Ces travaux s’insèrent dans l’axe 3 de la phase 8 du PIREN-Seine (https://www.piren-seine.fr/) et plus particulièrement dans le bloc consacré à la « Trajectoire des cours d’eau périurbains ». Les auteurs de cet article souhaitent remercient le Parc naturel régional de la Haute vallée de Chevreuse, le syndicat mixte pour l’aménagement du Morbras ainsi que le conseil départemental du Val-de-Marne et la mairie de Compans pour leur intérêt et leur collaboration dans cette étude. Nous souhaiterions aussi remercier Amandine Zahm et Mathieu Girondin pour leur aide sur le terrain ainsi que Marion Jugie, pour son travail de thèse sur la Mérantaise, et Leila Ali et Séraphin Gouin pour leur contribution dans le cadre de leur mémoire de Master.
1Depuis le début des années 2000, les études sur le fonctionnement hydromorphologique, écologique et physico-chimique des cours d’eau urbains et périurbains se sont multipliées. Elles visent à mieux comprendre la récente mutation de leur fonctionnement biophysique (Chin, 2006 ; Francis, 2012 ; Chin et al., 2013 ; Navratil et al., 2013 ; Booth et al., 2016 ; Schmitt et al., 2016). En effet, l’urbanisation rapide des plaines européennes est accompagnée d’une intensification des pratiques agricoles, d’un étalement urbain et d’une densification des réseaux de drainage. Les surfaces imperméabilisées se multiplient, augmentant ainsi le risque de ruissellement et la production hydrologique. Aujourd’hui, ces rivières sont transformées par des pressions multiples, qui aboutissent en général à un élargissement et à une incision profonde du lit mineur, ainsi qu’à une dégradation de la qualité physico-chimique et écologique (Chutter, 1969 ; Wood et Armitage, 1997, 1999 ; Allan, 2004 ; Brooks et al., 2005 ; Wood et al., 2005 ; Bo et al., 2007 ; Niyogi et al., 2007 ; Brown et al., 2009 ; Hepp et al., 2010 ; Reid et al., 2010 ; Grospretre, 2011 ; Utz et al., 2016 ; Jugie, 2018).
2Cela dit, si l’altération est généralisée, elle n’est pas uniforme. Chaque rivière périurbaine semble répondre différemment aux diverses pressions, et les évolutions des caractéristiques hydromorphologiques suivent des trajectoires différentes. De plus, les processus reliant ces pressions aux transformations hydrogéomorphologiques et biologiques sont encore mal connus, en particulier les liens entre la morphologie du lit, la charge de fond et l’assemblage des peuplements aquatiques (Brown et al., 2009 ; Booth et al., 2016). L’une des raisons de cette méconnaissance est liée à la difficulté d’isoler les différents paramètres responsables de la dégradation des biocénoses : physico-chimiques, hydromorphologiques ou écologiques. Les populations de macroinvertébrés varient, par exemple, en fonction des transformations de leurs habitats et de la qualité de l’eau, or l’ampleur des dommages dus à la perte d’habitats est très souvent mal évaluée du fait de l’importance de la dégradation de la qualité physico-chimique de l’eau (Canobbio et al., 2013).
3En France, malgré l’intérêt croissant pour les petites rivières périurbaines, dont témoigne notamment la multiplication de projets de restauration écologique (Wenger et al., 2009 ; Roy et al., 2016), ces petits systèmes fluviaux ont été jusqu’à présent peu étudiés en particulier dans la plus grande agglomération française (Carré, 2011 ; Grospretre, 2011 ; Lespez et al., 2016, 2019 ; Jugie, 2018 ; Dufour et Lespez, 2020). Ils constituent pourtant l’essentiel du réseau hydrographique d’Île-de-France : les cours d’eau d’ordre 1 et 2 dans la classification de Strahler représentent 73 % du réseau. Ils possèdent par ailleurs des caractéristiques communes qui en font un objet d’étude spécifique : ces rivières sont de petites dimensions (moins de 10 m de largeur et de 2 m de profondeur), non navigables, soumises à la propriété privée et généralement de faible énergie. De plus, elles sont profondément aménagées, depuis longtemps, avant même l’impact direct de l’urbanisation, et elles sont le plus souvent considérées comme des espaces de qualité écologique médiocre.
4Afin de comprendre l’impact de la croissance urbaine sur le fonctionnement biophysique de ces systèmes, trois petites rivières périurbaines ont été choisies selon un gradient d’urbanisation afin d’être comparées. La comparaison consiste (i) à caractériser les conséquences morphodynamiques de l’urbanisation à travers l’étude de la morphologie des lits et de l’incision et de l’érosion des berges, (ii) à caractériser les peuplements de macroinvertébrés et leurs habitats, et (iii) à proposer un premier lien entre les deux. Les résultats obtenus permettent de mesurer l’altération des petits cours d’eau périurbains face à la croissance urbaine et d’en discuter les causes.
5La Biberonne, affluent principal de la Beuvronne, est située dans le nord-est de la région parisienne. Son bassin versant mesure 57 km², dont 74,77 % sont agricoles (fig. 1B). Cette rivière est longue de 13,5 km et large, en moyenne, de 6,2 m. Sa pente moyenne est de 0,38 %. Elle s’écoule dans un bassin très largement recouvert par des limons de plateau et des colluvions polygéniques et s’encaisse, à l’amont, dans les calcaires de Saint-Ouen (Bartonien moyen), caractérisés par la présence de lits de silex et, à l’aval, dans les sables de Beauchamps (Bartonien inférieur), qui fournissent la fraction sableuse du lit de la rivière, par ailleurs majoritaire.
