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La géomorphologie des bassins-versants sous l’angle de la connectivité : est-ce réinventer la roue ou changer de paradigme ?

Étienne Cossart, Candide Lissak et Vincent Viel
p. 281-287
Traduction(s) :
Geomorphic analysis of catchments through connectivity framework: old wine in new bottle or efficient new paradigm?

Texte intégral

1. Un concept à la mode pour des questionnements anciens

1.1. Un essor récent et spectaculaire

1« Old wine in new bottle », autrement dit réinventer la roue, voici posé le scepticisme de Bracken et al. (2015) concernant la connectivité hydro-sédimentaire lors de la conclusion d’un numéro spécial de la revue Earth Surface Processes and Landforms, portant spécifiquement sur ce sujet. Ce scepticisme est notamment lié à l’engouement récent et spectaculaire des géomorphologues pour ce concept, particulièrement perceptible dans le rythme des publications mentionnant le terme même de connectivité dans leur titre (fig. 1). Cet indéniable effet de mode ne doit cependant pas nous faire oublier que les jalons des questionnements inhérents aux problèmes de connectivité hydro-sédimentaire ont été posés il y a maintenant près d’un demi-siècle avec la formalisation aboutie du fonctionnement des systèmes ouverts en géomorphologie (Chorley et Kennedy, 1971 ; Schumm, 1977). Ces auteurs ont montré que le continuum entre fourniture, transport puis dépôt, ne dépend pas uniquement du volume de sédiments fournis par les sources amont, mais aussi des qualités de connexion entre les différents compartiments du système. McGuiness et al. (1971) illustrent ainsi que les signaux sédimentaires peuvent être largement désynchronisés en divers points d’un bassin-versant, i.e. « spatial and temporal paradox » (fig. 2), là encore en fonction des qualités de connexion entre les compartiments du continuum sédimentaire. Dans ce même mouvement de réflexion, l’aptitude d’un bassin-versant à transférer efficacement les sédiments est mise en relation avec son aptitude à propager des perturbations liées à des forçages extérieurs, i.e. « sensitivity » (Brunsden et Thornes, 1979). Ces études menées durant la décennie 1970 montrent déjà deux grandes applications du concept de connectivité pour les géomorphologues. Ce terme est en effet utilisé à la fois pour expliquer le volume des sédiments exportés à l’exutoire d’un bassin-versant, ainsi que pour expliquer la rythmicité des signaux sédimentaires et, partant, la façon dont ils éclairent les changements environnementaux (e.g. climatiques, anthropiques, tectoniques) passés et actuels.

Fig. 1 – Inventaire des articles portant le concept de connectivité dans leur intitulé (le corpus étudié est celui de la revue Geomorphology).
Fig. 1 – Inventory of articles bearing the concept of connectivity in their title (the source is the journal Geomorphology).

Fig. 1 – Inventaire des articles portant le concept de connectivité dans leur intitulé (le corpus étudié est celui de la revue Geomorphology).  Fig. 1 – Inventory of articles bearing the concept of connectivity in their title (the source is the journal Geomorphology).

Fig. 2 – Les paradoxes spatiaux et temporels des signaux sédimentaires (d’après McGuiness et al., 1971 modifié).
Fig. 2 – Spatial and temporal paradoxes of sedimentary signals (modified from McGuiness et al., 1971).

Fig. 2 – Les paradoxes spatiaux et temporels des signaux sédimentaires (d’après McGuiness et al., 1971 modifié).  Fig. 2 – Spatial and temporal paradoxes of sedimentary signals (modified from McGuiness et al., 1971).

1.2. Connectivité et volumes sédimentaires exportés

2Une grande part des études mobilisant le terme de connectivité a pour objectif d’expliquer pourquoi la part des sédiments exportés à l’exutoire des bassins-versants reste faible, bien en-deçà de la fourniture sédimentaire issue des sources amont. Formalisé sous l’intitulé du « sediment delivery problem » (Walling, 1983), ce constat est issu des bilans sédimentaires réalisés à l’échelle de bassins-versants de plusieurs milliers de kilomètres carrés où la part des sédiments exportés (relativement aux sédiments fournis par les sources) varie entre 1 % et 15 % (Slaymaker, 1977 ; Milliman et Meade, 1983 ; Trimble, 1983 ; Milliman et Syvitski, 1992). L’inefficacité géomorphologique des bassins-versants est directement mise en relation avec le (dys)fonctionnement de la cascade sédimentaire, définie comme l’ensemble des flux de sédiments qui s’organisent depuis les zones sources, à l’amont, vers les zones d’évacuation (exutoires) ou de stockage durables (cuvettes lacustres, océans, etc.). Ce constat suppose que des processus géomorphologiques internes aux bassins-versants peuvent avoir des effets antagonistes. Plus précisément, les modalités de couplage entre processus géomorphologiques peuvent expliquer, au moins partiellement, les modalités de l’exportation sédimentaire en général (Fryirs, 2013) et la tendance au piégeage sédimentaire (Walling, 1983) en particulier.

