particularité de présenter de forts débits de début d’année hydrologique susceptibles de provoquer d’importantes exportations de MES (vidange des stocks sédimentaires accumulés au printemps et à l’été). Enfin, les crues situées au cœur de l’année hydrologique sont variables en raison de leur position au sein même de l’année hydrologique.

21En cela, la quantification des transferts hydro-sédimentaires, présentée ci-après, et l’analyse que l’on peut en faire apportent un éclairage important sur le fonctionnement des petits hydrosystèmes du nord-ouest de la France.

Tab. 1 – Caractérisation des différents épisodes pluvieux suivis survenu sur le bassin versant de Lingèvres.
Tab. 1 – Characterization of the different rainfall events followed in the Lingèvres catchment area.

Tab. 1 – Caractérisation des différents épisodes pluvieux suivis survenu sur le bassin versant de Lingèvres.  Tab. 1 – Characterization of the different rainfall events followed in the Lingèvres catchment area.

4. Résultats et discussions

4.1. Utilisation de la simulation multi-agents pour mesurer la connectivité au cours d’eau

22Dans les premiers résultats exposés ci-dessous, seule la connectivité hydrologique structurelle est mesurée, les sédiments n’étant pas intégrés au modèle (fig. 6). Grâce à l’outil de simulation, la connectivité est construite pas-à-pas en intégrant une à une les différentes contraintes à l’écoulement (cf. section 3).

23La connectivité maximale est estimée à 99,5 % lorsque les simulations sont effectuées sur un bassin dépourvu de toute entité paysagère (fig. 6A). Compte tenu de problèmes liés à des effets de bordure (problème causé par les cellules délimitant le bassin et sur lesquelles le comportement des agents est erratique), 0,5 % des cellules ne se connectent pas au cours d’eau. En intégrant les entités linéaires du paysage (fossés, routes et haies) la connectivité chute à 85 %, ce qui permet d’estimer la déconnectivité à 15 % (fig. 6B). L’introduction d’une capacité de ruissellement (seules les surfaces cultivées et bitumées peuvent ruisseler) fait chuter le taux de connectivité à 45,7 % (fig. 6C). Pour améliorer la finesse des simulations, le seuil d’infiltration (à 40) pour les prairies et les couverts forestiers est ensuite introduit, la connectivité tombe alors 30,2 % (fig. 6D).

Fig. 6 – Cartographie de l’évolution de la connectivité des patches au cours d’eau en fonction de l’intégration des contraintes.
Fig. 6 – Mapping of evolution of the patches connectivity to the river as a function of the integration of the constraints.

Fig. 6 – Cartographie de l’évolution de la connectivité des patches au cours d’eau en fonction de l’intégration des contraintes.  Fig. 6 – Mapping of evolution of the patches connectivity to the river as a function of the integration of the constraints.

A : absence de contrainte ; B : contraintes linéaires (haies et fossés) ; C : contraintes linéaires (haies et fossés) + seuls les patches routes et cultures émettent du ruissellement ; D : contraintes linéaires (haies et fossés) + seuls les patches routes et cultures émettent du ruissellement + seuil de perméabilité.
A: absence of constraint; B: linear constraints (hedges and ditches); C: linear constraints (hedges and ditches) + only road and crop patches emit runoff; D: linear constraints (hedges and ditches) + only road and crop patches emit runoff + permeability threshold.

24 Cette montée en complexité (d’un terrain théoriquement vierge à un paysage complet) permet d’identifier synthétiquement le poids des différentes contraintes paysagères grâce à un indice global pertinent à l’échelle du bassin. Les réseaux de haies permettent ainsi de déconnecter 15 % des surfaces du bassin. En introduisant une capacité de ruissellement aux seules surfaces en cultures et bitumées, la déconnectivité augmente du fait que de nombreuses surfaces ne sont plus productives. L’intégration du seuil de « rétention » accentue la déconnectivité en régulant la possibilité pour les surfaces en culture de se connecter au cours d’eau. Cette dernière contrainte permet d’approcher la connectivité hydrologique fonctionnelle mais l’appréhension de celle-ci reste encore incomplète. L’intégration prochaine d’un moteur hydrologique à la cellule, tel que le propose l’automate cellulaire RuiCells (Langlois et Delahaye, 2002), permettra de reconstituer de façon plus réaliste la connectivité fonctionnelle. Cependant, une meilleure compréhension des dynamiques de flux en période de ruissellement, telle qu’exposée dans la dernière partie de cet article, est un préalable indispensable à toute implémentation.