6La Mérantaise, affluent de l’Yvette, est située au sud-ouest de la région parisienne. Son bassin mesure 35 km², dont 24 % sont urbains, 36 % agricoles et 27 % forestiers (fig. 1C). Cette rivière est longue de 13,3 km et large, en moyenne de 6,6 m. Sa pente moyenne est de 0,76 %. Comme les deux autres bassins versants, celui de la Mérantaise est très largement recouvert de limons de plateau plus ou moins épais. Sa vallée est encaissée et recoupe des argiles à meulières de Montmorency puis des sables de Fontainebleau (Rupélien supérieur), et enfin, sur ses derniers kilomètres, des argiles vertes imperméables rupéliennes. Le fond du lit de la Mérantaise est caillouteux.
7Le Morbras, affluent de la Marne, est situé dans le sud-est de la région parisienne. Son bassin mesure 48 km², dont 42,33 % sont urbains (fig. 1D). Cette rivière est longue de 17,5 km et large, en moyenne, de 6,3 m. Sa pente moyenne est de 0,40 %. Le Morbras s’écoule, à l’amont, sur des limons de plateau, il s’incise ensuite progressivement dans des argiles à meulière et des calcaires de Brie, puis des argiles vertes et des glaises à Cyrènes de l’Oligocène inférieur. En s’enfonçant dans le plateau, la rivière traverse ensuite des Marnes blanches et bleues du Bartonien supérieur puis, enfin, des calcaires plus résistants de Champigny (Bartonien supérieur). Le contact avec ces calcaires (à une dizaine de kilomètres de la source) correspond à une rupture de pente (knickpoint) du profil en long. En effet, le Morbras s’écoule d’abord sur le plateau de Brie, autour de 110 m d’altitude avec une pente de 0,26 % qui passe brutalement à 1 % puis progressivement à 0,7 % pour rejoindre le niveau de la Marne à 32 m d’altitude.
Fig. 1 – Localisation du terrain d’étude.
Fig. 1 – Location of the study’s site.
A : Localisation des trois systèmes étudiés dans l’espace francilien ; B : La Biberonne ; C : Le Morbras et D. La Mérantaise. BV : bassin versant (km²), L : linéaire (km), Q : débit moyen annuel estimé aux stations avals (m3/s),
: puissance spécifique calculée aux stations CARHYCE correspondant à la crue de fréquence de retour 1 % de la courbe des débits classés (W/m²), S : pente (%), Lpbm : largeur à plein bord moyenne (m), Hpbm : profondeur à plein bord moyenne (m), D50 : diamètre médian de la fraction grossière aux stations CARHYCE aval (mm). 1. Cours d’eau permanent ; 2. Bassins de rétention, étangs ; 3. Stations hydrométriques ; 4. Stations d’étude ; 5. Altitudes ; 6. Forêt ; 7. Milieux semi-naturels ; 8. Terrains agricoles ; 9. Zones urbanisées.
A: Location of the three systems studied in the Ile-de-France area; B: The Biberonne’s watershed; C: The Morbras’ watershed; D: The Mérantaise’s watershed. BV: catchment area (km²), L: linear (km), Q: flow rate (m3/s), ω: specific power (W/m²), S: slope (%), Lpbm: average bankfull width (m), Hpbm: average bankfull depth (m), D50: median diameter (mm). 1. Permanent streams; 2. Retention basins, ponds; 3. Hydrometric stations; 4. Study’s stations; 5. Altitudes; 6. Forest; 7. Semi-natural environments; 8. Agricultural land; 9. Urbanised areas.
8Les régimes hydrologiques de ces trois cours d’eau sont directement influencés par le climat océanique dégradé et sont de type pluvio-évaporal. Les hautes eaux surviennent en hiver, entre décembre et mars et les étiages sont essentiellement atteints à la fin de l’été, entre août et septembre. Les trois cours d’eau sont inégalement équipés en stations hydrométriques. Si le Morbras est bien suivi avec trois stations, la Mérantaise n’est équipée que d’une station de mesure depuis 2012 et la Biberonne n’est pas jaugée. Pour caractériser les écoulements de cette dernière, les données de la station de Compans, sur la Beuvronne, juste en aval de sa confluence avec la Biberonne, seront rapportées à la taille du bassin versant (les deux rivières s’écoulant dans la Plaine de France dans des contextes géomorphologiques très semblables) selon la formule suivante :
9où Q2 est le débit recherché (en m3/s), Q1 le débit à la station hydrologique connue (en m3/s), a la surface totale du bassin versant (en km²) et A la surface du bassin versant à la station hydrologique connue (en km²) (Bravard et Petit, 2000). Le débit moyen annuel de la Biberonne à l’exutoire est donc estimé à 0,27 m3/s, celui du Morbras à Sucy-en-Brie (97 % du BV) est de 0,33 m3/s et celui de la Mérantaise à Châteaufort (58 % du BV) est de 0,11 m3/s, ce qui donne respectivement des débits spécifiques d’environ 4,7, 6,9 et 5,2 l/s/km². En crue, ces débits peuvent augmenter très rapidement et dépassent assez régulièrement, sur les trois cours d’eau, 2 ou 3 m3/s, pour atteindre dans le cas du Morbras jusqu’à 10 m3/s.