3Pour explorer ce fonctionnement interne, Harvey (1997) propose une lecture à plusieurs échelles spatiales, en essayant d’ouvrir les « boîtes noires » qui jalonnent les parcours de sédiments au sein d’un bassin-versant. Parmi ces « boîtes noires », ont une importance singulière les zones de couplage entre compartiments comme des zones tampons, des seuils et des carapaces, i.e. « buffers », « barriers », « blankets » (Fryirs, 2013). De l’ensemble de ces couplages entre des compartiments géomorphologiques pris deux à deux (e.g. couplage paroi/talus d’éboulis, couplage versant/cours d’eau, etc.) émerge des schémas d’organisation spatiale, parfois complexes à décrypter, mais qui expliquent directement pourquoi la structuration interne d’un bassin-versant est efficace, ou non, en termes de transfert du matériel sédimentaire vers l’exutoire.

4Le concept de connectivité amène ainsi à considérer le bassin-versant comme un système complexe, dont le comportement d’ensemble résulte de l’émergence d’une multitude de comportements locaux (Miall, 1996 ; Schumm, 2005). Autrement dit, il s’agit tout d’abord d’étudier à une échelle fine le fonctionnement des connecteurs et des régulateurs, qui activent ou entravent localement les flux sédimentaires dans les cascades sédimentaires. Ensuite, il s’agit d’appréhender la combinaison des couplages existants, ce qui reste complexe à formaliser intellectuellement : le recours à la modélisation est alors requis. Celle-ci peut prendre plusieurs formes : la théorie des graphes (Heckmann et al., 2015 ; Cossart et Fressard, 2017) ou le recours à des équations différentielles en sont quelques exemples (Cossart, 2016). Une telle expertise géomorphologique a d’ailleurs été largement développée en France, avec plusieurs travaux portant sur le développement de méthodes résolument géographiques pour modéliser l’émergence du comportement d’un bassin-versant à partir des interactions locales (Delahaye et al., 2002 ; Douvinet et al., 2008 ; Viel, 2012 ; Reulier, 2015 ; Reulier et al., 2016).

1.3. Connectivité et signaux sédimentaires

5Toujours dans son article de 1997, Harvey plaide pour des études portant sur la variabilité dans le temps des modalités de couplage entre les objets géomorphologiques. En effet, les processus animant le couplage peuvent tantôt entrer en résonnance et contribuer efficacement à une exportation sédimentaire, ou au contraire devenir antagonistes, provoquant des entraves. De telles combinaisons peuvent jeter un trouble sur les lectures classiques du message sédimentaire et, sans aller jusqu’à évoquer une « sedimentological anarchy » (Walker, 1990), peut apparaître un « comportement erratique –du système géomorphologique– impossible à prévoir par la modélisation classique » (Bravard, 1998). L’étude des signaux sédimentaires doit ainsi dépasser l’idée d’une réponse linéaire des systèmes.

6Cette question renvoie à la modélisation des systèmes critiques auto-organisés (SOC: Self-Organized Criticality) définis par Bak et al. (1987, 1988). Il s’agit d’un groupe de modèles formels qui décrivent un système dynamique qui se place spontanément dans une situation critique (criticalité auto-organisée) : des contraintes sont accumulées localement jusqu’à un point de rupture qui correspond au seuil critique de résistance du système à cette contrainte. En géomorphologie, l’auto-organisation des cascades sédimentaire se caractérise notamment par une dynamique temporelle non-linéaire dans l’occurrence d'événements de perturbation dans le système ou encore par l’influence de la disponibilité sédimentaire dans le fonctionnement des cascades. En fonction de cette disponibilité, une stimulation hydro-climatique peut en effet initier à la fois des événements géomorphologiques de faible et de haute magnitude (Roussel et al., 2016). Autrement dit, les cascades sédimentaires peuvent se gripper, pour reprendre l’image du « jerky conveyor belt » de Ferguson (1981). Nombreux sont les exemples où le signal sédimentaire est caractérisé par des pulsations sporadiques (Fort, 1987) qui reflètent l’auto-organisation interne d’une cascade sédimentaire et non la réponse à une stimulation extérieure (Heckmann et Schwanghart, 2013). Aussi le concept de connectivité nous invite-t-il finalement à dépasser les interprétations parfois simplistes des pics et pulsations sédimentaires, interprétations souvent fondées sur un triptyque Homme-Climat-Tectonique.