25 Sur le bassin versant de Lingèvres, 30,2 % des surfaces sont donc hydrologiquement connectées au cours d’eau. Cette connectivité peut être directe (parcelles cultivées jouxtant le cours d’eau) ou indirecte. La connectivité indirecte peut être elle-même simple ou complexe. Dans les parties nord, espace d’openfield, le ruissellement se met en place sur les parcelles puis circule en fonction de la topographie et de la rugosité du sol (dérayures, fourrières, etc.). Ce n’est qu’après avoir parcouru une centaine de mètres que les écoulements sont pris en charge par le réseau routier inséré dans le versant pour être évacués vers le cours d’eau. La connectivité, indirecte, est ici simple. Dans le quart sud-ouest et dans l’est du bassin, le fonctionnement est différent dans la mesure où ce sont les fossés, particulièrement denses, qui prennent en charge les eaux de ruissellement pour les transférer efficacement vers le cours d’eau. Le passage d’un écoulement de parcelle à un écoulement de fossé peut cependant nécessiter des transferts complexes et mettre en action plusieurs entités (entrées de champ, chemin agricole, fossés, etc.). Ainsi dans les parties bocagères situées sur les argiles à silex, c’est la densité du réseau de fossé qui favorise la connectivité, alors que dans les parties nord, une seule route, orientée perpendiculairement par rapport aux axes d’écoulements, permet la concentration des écoulements et leur connexion au cours d’eau. Pour mieux traduire cette complexité, les résultats sont ensuite affectés aux entités vectorielles correspondant à chacune des entités paysagères.

26 La cartographie produite permet dès lors de hiérarchiser la connectivité des parcelles au cours d’eau. Il est ainsi possible d’identifier (fig. 7) :

27 (i) les parcelles qui sont très peu connectées au cours d’eau (en beige), il s’agit surtout de parcelles situées en limite de bassin donc la faible connectivité s’explique surtout par les effets de bordure qui affecte les résultats du modèle ;

28 (ii) les parcelles dont la connectivité au cours d’eau est difficile car conditionnée par un nombre important de seuils de rétention à abaisser. Autrement dit, les agents qui arrivent à se connecter au cours d’eau le peuvent car plusieurs seuils de rétention situés sur leur trajet ont été comblés par d’autres agents. Les couleurs, du rose (au moins 10 % de la parcelle est connectée) au rouge foncé (jusqu’à 75 %) permettent d’affiner les niveaux de contraintes affectant chaque parcelle. Sur le bassin, 2,6 ha de parcelles cultivées sont hydrologiquement connectés au cours d’eau « avec difficulté » (car plusieurs seuils ont dû être comblés). Cette surface correspond à 54 parcelles (superficie moyenne de 42 ares) dont la connectivité au cours d’eau est variable (fig. 7). Certaines parcelles ont par exemple 25 % de leur superficie hydrologiquement connectées (la connexion est alors considérée comme limitée) et d’autres ont 75 % de leur surface connectée (connexion plus aisée) ;

29 (iii) les parcelles facilement connectées au cours d’eau. La quasi-totalité des écoulements qu’elles produisent se connecte au cours d’eau. Il s’agit de parcelles qui sont bien drainées par des réseaux de fossés, ces derniers prennent en charge les écoulements de surface pour les acheminer jusqu’au cours d’eau. 58 parcelles, représentant 2 hectares, sont ainsi très facilement connectées au cours d’eau. La superficie moyenne de ces parcelles est cependant plus faible (35 ares).

30 Les simulations permettent ainsi de hiérarchiser les niveaux de connectivité au sein du bassin versant et d’aller au-delà de la cartographie réalisée à partir des observations de terrain : la connectivité des parcelles au cours d’eau est pondérée par la difficulté à être effectivement connectées. Elle traduit une certaine rugosité de l’espace à l’égard des parcelles connectées au cours d’eau.

Fig. 7 – Cartographie des entités de la (dé)connectivité sur le bassin de Lingèvres.
Fig. 7 – Mapping of the entities of (de) connectivity on the Lingèvres basin.

Fig. 7 – Cartographie des entités de la (dé)connectivité sur le bassin de Lingèvres.Fig. 7 – Mapping of the entities of (de) connectivity on the Lingèvres basin.

1. Haies bloquantes ; 2. Points de blocage ; 3. Prairies infiltrantes ; 4. 90 % de la surface connectée ; 5. 75 % de la surface connectée ; 6. 50 % de la surface connectée ; 7. 25 % de la surface connectée ; 8. 10 % de la surface connectée ; 9. Moins de 10 % de la surface connectée ; 10. Parcelles ne participant pas à la (dé)connectivité ; 11. Limites parcellaires ; 12. Fossés connectant ; 13. Cours d’eau.
1. Blocking hedges; 2. Blocking points; 3. Infiltrating grassland; 4. 90% of the surface is connected; 5. 75% of the surface is connected; 6. 50% of the surface is connected; 7. 25% of the surface is connected; 8. 10% of the surface is connected; 9. Less than 10% of the connected area; 10. Plots not participating at the (de) connectivity; 11. Parcel boundaries; 12. Connected ditches; 13. Water.