10Afin d’étudier les caractéristiques hydrogéomorphologiques et biologiques de ces trois cours d’eau, nous avons décidé d’écarter les tronçons les plus artificialisés et de retenir des stations situées dans des tronçons permettant l’ajustement géomorphologique et souvent longés d’une ripisylve fournie. Ainsi, onze stations d’étude longues d’une quinzaine de fois la largeur plein bord ont été retenues : deux pour la caractérisation hydrogéomorphologique, trois pour la caractérisation biologique et six regroupant les deux types d’analyses (fig. 2, tab. 1). Cinq stations ont été mises en place, en 2016, dans le cadre de cette étude (Bib.1, Bib.2, Mer.4, Mor.9 et Mor.10) et les six autres proviennent d’études antérieures (tab. 1). Les onze stations d’étude ont été réparties le long des profils longitudinaux des trois rivières et présentent des caractéristiques morphologiques et paysagères similaires (tab. 1).
Fig.2 – Photographies des stations d’étude.
Fig.2 - Photographs of the study stations
A : Bib.1 ; B : Bib.2 ; D : Mer.4 ; E : Mer.5 ; F : Mer.6 ; G : Mer.7 ; H : Mer.8 ; I : Mor.9 ; J : Mor.10 ; K : Mor.11.
A : Bib.1; B : Bib.2; D : Mer.4; E : Mer.5; F : Mer.6; G : Mer.7; H : Mer.8; I : Mor.9; J :
Mor.10; K : Mor.11.
Tab. 1 – Principales caractéristiques des onze stations d’étude.
Tab. 1 – Main characteristics of all eleven study stations.
11Sur les trois rivières, de nombreux rejets potentiels agricoles, pluviaux ou privés sont présents et peuvent dégrader la qualité physico-chimique des eaux, et donc dégrader la qualité écologique des milieux aquatiques. Les informations disponibles sur cette question ont donc été collectées pour pouvoir discuter du rôle de ces rejets potentiels dans l’explication des observations.
12La qualité physico-chimique de l’eau n’a pas été mesurée au cours de cette étude, néanmoins, cette information nécessaire à la comparaison de ces systèmes a pu être collectée à partir de mesures effectuées par ailleurs. Quatre paramètres (oxygène dissous, température, nitrates et phosphores) mesurés aux exutoires de chacun des cours d’eau (Bib.3, Mer.8, Mor.11) en 2016, ont pu être comparés aux données régionales disponibles (naiades.eaufrance.fr). La concentration en oxygène dissous des trois rivières varie entre 8 et 13 mg/L et la température entre 3,4 et 21,9°C. Ces valeurs correspondent à un classement en « très bon état » (seule exception : la mesure de température de juillet sur le Morbras (21,9°C), qui correspond à un état « moyen ») (fig. 3A). Les fortes concentrations en nitrates et en phosphores, sont principalement imputables à l’agriculture et peuvent provoquer l’eutrophisation du milieu. La concentration en nitrates varie de 9,1 à 33,1 mg/L. Ces valeurs correspondent à un « bon état ». La concentration en phosphores varie de 0,03 à 1,1 mg/L. Dans le cas de la Mérantaise et du Morbras, ces valeurs correspondent à un « très bon état » ou à un « bon état ». Cependant, les plus fortes concentrations en phosphores retrouvées à la station de la Biberonne, indiquent un état « moyen » à « mauvais » (fig. 3B). Dans l’ensemble, les paramètres physico-chimiques observés sont comparables pour les trois rivières et indiquent des cours d’eau en plutôt bon état, du point de vue de la qualité physico-chimique de l’eau, à l’exception de la Biberonne, marquée par des apports trop importants en phosphore du fait de son bassin versant majoritairement agricole.
Fig. 3 – Variation de quatre paramètres physico-chimiques, au cours de l’année 2016, sur la Biberonne, la Mérantaise et le Morbras.
Fig. 3 – Variation of four physico-chemical parameters, during the year 2016, on the Biberonne, the Mérantaise and the Morbras.
A : Variation de la concentration d’oxygène dissous et de la température au cours de l’année 2016 ; B : Variation de la concentration de nitrates et de phosphores au cours de l’année 2016. 1. Biberonne ; 2. Mérantaise ; 3. Morbras.
A: Variation in dissolved oxygen concentration and temperature during the year 2016; B: Variation in nitrate and phosphorus concentration during the year 2016. 1. Biberonne; 2. Mérantaise; 3. Morbras.
13Par ailleurs, nous avons effectué une cartographie minutieuse des rejets potentiels rejoignant le cours d’eau. Il s’agit le plus généralement de buses qui servent au drainage agricole, aux eaux de surface collectées initialement par un réseau pluvial ou à des rejets privés. Ainsi, 69 rejets potentiels ont été recensés sur la Biberonne (soit environ un tous les 190 m en moyenne), 161 sur la Mérantaise (soit environ un tous les 85 m en moyenne) et 236 sur le Morbras (soit environ un tous les 74 m en moyenne). Afin d’identifier la localisation d’une éventuelle pression hydrologique sur les stations étudiées, l’inventaire s’est attaché en particulier à définir le lien entre ces infrastructures et les stations étudiées (tab. 2).
Tab. 2 – Nombre de rejets potentiels à l'amont des stations Carhyce et distance entre le rejet potentiel le plus proche et la station considérée.
Tab. 2 – Number of discharges upstream of Carhyce stations and distance between the closest discharge and station considered.
14Les caractéristiques hydrogéomorphologiques des trois cours d’eau ont été déterminées à l’aide du protocole CARHYCE (Caractérisation Hydrogéomorphologique des Cours d’Eau) (Gob et al., 2014 ; Baudoin et al., 2017). La géométrie simplifiée du chenal à plein bord est reconstituée à partir de quinze transects espacés d’une distance d’une fois la largeur plein bord moyenne. Pour chaque profil, les hauteurs (Hpb) et les largeurs plein bord (Lpb) sont mesurées et la composition des berges, la ripisylve, le faciès d’écoulement et les substrats minéraux et additionnels sont décrits. Le débit du jour est également mesuré grâce à un courantomètre, et la pente est calculée à l’aide d’un niveau de chantier et d’une mire.