2. Pourquoi mobiliser le concept de connectivité hydro-sédimentaire ?

2.1. Un canevas pour formaliser des réseaux d’interactions

7En dépassant le seul cadre de la géomorphologie, il apparaît que le terme de connectivité permet de décrypter le fonctionnement de réseaux d’interactions, et donc le fonctionnement des systèmes qui y sont liés. Ainsi des écologues ont défini une connectivité écologique comme étant « l’ensemble des liens fonctionnels et effectifs nécessaires au fonctionnement, à la stabilité et à la résilience des écosystèmes sur le long terme » (Bennett, 2004). En géographie, la connectivité d’un réseau est vue comme étant « l’ensemble des liens qui permettent de relier un lieu à un autre » (Pumain et Saint-Julien, 2010). Dans ces deux définitions se perçoit la nécessité d’étudier à la fois les liens unitaires existant entre deux lieux, deux objets, mais également les agencements que forment ces liens à une échelle plus large. Ce souci d’une lecture multi-scalaire a incité plusieurs auteurs à distinguer le terme de « couplage » pour l’étude des liens élémentaires, et de conserver le terme de connectivité pour l’étude de l’agencement de ces liens (Faulkner, 2008 ; Heckmann et Schwanghart, 2013). Dans ce dernier cas, l’accent est alors mis sur l’identification des zones qui s’organisent en une cascade sédimentaire efficace, pouvant assurer un transfert jusque vers l’exutoire, et les zones qui restent au contraire aux marges de la cascade, ne contribuant pas à l’alimentation de l’exutoire.

8La connectivité est donc un terme éprouvé, dont les contours ont été progressivement définis dans diverses sciences, comme récemment en géomorphologie (Cossart et Fressard, 2017). Si comme le rappelle Bracken et al. (2015) ce concept n’est en rien innovant, l’une de ses forces est d’avoir été mobilisé par différents champs disciplinaires pour aborder des réseaux de nature variée. Dans ce numéro de la revue Géomorphologie : Relief, Processus, Environnement, l’article de Bourgeois et al. montre que le cadre conceptuel de la connectivité est robuste, permettant d’effectuer des comparaisons, et même un dialogue, entre des disciplines. Sans doute sera-t-il possible de lever des verrous en géomorphologie en s’inspirant des développements produits par les écologues, sociologues, ou encore mathématiciens, qui nous ont précédés dans la mobilisation de ce concept. De la façon dont nos collègues ont mesuré la connectivité par le biais d’indicateurs, de la façon dont ils ont formalisé leurs jeux de données pour effectuer ces mesures, apparaîtront certainement des applications pour la modélisation des cascades sédimentaires.

2.2. La connectivité structurelle

9En géomorphologie, le concept de connectivité incite à l’étude de l’agencement de liens qui animent, à l’échelle du bassin-versant, une cascade sédimentaire (Cavalli et al., 2013). Cette étude peut se focaliser sur la structure ou squelette de la cascade (connectivité structurelle), et ce suivant trois principaux aspects. Le premier est d’identifier des enchaînements de liens assurant un couplage efficace, structurant la cascade. Le second est d’effectuer une typologie de ces liens : typologie des lieux mis en connexion de façon récurrente, typologie des processus assurant la mise en relation. Le troisième est essentiellement géométrique, et vise à identifier des lieux où s’effectue une convergence des flux dans la cascade sédimentaire. Une hiérarchie de ces points de convergence pourra être proposée en fonction de la superficie qui contribue à l’alimentation de ce point, ou en fonction du nombre de liens qui l’alimentent. Une telle hiérarchisation permet l’identification de points névralgiques, au rôle prépondérant dans le fonctionnement de la cascade sédimentaire. L’article de Fressard et al., dans ce numéro, effectue une telle lecture dans un bassin-versant agricole : il s’agit de casser la connectivité au niveau de ces fameux points névralgiques pour désorganiser l’enchaînement des processus géomorphologiques responsables des pertes en sol.