31Cette cartographie permet également d’identifier les prairies infiltrantes, c’est-à-dire, celles dont le rôle déconnectant est avéré. Dans le même registre, les haies déconnectantes peuvent être identifiées, et plus encore le point de blocage précis (là où les écoulements sont réellement bloqués par la haie). Enfin, les principaux points d’entrées dans le réseau routier (fossé compris) peuvent également être retrouvés et hiérarchisés. A titre d’exemple, on retrouve dans les parties nord du bassin de nombreux et importants (en termes de surfaces amont drainées) points d’entrées des écoulements dans les fossés. Ces derniers mettent en évidence l’absence d’obstacle sur les parcelles situées à l’amont qui favorise la concentration des écoulements avant leur arrivée dans un fossé. Cette cartographie finale présente également un intérêt majeur pour une gestion intégrée des espaces agricoles. En effet, elle offre une vision à la fois synthétique et hiérarchisée des entités de la connectivité et facilite la priorisation des actions à mener au sein du bassin. Sur le bassin de Lingèvres, il apparait clairement que la partie sud-ouest du bassin est une zone stratégique sur lequel il serait pertinent de concentrer les aménagements visant à limiter les exportations de sédiments. Par ailleurs, si les simulations n’intègrent pas ici les sédiments, la cartographie proposée nous permet d’affiner un peu plus la lecture que l’on peut avoir des dynamiques de transferts hydro-sédimentaires sur le bassin versant de Lingèvres. Le « squelette » du réseau qui fait transiter les sédiments ayant été mis en évidence, cette première approche, même sans la prise en compte des sédiments, ouvre la réflexion sur l’implémentation de la connectivité fonctionnelle. Celle-ci étant complexe, elle doit encore passer par une meilleure compréhension des processus observés directement sur le terrain.

4.2. Quantification des flux au sein des espaces de connectivités, vers une mesure de la connectivité fonctionnelle

32Les résultats des mesures des flux hydrologiques et sédimentaires montrent que la mise en place du ruissellement puis sa capacité à rejoindre l’exutoire du bassin est liée à l’intensité de l’épisode pluvieux déclenchant, à la position de cet évènement dans l’année hydrologique, à la nature des sols mais aussi à l’organisation spatiale de toutes les entités du paysage (tab. 2).

Tab. 2 – Quantité de MES exportée du bassin au cours des différents épisodes (valeurs mesurées à l’exutoire du bassin).
Tab. 2 – Quantity of MES exported from the basin during different episodes (measured at the outlet of the basin).

Tab. 2 – Quantité de MES exportée du bassin au cours des différents épisodes (valeurs mesurées à l’exutoire du bassin).  Tab. 2 – Quantity of MES exported from the basin during different episodes (measured at the outlet of the basin).

4.2.1. Le rôle des épisodes significatifs

33Sur le bassin versant de Lingèvres, les exportations de MES ont principalement lieu en période de crues, et notamment lors des principales crues annuelles. Le suivi de trois de ces épisodes « importants » (13-14 novembre 2010, 28 février 2010, et 8 mars 2013) a permis de mieux comprendre cette efficacité épisodique qui caractérise le fonctionnement hydro-sédimentaire du bassin. Deux explications peuvent être avancées. Tout d’abord, les quantités d’eau tombées ont engendré des processus de ruissellement sur la quasi-totalité des parcelles cultivées. Ainsi, même les parcelles situées au nord du bassin sur les sols limoneux épais ont été productives. Ces parcelles ont été actives et contributives uniquement lors de ces trois épisodes. Ensuite, en connexion avec un grand nombre de parcelles émettrices, le bassin possédait un réseau hydrographique fonctionnel (fossés compris) très étendu qui a permis l’extension maximale du réseau de drainage et donc la vidange de compartiments sédimentaires rarement purgés (stockage dans des fossés rarement en eau, parcelles cultivées rarement connectées car très éloignées, etc.).

4.2.2. Importance de la première crue majeure de l’année

34L’épisode pluvieux du 13-14 novembre 2010 a engendré la première crue et le premier épisode ayant provoqué du ruissellement de surface de l’année hydrologique 2010-2011. Au cours de cet épisode, 175 tonnes de MES ont été exportées du bassin versant et la contribution des têtes de bassin versant a été particulièrement élevée. Elle est estimée à 75 % pour l’ensemble des 6 têtes de bassin versant, soit 125 tonnes (Viel et al., 2014b). L’importance des quantités de matières exportées à l’exutoire ainsi que la forte contribution des têtes de bassins versants semblent s’expliquer par les quantités d’eau précipitées (47 mm en 30 h) et par la présence d’un important stock de sédiments dans le bassin. Ce dernier s’étant constitué au cours de la période printanière et estivale de deux façons : (i) par des sédiments érodés sur des parcelles cultivées au cours de petits épisodes ruisselants très localisés mais incapables de faire fonctionner tout le bassin (suite à un épisode orageux), ou (ii) par des sédiments issus de l’érosion des berges et des talwegs dans les zones d’initiation du réseau hydrographique. Il y a ainsi un effet de seuil. En effet, après une période de constitution d’un stock sédimentaire, celui-ci peut être vidangé lorsqu’un épisode hydro-climatique est suffisamment important pour le mobiliser.