15Les données hydrogéomorphologiques collectées sont ensuite traitées grâce à un script R. Ce dernier exploite les différents paramètres mesurés à l’échelle de chaque transect et fournit les valeurs moyennes à l’échelle de la station. L’utilisation du protocole Carhyce permet de comparer les caractéristiques des différentes stations d’étude considérées, il rassemble 34 stations de référence, considérées comme relativement peu altérées par les activités anthropiques (Gob et al., 2014 ; Tamisier et al., 2017), dans l’hydroécorégion « Tables calcaires » (Wasson et al., 2004). À partir de ce jeu de stations dites de référence, l’outil Carhyce propose une série de modèles régionaux de géométrie hydraulique. Toutefois, l’hydroécorégion de rattachement présente une hétérogénéité non négligeable qui implique une certaine variabilité qu’il conviendra de discuter lors de la comparaison des résultats obtenus avec les références Carhyce (Jugie, 2018).
16La qualité écologique des stations a été, quant à elle, déterminée à partir du protocole I2M2 (Indice Invertébrés Multimétrique) (Mondy et al., 2012) normalisé pour les rivières peu profondes. Ce protocole a été conçu pour les réseaux de surveillance de la qualité des eaux superficielles et correspond à des normes pour le prélèvement et le traitement en laboratoire des échantillons. La longueur de la station de mesure est définie par la largeur plein bord moyenne et par le nombre de successions de faciès d’écoulement (radier/mouille ; plat lotique/plat lentique). Pour les petits cours d’eau, elle varie de douze à dix-huit fois la largeur plein bord, de manière à contenir deux à trois séquences mouille-radier. Le taux de recouvrement approximatif de chaque support (ou habitat) est estimé en pourcentage de la surface mouillée, à partir d’une cartographie schématique, ce qui permet de répartir les supports selon trois classes (dominants, marginaux, et dominants complémentaires). Douze échantillons sont ainsi prélevés à l’aide d’un filet Surber (maille de 500 µm), puis ils sont fixés à l’éthanol à 95° pour être conservés. Ces douze échantillons sont ensuite dépouillés et triés séparément en laboratoire. Les macroinvertébrés sont isolés puis déterminés à la loupe binoculaire, à l’aide d’une clé de détermination, et dénombrés (Tachet et al., 2010).
17Grâce à la liste faunistique ainsi établie, l’indice invertébrés multimétrique (I2M2) est ensuite calculé via le logiciel R et le script I2M2 (Mondy et al., 2012). Cet indice prend en compte l’abondance, la diversité et les pressions exercées sur le milieu, ainsi qu’un seuil de référence de l’état du cours d’eau. L’I2M2 considère dix pressions chimiques (HAP, MES, etc.) et sept pressions hydrogéomorphologiques (ripisylves, urbanisation, etc.). L’indice varie de 0 à 1, et cinq métriques contribuent à son calcul :
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L’indice de Shannon qui permet de déterminer la diversité taxonomique. Plus sa valeur est élevée, plus la diversité taxonomique augmente.
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L’Average Score Per Taxon (ASPT) qui correspond au niveau de polluosensibilité moyen de l’assemblage faunistique. Il est particulièrement sensible à la dégradation de la qualité physico-chimique de l’eau.
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La fréquence relative des taxons polyvoltins ; le polyvoltinisme constitue un avantage adaptatif car il permet de produire plus d’une génération au cours d’une année. L’augmentation de cette métrique révèle l’instabilité des habitats.
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La fréquence relative des taxons ovovivipares ; l’ovoviviparité concerne les espèces dont le développement des jeunes stades a lieu dans l’abdomen de la femelle. Quand sa valeur augmente, elle traduit une dégradation des habitats.
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La richesse taxonomique correspond à la somme des taxons identifiés dans l’ensemble des échantillons. Elle est d’autant plus importante que le milieu est peu altéré.
18Le traitement des données faunistiques a été réalisé à l’aide d’une Analyse en Composantes principales (ACP). Ce traitement a été appliqué aux listes faunistiques obtenues, c’est-à-dire les abondances de soixante-dix taxons, préalablement transformées en log (x+1) pour en stabiliser la variance. Cette analyse va permettre d’évaluer les contrastes entre cours d’eau du point de vue de la composition de leurs peuplements de macroinvertébrés benthiques.
19Les rivières, au niveau des stations Carhyce, ont des largeurs et profondeurs moyennes à plein bord comprises respectivement entre 4,5 et 9,2 m et entre 1,36 et 2,21 m sur la Biberonne ; entre 4,95 et 6,46 m, et entre 1,14 et 1,45 m sur la Mérantaise ; et entre 3,46 et 8 m et entre 1,32 et 1,48 m sur le Morbras (tab. 3). En comparant les pentes de ces rivières aux stations de références (tables calcaires : en moyenne 0,0033 m/m), les pentes comprises entre 0,0034 et 0,0490 m/m restent faibles mais le dénivelé général est important. Les débits à plein bord estimés sont compris entre 0,29 et 12,10 m3/s.
Tab. 3 – Paramètres hydrogéomorphologiques des huit stations Carhyce.
Tab. 3 – Hydrogeomorphological characteristics of the eight Carhyce stations.