2.3. La connectivité fonctionnelle

10En complément à ces approches structurelles, les études peuvent porter de façon complémentaire sur les interactions élémentaires qui existent localement au sein du bassin-versant : interactions locales entre processus géomorphologiques, interactions entre processus et infrastructures paysagères/anthropiques, etc. Dans le cadre de ces études fonctionnelles « process-based connectivity » (Bracken et al., 2015) l’enjeu est tout d’abord méthodologique, inhérent à toute étude d’un système complexe dont le comportement émerge des interactions locales. L’article de Reulier et al. expose un exemple de développement méthodologique ad hoc, fondé sur les Systèmes Multi-Agents, permettant une telle lecture multiscalaire. Cet outil permet de formaliser les interactions qui existent localement entre les processus géomorphologiques et les infrastructures anthropiques, pour ensuite hiérarchiser l’importance de ces dernières dans l’entrave ou a contrario dans l’exacerbation des flux sédimentaires.

3. Quelques perspectives

11La connectivité permet de caractériser des agencements spatiaux au sein des cascades sédimentaires, d’appréhender comment ils confèrent cohérence et consistance au réseau. Les caractéristiques de ces agencements rejaillissent directement sur les propriétés de résilience de la cascade sédimentaire sur sa sensibilité au changement, pour reprendre l’expression de Brunsden et Thornes (1979). Dans cette perspective ont été publiés de nombreux articles visant non seulement à caractériser, mais aussi à mesurer la connectivité (Cavalli et al., 2013) : des exemples d’indicateurs sont d’ailleurs proposés dans ce numéro.

12Aussi efficaces soient-ils, ces indicateurs ont été développés ad hoc, en fonction d’un questionnement initial précis, et sans doute doit-on encore progresser dans la montée en généralité de leur bonne interprétation. Que signifie une forte connectivité ? A l’échelle du bassin-versant entier : est-ce une aptitude du réseau à encaisser/amplifier des forçages extérieurs ? La connectivité est-elle nécessairement positive pour l’état du bassin-versant ? La directive-cadre sur l'eau (2000/60/CE) impose par exemple d’améliorer la connectivité hydro-sédimentaire dans les bassins-versants en démantelant des ouvrages désuets pour restaurer la qualité des cours d’eau, mais n’augmente-t-on pas là le risque de crues ou de diffusion de polluants ? (Viel et al., 2014). A l’échelle intra-réseau : à quoi correspondent les points nodaux, stratégiques, identifiés par leur aptitude à être bien reliés aux autres compartiments de la cascade sédimentaire ? La communauté des géomorphologues s’accorde sur le fait que le dysfonctionnement de tels « hotspots », voire leur rupture/déconnexion, peut aboutir à une modification profonde de l’organisation initiale de la cascade sédimentaire (fig. 3). Mais se pose alors la question de ce que l’on entend par une organisation géomorphologique. Dans les articles de ce numéro, elle peut tout d’abord correspondre à la complexité des interactions mutuelles qui animent la cascade sédimentaire. Ensuite, elle peut correspondre à la distance d’expression nécessaire au déploiement de relais spatio-temporels de processus géomorphologiques (fig. 3A) ; des relais amont-aval qui sont souvent associés à une boucle de rétroaction positive en termes d’énergie érosive (notamment dans le cas de l’érosion hydrique des sols). Ainsi, au sein d’une cascade sédimentaire, le dysfonctionnement du point ayant la plus haute connectivité amènerait à un scindement en plusieurs systèmes indépendants, de taille aussi équivalente que possible, de telle sorte qu’aucun ne pourrait atteindre le niveau d’organisation du système initial (fig. 3B). L’interprétation des fortes valeurs de connectivité, à l’échelle du point, n’est toutefois qu’à ses débuts. S’agit-il de points qui concentrent le plus sédiments eu égard à la surface de production en amont ? De points où le transfert de sédiments et d’eau est supérieur à ce que laisserait présager leur position dans le bassin-versant ?

13En conclusion, si l’on ne peut qu’être surpris de l’essor actuel du concept de connectivité en géomorphologie, sans doute pouvons-nous nous réjouir sur deux points. Tout d’abord, ce concept est propice au raisonnement géographique : la communauté des géographes (géographie humaine comprise) a développé une expertise, notamment dans la formalisation du fonctionnement multi-scalaire des réseaux d’interaction. Ce raisonnement renforce la légitimité scientifique de notre communauté, complémentaire de celle des géosciences, pour l’étude des cascades sédimentaires. Ensuite, l’essor des études de connectivité est sans nul doute lié à la banalisation des outils (e.g. mathématiques, informatiques) permettant la modélisation des systèmes géomorphologiques : il nous est désormais possible d’étayer les raisonnements formalisés par nos prédécesseurs de la décennie 1970, à notre communauté de saisir cette belle opportunité !