35Dans les espaces bocagers, ces zones d’initiation sont souvent occupées par des prairies pâturées par les bovins au cours du printemps et de l’été. Ainsi, bien que l’épisode du 13-14 novembre 2010 ait été particulièrement important en terme de précipitations et de débit, c’est parce qu’il a eu lieu sur un bassin versant « non purgé » depuis plusieurs mois que la contribution des têtes de bassins versants a été si forte. Ces observations vont dans le sens d’autres recherches menées sur l’origine des flux solides dans des hydrosystèmes similaires (Vongvixay, 2012 ; Viel, 2012).

4.2.3. Le rôle des petites crues situées au cœur de l’année hydrologique

36Les petites crues de milieu d’année hydrologique, telles que celles des 14 et 19 décembre 2012, bien que peu exportatrices de sédiment sont les plus fréquentes. Les dynamiques sédimentaires se caractérisent par une diminution des masses exportées et par une augmentation de la contribution des têtes de bassins versants (fig. 8). En effet, l’enchainement de crues sur une période de temps resserrée se traduit par une diminution des quantités de sédiments exportés (lié au tarissement des stocks sédimentaires) et par la mise en place d’une connectivité maximale qui permet aux têtes de bassin versant d’être particulièrement exportatrice. Il peut aussi exister des productions sédimentaires importantes sur certaines parcelles. C’est le cas notamment des parcelles de maïs dont les sols, très compactés par le passage répétés d’engins agricoles, en font d’excellents producteurs de ruissellement. Cependant, ces exportations de sédiments peuvent être insignifiantes à l’échelle du bassin par effet de dilution de ces masses exportées par l’ensemble des volumes d’eau écoulés.

Fig. 8 – Schématisation du fonctionnement du bassin de Lingèvres en fonction de l’intensité de l’épisode.
Fig. 8 – Schematic of the functioning of the Lingèvres basin according to the intensity of the episode.

Fig. 8 – Schématisation du fonctionnement du bassin de Lingèvres en fonction de l’intensité de l’épisode.  Fig. 8 – Schematic of the functioning of the Lingèvres basin according to the intensity of the episode.

A : épisode rare mais intense ; B : épisode fréquent mais moins intense ; 1. Cours d’eau intermittent ; 2. Cours d’eau permanent ; 3. Fossé actif ; 4. Fossé.
A: rare but intense episode; B: frequent but less intense episode; 1. Intermittent river; 2. Permanent river; 3. Active ditch; 4. Ditch.

4.2.4. Effet de l’organisation spatiale des entités paysagères sur le fonctionnement sédimentaire du bassin

37Au-delà des caractéristiques climatiques et physiques (pédologie, géologie, topographie), le parcours des écoulements de surface est fortement contrôlé par la structure paysagère. Cette dernière définit la connectivité structurale, précédemment exposée. Les quatre têtes de bassins versants investiguées ont eu un comportement assez différencié au cours des différents épisodes de ruissellement. En effet, les deux bassins de Les Maures et de Coeurville (fig. 5) présentent une production sédimentaire souvent faible et inférieure à ce que produisent les deux autres bassins de La Bouderie et de La Baucherie. Cette production sédimentaire est estimée en moyenne à 8 % du bilan global pour La Baucherie et à 17 % pour La Bouderie, pour les épisodes du 13-14/11/10, du 14/12/12, du 19/12/12 et du 08/03/13 (fig. 9). Cette différence s’explique principalement par les modes de mise en valeur agricole. Les têtes de bassin des Maures et de Coeurville présentent, en effet, davantage de surfaces en herbe (47 % pour Les Maures et 57 % pour Coeurville) ce qui d’une part limite les surfaces potentiellement émettrices de ruissellement et d’autre part favorise la réinfiltration des eaux de surface. Sur ces bassins, hormis pendant les crues de purge (évacuations des sédiments érodés par piétinement bovin), les exportations sont très faibles du fait de la localisation des prairies en aval des surfaces de production. Plus exactement, c’est la localisation des talwegs dans ces espaces enherbés qui permet une filtration des MES et limite ainsi les exportations. Evidemment, ce processus est rendu possible par la faiblesse des pentes. Sur les deux autres bassins, caractérisés par une part de surfaces cultivées bien plus importantes, les sédiments exportés ne proviennent cependant pas de l’ensemble des surfaces cultivées, seules quelques parcelles ruisselantes sont hydrologiquement connectées. A titre d’exemple, la proximité de parcelles aux réseaux de fossés permet de connecter hydrologiquement 37 % de la surface dans les têtes de bassins versants de La Baucherie et de La Bouderie. Il y a ici une connexion directe entre la zone de production et les réseaux de fossés. Sur ces deux têtes de bassins versants, la distance moyenne des parcelles à un réseau de fossés est très réduite. Les eaux de ruissellement à la surface des parcelles se jettent ainsi directement et très facilement dans les fossés. Dès qu’ils sont pris en charge par un fossé, les sédiments n’ont aucune possibilité d’être piégés. Aucun stockage intermédiaire n’a été observé au cours des différentes campagnes. Si quelques débordements de fossés favorisant le dépôt de matières par perte d’énergie ont pu être observés, dans l’ensemble, les sédiments qui sont pris en charge au sein des parcelles rejoignent l’exutoire du bassin au cours de l’épisode. Les quantités de sédiments mesurées transitant aux différents points de contrôle sont ainsi croissantes d’amont en aval.