Lpbm : largeur à plein bord moyenne (m) ; Hpbmax : profondeur maximale à plein bord (m) ; S : pente de la ligne d’eau (m/m) ; Qpb : débit à plein bord estimé à partir du script R CARHYCE (Baudoin et al., 2017 ; Tamisier et al., 2017) (m3/s).
Lpbm : average width at full-board; Hpbmax : maximum depth at full board; S: slope of the water line; Qpb : estimated bankfull discharge by using the script CARHYCE in the software R (Baudoin et al., 2017; Tamisier et al., 2017) (m3s-1).
20Les alluvions présentes dans le lit des trois cours d’eau sont majoritairement caillouteuses, mais leur taille n’est pas uniforme (tab. 3). Deux groupes sont identifiés : le premier correspond aux stations Bib.1, Mer.4.5.6.7 et Mor.10 dont les particules ont un D50 compris entre 19,5 et 55,5 mm, c’est-à-dire des « cailloux fins à grossiers ». Ces stations comptent par ailleurs dans leur lit des particules assez grossières, puisque que les D84 sont compris entre 40 et 87 mm. Le deuxième groupe comprend les stations Bib.2 et Mor.9 avec un substrat beaucoup plus fin, le D50 est respectivement de 11,5 et 4 mm correspondant à des graviers fins à grossiers (tab. 3) et le D84 ne dépasse pas 18 mm. Il faut remarquer que la Mérantaise se détache assez nettement car elle présente un substrat clairement plus grossier.
21La comparaison aux modèles de référence montre que les stations étudiées, sans être très éloignées du modèle régional, sont presque toujours plus larges et plus profondes que les situations moyennes (fig. 4).
Fig. 4 – Position des huit stations par rapport aux modèles de référence de la HER 9 « Tables Calcaires ».
Fig. 4 – Position of the eight stations in relation to the reference models of the HER 9 "Limestones Tables".
1. Toutes les stations de mesure (HER 9) ; 2. Stations de référence (HER 9) ; 3. Stations de la Biberonne ; 4. Stations de la Mérantaise ; 5. Stations du Morbras.
1. All measuring stations (HER 9); 2. Reference stations (HER 9); 3. Biberonne stations; 4. Mérantaise stations; 5. Morbras stations.
22À taille de bassin versant égale, les trois rivières périurbaines étudiées présentent un gabarit qui, sans être complètement anormal pour la région, est presque toujours au-dessus de la moyenne. De plus, à l’échelle du bassin versant, si les largeurs et profondeurs moyennes à plein bord ont plutôt tendance à s’accroître logiquement de l’amont vers l’aval, cet accroissement est loin d’être régulier (tab. 3). On observe en effet des variations brutales de la largeur et/ou de la profondeur. Sur la Biberonne, on constate par exemple, à la station aval (Bib.2), une augmentation brusque de la profondeur moyenne à plein bord supérieure à 2 m. Sur la Mérantaise, on constate, à l’inverse, une réduction brusque de la largeur au niveau de la station Mer.6 qui passe de 6 m à moins de 5 m puis remonte à 6,5 m en à peine trois kilomètres. Ces évolutions de la géométrie concernent généralement des tronçons de plusieurs centaines de mètres, voire de plusieurs kilomètres de long et correspondent parfois à des aménagements anthropiques spécifiques (berges artificielles ou bief d’un ancien moulin, comme à la station Mer.6).
23Les relevés effectués sur les huit stations Carhyce confirment donc l’hypothèse formulée a priori. Presque partout, les rivières présentent des berges abruptes et des chenaux plus larges et plus profonds que ce que la taille des bassins suggère. En effet, en de nombreux endroits, le recul des berges laisse apparaître les tuyaux de rejet et le déchaussement des fondations de bâtiments (fig. 5A-B, D), montrant ainsi que les lits s’élargissent. Ce processus est décrit par les travaux de Jugie et al. (2018), qui ont montré que, sur la Mérantaise, les berges dépourvues de végétation reculent jusqu’à 117 cm/an (fig. 5A). Par ailleurs, l’incision est largement visible par l’affleurement très fréquent du bedrock ou de gros blocs dans les lits de la Mérantaise et du Morbras (fig. 5C). L’ensemble de ces processus est bien visible sur les trois rivières étudiées, mais néanmoins très localisé.
Fig. 5 – Exemples d’érosion de berge et d’incision.
Fig. 5 – Examples of bank erosion and incision.
A : Erosion à l’aplomb d’un rejet privé (Mérantaise) ; B : Incision et sapement d’un mur de fondation d’un bâtiment (Morbras) ; C : Bedrock apparent (Mérantaise) ; D : Erosion à l’aplomb d’un rejet (Biberonne).
A: Level of erosion shown at a private discharge (Mérantaise); B: Incision of a building foundation wall (Morbras); C: Apparent bedrock (Mérantaise); D: Erosion at the level of a discharge (Biberonne).
24Dans les trois systèmes étudiés, l’incision a provoqué la dilapidation quasi-totale des alluvions, laissant fréquemment apparaître le bedrock. Ce dernier est souvent composé d’argile et parfois, dans le lit du Morbras, de gros bloc de grès. Lorsque les alluvions sont présentes, leur composition varie du sable grossier au galet. Il arrive également que des éléments anthropiques (briques, pierres de muret, blocs de béton, etc.) constituent la totalité de la charge grossière. Cette dernière, le plus souvent, est peu mobile et constitue alors un pavage. Dans cet ensemble d’observations cohérentes, il faut noter que le lit de la Biberonne est très souvent colmaté par un matériel limoneux. L’envasement du lit, compris entre 0,10 et 1 m d’épaisseur, est également riche en matière organique. Il résulte essentiellement de l’érosion des sols agricoles.