Fig. 3 – Désorganisation géomorphologique d’un bassin-versant par dysfonctionnement d’un point névralgique.
Fig. 3 – Geomorphic entropy of a catchment while a hotspot disrupts.

Fig. 3 – Désorganisation géomorphologique d’un bassin-versant par dysfonctionnement d’un point névralgique.  Fig. 3 – Geomorphic entropy of a catchment while a hotspot disrupts.

A : Organisation des processus hydro-géomorphologique dans des bassins versants montagnards (d’après Ohmori et Shimazu, 1994). B : Désorganisation de l’agencement spatial des processus hydrogéomorphologiques par rupture d’un point névralgique. F : inondation ; TF : écoulement turbide ; DF : coulée de débris. 1. Granulométrie du matériel sédimentaire ; 2. Valeurs de pente du chenal ; 3. Sédimentation régressive ; 4. Rupture d’un point névralgique.
A: Spatial patterns of hydro-geomorphic processes within small alpine catchments (after Ohmori and Shimazu, 1994). B: Disorganizations of the theoretical pattern by the disruption of a geomorphic hotspot. F: flood; TF: turbidity flow; DF: debris flow. 1. Grain-size of sediments; 2. Channel slope gradient; 3. Retrogressive sedimentation; 4. Hotspot disruption.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 – Inventaire des articles portant le concept de connectivité dans leur intitulé (le corpus étudié est celui de la revue Geomorphology). Fig. 1 – Inventory of articles bearing the concept of connectivity in their title (the source is the journal Geomorphology).
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11893/img-1.png
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Titre Fig. 2 – Les paradoxes spatiaux et temporels des signaux sédimentaires (d’après McGuiness et al., 1971 modifié). Fig. 2 – Spatial and temporal paradoxes of sedimentary signals (modified from McGuiness et al., 1971).
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/11893/img-2.png
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Titre Fig. 3 – Désorganisation géomorphologique d’un bassin-versant par dysfonctionnement d’un point névralgique. Fig. 3 – Geomorphic entropy of a catchment while a hotspot disrupts.
Légende A : Organisation des processus hydro-géomorphologique dans des bassins versants montagnards (d’après Ohmori et Shimazu, 1994). B : Désorganisation de l’agencement spatial des processus hydrogéomorphologiques par rupture d’un point névralgique. F : inondation ; TF : écoulement turbide ; DF : coulée de débris. 1. Granulométrie du matériel sédimentaire ; 2. Valeurs de pente du chenal ; 3. Sédimentation régressive ; 4. Rupture d’un point névralgique. A: Spatial patterns of hydro-geomorphic processes within small alpine catchments (after Ohmori and Shimazu, 1994). B: Disorganizations of the theoretical pattern by the disruption of a geomorphic hotspot. F: flood; TF: turbidity flow; DF: debris flow. 1. Grain-size of sediments; 2. Channel slope gradient; 3. Retrogressive sedimentation; 4. Hotspot disruption.
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Pour citer cet article

Référence papier

Étienne Cossart, Candide Lissak et Vincent Viel, « La géomorphologie des bassins-versants sous l’angle de la connectivité : est-ce réinventer la roue ou changer de paradigme ? », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 23 - n° 4 | 2017, 281-287.

Référence électronique

Étienne Cossart, Candide Lissak et Vincent Viel, « La géomorphologie des bassins-versants sous l’angle de la connectivité : est-ce réinventer la roue ou changer de paradigme ? », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 23 - n° 4 | 2017, mis en ligne le 16 janvier 2018, consulté le 15 août 2018. URL : http://journals.openedition.org/geomorphologie/11893

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Auteurs

Étienne Cossart

Environnement Ville Société, UMR CNRS 5600, Université de Lyon (Jean Moulin, Lyon 3) – 18 rue Chevreul, 69007 Lyon, France (etienne.cossart@univ-lyon3.fr). Tél : +33 4 78 78 71 79.

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Candide Lissak

Laboratoire LETG-Caen, UMR CNRS 6554, Université de Caen-Normandie – Esplanade de la Paix, BP 5186, 14032 Caen cedex, France (candide.lissak@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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