Fig. 9 – Synthèse des mesures de terrain lors de l’épisode du 8 mars 2013 (cumul des précipitations = 20,8 mm).
Fig. 9 – Synthesis of the field measurements during the episode of 8 March 2013 (cumulative precipitation = 20.8 mm).

Fig. 9 – Synthèse des mesures de terrain lors de l’épisode du 8 mars 2013 (cumul des précipitations = 20,8 mm).  Fig. 9 – Synthesis of the field measurements during the episode of 8 March 2013 (cumulative precipitation = 20.8 mm).

1. Limite du bassin versant ; 2. Routes ; 3. Haies ; 4. Cours d’eau ; 5. Limites parcellaires ; 6. Zones urbanisées.
1. Catchment boundary ; 2. Roads ; 3. Hedges ; 4. River ; 5. Plot boundaries ; 6. Urbanized areas.

38L’approche géomorphologique a permis de mettre en évidence l’importance des quantités de sédiments qui peuvent transiter au sein d’un bassin versant agricole en période de ruissellement. L’étude montre également la complexité des processus qui se jouent dans le temps et dans l’espace. Grâce à un suivi fin des processus, cette approche a permis d’appréhender la connectivité fonctionnelle sur le bassin de Lingèvres en vue de compléter l’analyse de la connectivité structurelle proposée par l’outil de simulation. Cependant, si les dynamiques spatiales des écoulements d’eau à la surface des sols peuvent être ainsi simplement conceptualisées, les dynamiques sédimentaires restent plus complexes. Il apparaît que les transferts de sédiments ne se résument pas à de la simple circulation d’eau de surface. Il existe un certain nombre de variables qui conditionnent la disponibilité, la mise en mouvement et l’acheminement des sédiments depuis les zones de production jusqu’au cours d’eau. L’approche géomorphologique a notamment montré les effets de seuil et d’échelle qui encouragent à la généralisation des suivis fins pour une meilleure compréhension des flux sédimentaires dans les petits bassins versants agricoles en période de ruissellement. L’étude confirme ainsi ce que d’autres travaux avaient déjà montré (Delahaye, 1992 ; Lefrançois, 2007 ; Delmas et al., 2012 ; Viel, 2012 ; Vongvixay, 2012). Cette première approche permet cependant déjà d’alimenter la réflexion sur la modélisation des processus en vue d’obtenir un outil de simulation à même d’appréhender la connectivité fonctionnelle dans les hydrosystèmes agricoles de faible énergie. Cette étude montre également tout l’intérêt de combiner les approches quantitatives de terrain et la modélisation spatiale. Le recours à la modélisation a permis d’estimer un potentiel de connectivité (un squelette), validé par l’approche géomorphologique. Mais la relation terrain/modélisation ne se résume pas qu’à un simple processus de validation post-modélisation. En effet, dans nos travaux, ce ne sont pas deux approches parallèles qui ont été développées mais deux approches imbriquées qui se sont complétées et enrichies mutuellement au cours du processus de recherche. Ainsi, les observations de terrain nous ont permis de valider la bonne prise en compte, par les agents, des obstacles à l’écoulement présents dans l’environnement de simulation. Chaque interaction avec un élément du paysage a ainsi été implémentée au regard des processus observés sur le terrain. De même, une fois les premiers indices obtenus par la simulation, les espaces de sensibilité ont été comparés avec ceux préalablement identifiés sur le terrain. Plus encore, le modèle est capable de pondérer la connectivité d’une parcelle en fonction de la connectivité de l’ensemble des autres parcelles présentes dans le bassin versant. C’est notamment le cas de nombreuses parcelles présentes dans la partie ouest du bassin (fig. 7). Dans ce cas, le modèle dépasse l’expertise de terrain puisque les résultats permettent d’intégrer, puis de statuer à un niveau local des données globales. Cette finesse de l’évaluation est impossible à faire sur le terrain. Cette aptitude, que permettent les systèmes multi-agents, est d’une aide indéniable pour les gestionnaires. Enfin, si les résultats du travail de quantification géomorphologique n’ont pas encore été implémentés dans le modèle, les pistes sont déjà dessinées et seront prochainement suivies. Celles-ci s’appuieront sur les concepts de seuil et de non-linéarité que des outils tels que les systèmes multi-agents sont les plus à même de reproduire.