25Les valeurs de l’indice I2M2 sont faibles, elles varient entre 0,0002 et 0,2248 (tab. 4) ce qui correspond à des stations classées en « mauvaise » qualité. Seules les stations aval de la Mérantaise (Mer.7 et Mer.8) sont en légèrement meilleur état, et sont situées dans la classe « médiocre ».
Tab. 4 – Résultats bruts des cinq métriques et de l’indice I2M2 sur l’ensemble des neuf stations étudiées.
Tab. 4 – Raw results of the five metrics and the I2M2 index on all nine stations studied.
* Seuil de qualité de l’indice I2M2 : [0,1721 ; 0] « Mauvais » ; [0,3443 ; 0,1721] « Médiocre ».
* I2M2 index quality threshold: [0.1721; 0] "Poor"; [0.3443; 0.1721] "Mediocre".
26De manière générale sur l’ensemble des neuf stations, aucun taxon appartenant à l’ordre des plécoptères n’a été recensé, or ce sont les taxons les plus sensibles aux altérations des habitats et de la qualité de l’eau. Il faut dire que leur présence naturelle dans les petits cours d’eau de plaine est déjà assez limitée, même en l’absence d’altérations significatives. Les taxons de trichoptères et d’éphéméroptères rencontrés sur les stations sont les plus tolérants de leur groupe, ce qui confirme une dégradation généralisée des cours d’eau étudiés.
27Indépendamment de la mauvaise qualité générale des milieux étudiés, les résultats de l’analyse de la qualité écologique des trois systèmes étudiés révèlent deux singularités observées sur le bassin de la Mérantaise. En effet, la station Mer.4 a l’indice global le plus faible (0,0002) avec seulement onze taxons présents sur l’ensemble de la station. Les stations Mer.7 et Mer.8 comptabilisent, en revanche, les indices de qualité les plus élevés (respectivement 0,1903 et 0,2248) (tab. 4). Les deux métriques relativement plus élevées sur ces deux stations sont la richesse taxonomique et l’ASPT, qui varient respectivement de 36 à 43 et de 4,69 à 5,24 (tab. 4). Il y a donc plus de taxons présents sur ces stations ainsi que des taxons plus polluosensibles, par rapport aux autres stations étudiées, ce qui indique vraisemblablement une meilleure qualité de l’eau et des milieux aquatiques, dans un bassin versant qui reste très forestier.
28Malgré les quelques particularités identifiées sur le bassin de la Mérantaise, les résultats de l’I2M2 démontrent une mauvaise qualité écologique en cohérence avec la caractérisation hydromorphologique des trois rivières étudiées.
29Au-delà de ces observations globales, l’utilisation de l’analyse statistique des données faunistiques permet de discerner d’éventuelles différences entre les peuplements de macroinvertébrés des différentes stations étudiées. Ainsi, les données sur l’abondance des taxons recensés sur les neuf stations ont été soumises à une analyse en composantes principales (ACP). Les deux premières dimensions de l’analyse représentent un total de 57 % de l’information contenue dans le jeu de données : 39,6 % de la variance totale sont portés par la dimension 1 et 17,4 % sont portés par la dimension 2 (fig. 6A-B). L’examen conjoint des plans de projection des taxons et des observations indique que, globalement, selon la première dimension, les taxons Simuliidae, Baetis et Asellidae sont caractéristiques des échantillons de la Biberonne (coordonnées négatives sur la dimension 1) alors que les taxons Elmis, Potamopyrgus, Oulimnius (fig. 6A) le sont pour ceux de la Mérantaise (coordonnées positives sur la dimension 1). La première dimension de l’analyse correspond donc à une opposition entre les stations de la Biberonne et celles de la Mérantaise. Seule la station Bib.2 semble plus proche de celles de la Mérantaise. Les stations du Morbras contribuent peu à la dimension 1 (fig. 6B). En revanche, elles sont plus associées à la dimension 2. Les taxons significatifs de cette dimension sont Pisidium et Hydroptila, alors que Gammarus et Limnius ont tendance à ne pas être abondants (voire absents) dans les échantillons du Morbras. Globalement, l’analyse en composantes principales, notamment ses deux premières dimensions, différencie les observations des peuplements de macroinvertébrés benthiques selon les trois cours d’eau. Il existe donc une spécificité liée aux caractéristiques de ces bassins versants qu’il nous faut maintenant discuter.
Fig. 6 – Projection en plan des résultats de l’analyse multivariée.
Fig. 6 – Plan projection of the multivariate analysis.
A : Plan de distribution des 70 taxons contribuant significativement au premier plan de l’ACP ; B : Plan de distribution des douze échantillons.
A: Plan of distribution of the 70 taxons which significantly contribute in the foreground of the ACP; B: Distribution plan of the twelve samples.
30Les résultats obtenus sur les trois cours d’eau étudiés corroborent l’incision du chenal, qui est un phénomène couramment observé pour les cours d’eau périurbains. Les travaux conduits sur l’Yzeron (Grosprêtre, 2011), en région lyonnaise, et sur la Mérantaise en région parisienne (Jugie et al., 2018) montrent une forte incision du chenal en réponse à une augmentation importante des écoulements de surface consécutifs à une forte imperméabilisation du bassin versant et à la mauvaise gestion des eaux pluviales.
31Entre 1960 et 2017, le taux de surfaces urbanisées sur le bassin de la Biberonne a presque été multiplié par trois, passant de 4 % à 11 % (fig. 7A). Entre 1949 et 2017, le taux de surfaces urbanisées sur le bassin de la Mérantaise a été multiplié par six, passant de 4 % de la surface totale à près de 24 % (fig. 7B), suite au développement, depuis les années 1980, de la ville nouvelle de Saint-Quentin-en-Yvelines, de la zone d’activité de Trappes et du village de Magny-les-Hameaux (Jugie, 2018). Le même constat est observé sur le bassin du Morbras, dont le taux de surfaces urbanisées a presque été multiplié par trois, passant de 15 % de la surface totale à près de 42 %, entre 1949 et 2017, au détriment des surfaces agricoles (fig. 7C).
Fig. 7 – Évolution du mode d’occupation du sol de 1949 à 2017 des trois rivières.
Fig. 7 – Evolution of the three rivers’ land use mode from 1949 to 2017.
A : Mérantaise ; B : Morbras ; C : Biberonne. Pour l’année 1949, l’information liée à la Biberonne manque.
A: Mérantaise; B: Morbras; C: Biberonne. For the year 1949, information related to the Biberonne is missing.
32L’urbanisation signifie également une augmentation de la population et des activités dans les bassins versants, synonyme de la multiplication des réseaux d’assainissement et des rejets potentiels urbains dans les cours d’eau. D’autant que, parfois, l’artificialisation des réseaux hydrographiques conduit à augmenter la taille des bassins versants ou à connecter au cours d’eau des surfaces auparavant déconnectées, comme sur la Mérantaise par exemple (Jugie, 2018). L’ensemble de ces facteurs est responsable, en période de crues, d’une augmentation considérable des débits par rapport à la situation ante-urbanisation. Par exemple, pour l’Yvette, cours d’eau dans lequel se jette la Mérantaise, une étude hydrologique sur 33 ans (1983-2016) a montré que, à mesure que croît l’urbanisation, les crues sont plus courtes et beaucoup plus nombreuses. Entre 1983 et 1994, on passe ainsi de 104 crues durant en moyenne 41 h chacune, entre 1995 et 2016, à 259 crues de 34 h de durée moyenne (Jugie, 2018). Les travaux conduits sur la Mérantaise attestent de cette altération hydrogéomorphologique, et on peut à nouveau s’appuyer sur les premiers résultats obtenus (Jugie et al., 2018) qui montrent un élargissement moyen du lit de 1,3 m, dépassant très régulièrement 2 m, et un approfondissement du lit de 0,2 m, dépassant très souvent 0,5 m et parfois même 1 m entre 1980 et 2015 (fig. 8).
Fig. 8 – Comparaison des largeurs et profondeurs à plein bord mesurées en 1980 et 2010/15 sur une trentaine de profils en travers de la Mérantaise (d’après Jugie, 2018).
Fig. 8 – Comparison of widths and depths measured in 1980 and 2010/15 on three dozen cross sections on the Mérantaise (after Jugie, 2018).
33Bien qu’aucune étude diachronique de l’évolution largeur/profondeur n’ait été réalisée à ce jour sur la Biberonne ni sur le Morbras, compte tenu des géométries en travers observées et de l’évolution similaire des transformations de l’utilisation du sol sur la durée étudiée (multiplication par trois des surfaces urbanisées), nous faisons l’hypothèse que ces ajustements sont également récents et répondent à l’augmentation de l’urbanisation. Le nombre très important de rejets potentiels, mis en évidence sur les trois cours d’eau, susceptibles de rejeter de l’eau en abondance en période de crue et d’avoir un fort impact sur la morphologie du chenal est un élément de confirmation supplémentaire. Les observations réalisées sur le terrain montrent que, le plus souvent, aux endroits de ces rejets potentiels, les berges sont à nu, la ripisylve est parfois déconnectée et perchée, des ouvrages sont déchaussés, des ravines (0,80 à 1,90 m de profondeur) se forment, les alluvions ont quasiment disparu et le bedrock est apparent, ou bien le chenal est colmaté par des limons comme dans le cas de la Biberonne.
34En somme, ce que démontre l’étude des stations de référence, c’est que cette transformation est la forme d’ajustement dominante pour les cours d’eau périurbains, y compris pour ceux qui ne sont soumis à aucune contrainte latérale, comme les tronçons étudiés. L’incision en réponse à une augmentation de la production hydrologique paraît évidente lorsque le cours d’eau ne peut plus s’ajuster latéralement du fait de l’artificialisation des berges, mais cela restait à démontrer dans le cadre de tronçons non-contraints latéralement. C’est donc bien une réponse d’ensemble qui est à l’œuvre sur les petits cours d’eau franciliens y compris pour les tronçons les moins artificialisés. Les réponses à ces modifications du régime hydrologique sont également visibles sur la nature du fond des lits.
35Les récentes évolutions hydrologiques et morphologiques des lits se sont accompagnées d’une transformation du matériel sédimentaire des fonds de chenaux. En effet, l’incision a entraîné une disparition quasi-totale des alluvions du fond du lit, et notamment de la charge caillouteuse mobile. Cela est particulièrement visible dans le bassin de la Mérantaise et du Morbras. Du fait de la géologie, le matériel sédimentaire du lit de ces deux rivières devrait être sablo-graveleux, pourtant, très souvent, le bedrock affleure, et, lorsque le matériel sédimentaire est présent, il est fréquemment enchâssé dans le fond du lit, ne laissant que très occasionnellement des bancs caillouteux mobiles. L’augmentation des apports hydrologiques étend l’incision jusqu’au bedrock (dalle d’argile, ou blocs de grès), jusqu’à des bancs grossiers (blocs de grès dans le Morbras ou meulière dans la Mérantaise) ou encore jusqu’à des aménagements anthropiques, ce qui peut ralentir l’incision et accélérer localement l’érosion latérale. Ce processus est souvent hétérogène spatialement et pourrait être interprété comme le témoin de l’arrêt des dynamiques d’incision (Nelson et Booth, 2002 ; Colosimo et Wilcock, 2007 ; Jugie et al., 2018).