5. Conclusion

39Concept émergent, la connectivité a été mobilisée dans cette étude pour évaluer le rôle de la structure paysagère sur les transferts hydro-sédimentaires qui s’organisent entre les surfaces agricoles cultivées et les cours d’eau. Dans un premier temps, la connectivité dite structurelle a été appréhendée à partir d’un outil de simulation multi-agents développé spécialement (modèle LASCAR). Les simulations réalisées sous LASCAR soulignent tout l’intérêt de ce type de modélisation pour mesurer le rôle de la structure paysagère sur les écoulements de surface. L’outil s’avère en effet pertinent pour livrer des diagnostics, et ce, à deux échelles spatiales. A l’échelle globale tout d’abord, où la mise en place d’un indice de connectivité permet d’évaluer la prégnance de la structure paysagère sur la connectivité au cours d’eau en tout point de l’espace. Sur le bassin versant de Lingèvres, il a ainsi été montré que 30,2 % de la surface du bassin est hydrologiquement connectée au cours d’eau. A une échelle plus fine, le modèle permet également de mettre en évidence les espaces qui, au sein d’un bassin versant, participent à la (dé)connectivité des écoulements entre les zones de production (les parcelles cultivées) et le cours d’eau. Les simulations, en plus de reconstruire fidèlement les écoulements de surface, permettent d’identifier (i) les haies et les prairies bloquantes, (ii) les parcelles cultivées hydrologiquement connectées, (iii) une hiérarchisation des parcelles en fonction de leur niveau de connectivité, (iv) les réseaux de fossés qui connectent au cours d’eau, (v) les points de passage entre un écoulement de parcelle à un écoulement de réseau. En vue de mieux comprendre les flux d’eau et de sédiments transitant au sein de ces espaces de la connectivité structurelle (et donc de tendre vers la simulation de la connectivité fonctionnelle), une approche géomorphologique a été développée dans un second temps. Un travail de quantification des flux d’eau et de sédiments au cours de sept épisodes pluvieux a alors permis de mettre en évidence le rôle des configurations spatiales des structures paysagères mais aussi la variabilité des réponses hydro-sédimentaires en lien avec les caractéristiques des épisodes hydrologiques (intensité, positionnement dans l’année hydrologique, etc.). Ces résultats apportent un éclairage nouveau pour appréhender la connectivité fonctionnelle, et ce, afin d’enrichir in fine le modèle LASCAR. En connaissant les stocks sédimentaires disponibles sur un bassin, mais aussi le fonctionnement des liens entre ces surfaces et le cours d’eau, il sera possible de proposer un outil intégré pour la gestion du ruissellement et des transferts hydro-sédimentaires.

40Au final, ce travail met ainsi en évidence la complexité du rapport paysage/processus mais surtout l’existence d’outils et de techniques à même de mesurer et de quantifier cette complexité. Ce travail offre ainsi des perspectives dans le cadre de la recherche fondamentale sur la notion même de connectivité et des techniques de son évaluation mais également en vue d’aider à une gestion intégrée des ressources environnementales comme la ressource en sol.

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DOI :
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Annexe

Abridged English version

Sedimentary transfers and involved particles from sources to stream has adverse effects on environmental resources (soil fertility and biological activity decreased, pollution, floods, etc.). Despite these issues, many questions remain about the course of this surface runoff is organized between erosion zones and rivers. This lack of knowledge is particularly linked to the complexity of the processes. Indeed, in low energy hydrosystems, the influence of topography interferes with various objects of the landscape that modify the topographic dynamics of the hydro-sedimentary fluxes. These landscape objects such as hedges, ditches, meadows, cultivated plots or ponds have been the subject of a large number of studies and their specific roles on runoff processes taken independently of each other are well known today. However, the possibility of water and sediments to reach a river depends on location and interaction of these landscape objects in space. The concept of connectivity is an efficient methodological framework to understand the overall behavior of a basin considered here as signal that emerges from the organization links that exist between sedimentary production areas and their location in space. The basin is indeed a complex system which behavior results from the organization of these links. Connectivity can occur either through direct physical contact (structural connectivity) between sedimentary production areas and sedimentary deposit areas, or through hydrological and sedimentary transfers between areas (functional connectivity), or both. This research seeks a better understanding the spatial dynamics of hydro-sedimentary transfers. To this end we propose two approaches (computational modeling and geomorphology) specifically adapted to low energy hydrosystems with a high anthropogenic pressure due to agriculture. This study was carried out on the small catchment of Lingèvres (17.6 km² of surface) situated in Normandy in the department of Calvados (fig. 1-3).

The modeling approach consisted in a development of a multi-agent simulation model named LASCAR (fig. 4-5). LASCAR model helps us to evaluate structural connectivity between cultivated plots and river. Results showed the role played by all of different landscape objects and importance of spatial location of the landscape objects. In a first time hedges impacts is clearly showed. Indeed we show, in a theoretical watershed (it means that all surfaces product runoff, independently their land use), that 15 % of areas are disconnected to the river due to hedges position (fig. 6). After taking into account grasslands and built area, disconnectivity pattern rise (54.3 %) because many surfaces cannot produce runoff henceforth. The integration of a retention threshold exacerbates disconnectivity patterns by regulating the possibility for the cultivated surfaces to connect to the river. Finally, it was possible to prioritize the levels of connectivity within the watershed and to go beyond the mapping obtained from the field observations. Indeed, in a last run of simulation cultivated plots connectivity is weighted by the difficulty to be effectively connected. It reflects a certain roughness of space in relation to the cultivated plots connected to the river. This final mapping is also of major interest for integrated management of agricultural areas (fig. 7). Indeed, this map offers a synthetic and hierarchical assessment of the influence of some entities on connectivity and facilitates the prioritization of the actions to realize out within the basin.

The geomorphological approach consisted in a quantification of water and sediment transfers during 7 different runoff episodes (tab. 1-2). This second approach has highlighted the importance of hydro-sedimentary transfers even if hedge and grassland density could be important in a space. Otherwise, it appears that hydrological and climatic conditions are key-factors to control these dynamics. Indeed, our analyze shows : (i) the role played by the most important rain events, (ii) the importance of the first hydrological water rise of the year, (iii) the role played by the slight water rise located at the heath of hydrological year, and (iv) the effect of spatial location of landscape objects. Finally, this work highlights the complexity of the landscape/hydro-sedimentary processes interactions. However it shows that some tools and techniques are efficient to measure and quantify this complexity. This work finally offers some perspectives both in fundamental research on the concept of connectivity and evaluation techniques of connectivity, and also to help in the integrated management of environmental resources within a catchment.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 – Carte de localisation du bassin versant de Lingèvres. Fig. 1 – Map of the Lingèvres catchment area.
Légende 1. Bassin versant de La Seulles ; 2. Bassin versant de Lingèvres. 1. La Seulles catchment ; 2. Lingèvres catchment.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-1.png
Fichier image/png, 205k
Titre Fig. 2 – Bassin versant du Lingèvres. Fig. 2 – Lingèvres catchment.
Légende A : relief ; B : hydrogramme du ruisseau du Pont Saint Esprit du 1er Octobre 2012 au 30 septembre 2013. A: relief; B: hydrograph of the creek of the Pont Saint Esprit from October 1, 2012 to September 30, 2013.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-2.png
Fichier image/png, 366k
Titre Fig. 3 – L’occupation du sol en 2014 dans le bassin versant du Lingèvres. Fig. 3 – Land use in 2014 in Lingèvres catchment.
Légende A : cartographie de l’occupation ; B : longueur des réseaux ; C : diagramme d’occupation du sol ; 1. Chemin agricole ; 2. Linéaire bocager ; 3. Route ; 4. Cours d’eau ; 5. Bassin ; 6. Bois ; 7. Bâti ; 8. Culture; 9. Herbe ; 10. Verger. A: mapping of land use; B: network length; C: land cover diagram; 1. Agricultural pathway; 2. Hedges; 3. Road; 4. Stream; 5. Basin; 6. Wood; 7. Build; 8. Cropland; 9. Grassland; 10. Orchard.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-3.png
Fichier image/png, 207k
Titre Fig. 4 – Modèle LASCAR (LAndscape StruCture And Runoff). Fig. 4 – LASCAR (LAndscape StruCture And Runoff).
Légende A : fonctionnement du modèle ; B : fonctions affectées aux « Agentgouttes » ; C : superposition des données. A: model working; B: functions assigned to "Agentgouttes"; C: data superposition.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-4.png
Fichier image/png, 232k
Titre Fig. 5 – Cartographie des connectivités hydrologiques. Fig. 5 – Mapping of hydrological connectivities.
Légende A : comparaison de la connectivité simulée/observée au cours d’eau de chaque patch ; B : connectivités observées sur le bassin au cours de différents épisodes de ruisselants ; 1. Espaces connectés correctement simulés ; 2. Espaces déconnectés correctement simulés ; 3. Espaces connectés sous-représentés par la simulation ; 4. Espaces connectés sur-représentés par la simulation ; 5. Déconnecté ; 6. Connecté ; 7. Non intégré ; 8. Site de mesure en continu ; 9. Site de prélèvements ponctuels. A: comparison of the simulated / observed connectivity to the watercourse of each patch; B: connectivities observed in the basin during different runoff events; 1. Connected spaces correctly simulated; 2. Disconnected spaces correctly simulated; 3. Connected spaces under represented by the simulation; 4. Connected spaces overrepresented by the simulation; 5. Disconnected; 6. Connected; 7. Non-integrated; 8. Site of continuous measurement; 9. Spot sampling site.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-5.png
Fichier image/png, 157k
Titre Tab. 1 – Caractérisation des différents épisodes pluvieux suivis survenu sur le bassin versant de Lingèvres. Tab. 1 – Characterization of the different rainfall events followed in the Lingèvres catchment area.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 180k
Titre Fig. 6 – Cartographie de l’évolution de la connectivité des patches au cours d’eau en fonction de l’intégration des contraintes. Fig. 6 – Mapping of evolution of the patches connectivity to the river as a function of the integration of the constraints.
Légende A : absence de contrainte ; B : contraintes linéaires (haies et fossés) ; C : contraintes linéaires (haies et fossés) + seuls les patches routes et cultures émettent du ruissellement ; D : contraintes linéaires (haies et fossés) + seuls les patches routes et cultures émettent du ruissellement + seuil de perméabilité. A: absence of constraint; B: linear constraints (hedges and ditches); C: linear constraints (hedges and ditches) + only road and crop patches emit runoff; D: linear constraints (hedges and ditches) + only road and crop patches emit runoff + permeability threshold.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-7.png
Fichier image/png, 127k
Titre Fig. 7 – Cartographie des entités de la (dé)connectivité sur le bassin de Lingèvres.Fig. 7 – Mapping of the entities of (de) connectivity on the Lingèvres basin.
Légende 1. Haies bloquantes ; 2. Points de blocage ; 3. Prairies infiltrantes ; 4. 90 % de la surface connectée ; 5. 75 % de la surface connectée ; 6. 50 % de la surface connectée ; 7. 25 % de la surface connectée ; 8. 10 % de la surface connectée ; 9. Moins de 10 % de la surface connectée ; 10. Parcelles ne participant pas à la (dé)connectivité ; 11. Limites parcellaires ; 12. Fossés connectant ; 13. Cours d’eau. 1. Blocking hedges; 2. Blocking points; 3. Infiltrating grassland; 4. 90% of the surface is connected; 5. 75% of the surface is connected; 6. 50% of the surface is connected; 7. 25% of the surface is connected; 8. 10% of the surface is connected; 9. Less than 10% of the connected area; 10. Plots not participating at the (de) connectivity; 11. Parcel boundaries; 12. Connected ditches; 13. Water.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-8.png
Fichier image/png, 282k
Titre Tab. 2 – Quantité de MES exportée du bassin au cours des différents épisodes (valeurs mesurées à l’exutoire du bassin). Tab. 2 – Quantity of MES exported from the basin during different episodes (measured at the outlet of the basin).
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 116k
Titre Fig. 8 – Schématisation du fonctionnement du bassin de Lingèvres en fonction de l’intensité de l’épisode. Fig. 8 – Schematic of the functioning of the Lingèvres basin according to the intensity of the episode.
Légende A : épisode rare mais intense ; B : épisode fréquent mais moins intense ; 1. Cours d’eau intermittent ; 2. Cours d’eau permanent ; 3. Fossé actif ; 4. Fossé. A: rare but intense episode; B: frequent but less intense episode; 1. Intermittent river; 2. Permanent river; 3. Active ditch; 4. Ditch.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-10.png
Fichier image/png, 78k
Titre Fig. 9 – Synthèse des mesures de terrain lors de l’épisode du 8 mars 2013 (cumul des précipitations = 20,8 mm). Fig. 9 – Synthesis of the field measurements during the episode of 8 March 2013 (cumulative precipitation = 20.8 mm).
Légende 1. Limite du bassin versant ; 2. Routes ; 3. Haies ; 4. Cours d’eau ; 5. Limites parcellaires ; 6. Zones urbanisées. 1. Catchment boundary ; 2. Roads ; 3. Hedges ; 4. River ; 5. Plot boundaries ; 6. Urbanized areas.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11857/img-11.png
Fichier image/png, 360k
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Pour citer cet article

Référence papier

Romain Reulier, Daniel Delahaye, Vincent Viel et Robert Davidson, « Connectivité hydro-sédimentaire dans un petit bassin versant agricole du nord-ouest de la France : de l’expertise de terrain à la modélisation par Système Multi-Agent », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 23 - n° 4 | 2017, 327-340.

Référence électronique

Romain Reulier, Daniel Delahaye, Vincent Viel et Robert Davidson, « Connectivité hydro-sédimentaire dans un petit bassin versant agricole du nord-ouest de la France : de l’expertise de terrain à la modélisation par Système Multi-Agent », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 23 - n° 4 | 2017, mis en ligne le 04 décembre 2017, consulté le 20 avril 2018. URL : http://journals.openedition.org/geomorphologie/11857 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.11857

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Auteurs

Romain Reulier

Laboratoire LETG-Caen, UMR CNRS 6554, Université de Caen-Normandie – Esplanade de la Paix, BP 5186, 14032 Caen cedex, France (romain.reulier@unicaen.fr). Tél : +33 2 31 56 63 84.

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Daniel Delahaye

Laboratoire LETG-Caen, UMR CNRS 6554, Université de Caen-Normandie – Esplanade de la Paix, BP 5186, 14032 Caen cedex, France (daniel.delahaye@unicaen.fr).

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Vincent Viel

Université Paris 7-Diderot, UMR CNRS 8586 Prodig – 5 rue Thomas Mann, 75013 Paris, France (viel.vincent@univ-paris-diderot.fr).

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Robert Davidson

Laboratoire LETG-Caen, UMR CNRS 6554, Université de Caen-Normandie – Esplanade de la Paix, BP 5186, 14032 Caen cedex, France (robert.davidson@unicaen.fr).

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