36Les observations faites sur la Biberonne témoignent d’un autre phénomène. Le processus d’envasement est particulièrement présent et atteint localement des épaisseurs métriques. Les travaux de synthèse de Wood et Armitage (1997) et de Hancock (2002) montrent que l’augmentation des sédiments fins dans les rivières est souvent due aux transformations des pratiques agricoles, aux pratiques forestières et à l’urbanisation. En effet, à l’érosion des sols caractéristique de l’agriculture intensive, s’ajoutent les effets de l’urbanisation croissante qui augmente les connectivités au sein des bassins versants (routes, chemin, drains agricoles connectés au réseau d’eaux pluviales ou directement aux chenaux). Or cette observation a été exclusivement faite sur le bassin versant de la Biberonne, qui est le bassin versant le plus agricole des trois, et qui se trouve au cœur de l’aire de la polyculture intensive de la Plaine de France. À l’amont du bassin de la Biberonne, à Moussy-le-Neuf, la construction d’entrepôts et d’habitats résidentiels a conduit à une augmentation de 55 % de la surface bâtie en vingt-et-un ans, entre 1999 et 2020 (fig. 9A). La ville de Moussy-le-Vieux, quant à elle, a connu une augmentation de 34 % de surface bâtie en quarante ans, entre 1980 et 2020 (fig. 9B). Ces transformations récentes, qui s’ajoutent à un essor ancien de l’agriculture intensive, favoriseraient l’augmentation de la production hydrologique, ce qui entraînerait l’augmentation des dimensions du chenal, mais également, d’une part, l’accroissement des connexions hydrologiques entre les parcelles cultivées et la rivière, du fait de la réorganisation des réseaux de drainage et, d’autre part, la disparition des obstacles au transfert sédimentaire qui entraîne localement l’envasement du chenal.
Fig. 9 – Évolution de la surface bâtie dans les villes amont du bassin de la Biberonne (1980-2020).
Fig. 9 – Evolution of the buildings’ surface in the cities upstream of the Biberonne’s basin (1980-2018).
A : Photographie aérienne de la ville de Moussy-le-Neuf, en 1999, avec le bâti de 2020 ; B : Photographie aérienne de Moussy-le-Vieux, en 1980, avec le bâti de 2020.
A: Aerial photograph of the town of Moussy-le-Neuf, in 1999, with the buildings of 2020; B: Aerial photograph of Moussy-le-Vieux, in 1980, with the buildings of 2020.
37Deux types de situations caractéristiques sont donc observables : (i) les tronçons où l’efficacité du transport a évacué la charge grossière mobile, et où alternent le substrat incisé et les pavages de matériel trop grossier pour être transporté, et (ii) des tronçons où l’excès de charge fine a conduit à un envasement du chenal.
38La transformation des habitats aquatiques, en particulier l’homogénéisation et la disparition des sédiments alluviaux des cours d’eau périurbains, entraîne une forte diminution de la qualité et de la diversité des habitats, et a donc des conséquences directes sur le peuplement des macroinvertébrés (Walsh et al., 2005 ; Booth et Bledsoe, 2009). Le témoin direct en est l’appauvrissement des peuplements benthiques dominés par les Chironomidae et les Oligochaeta, et la disparition des taxons sensibles (EPT : Ephemeroptera, Plecoptera et Trichoptera) (Walsh et al., 2001, 2005 ; Medupin, 2020).
39Le constat général, sur les trois rivières étudiées, est qu’elles sont très altérées avec une valeur faible de l’I2M2. Ce constat est classique et se retrouve sur l’ensemble des rivières urbaines aux États-Unis, avec l’indice NCBI (North Carolina Biotic Index) (Roy et al., 2003 ; Schneid et al., 2017) et au Royaume Uni, avec l’indice ASPT ou BMWP (Biological Monitoring Working Party) (Diniz, 2009 ; Medupin, 2020).
40Les travaux de Kaller et Hartman (2004) sur des cours d’eau appalachiens montrent que la richesse taxonomique des EPT diminue lorsque le taux de sédiments fins (< 0,25 mm) augmente, et que les sédiments fins présentent un assemblage de taxons caractéristique des Chironomidae, Oligochaeta et Sphaeridae. Ainsi, l’observation de la Biberonne illustrerait le fait qu’à un certain niveau de dégradation du lit par les sédiments fins, la diversité des macroinvertébrés diminue, et les taxons adaptés aux sédiments fins prolifèrent.
41Les travaux de Roy et al. (2003) ont révélé une valeur-seuil de la surface urbanisée (15 %), au-delà de laquelle les assemblages benthiques ne sont plus qualifiés de « bons » ni « très bons », mais de « médiocres » ou « mauvais ». Parallèlement, la même étude a montré que les changements de la structure d’assemblage des macroinvertébrés étaient liés à l’habitat physique, et plus particulièrement à la composition des alluvions. Ce que suggèrerait la réaction en chaîne suivante : augmentation de la surface urbanisée, altération des habitats (alluvions) et, enfin, modification de l’assemblage benthique.
42Bien que ces trois rivières soient altérées dans les mêmes gammes, l’analyse du peuplement benthique montre des tendances spatiales.
43Les travaux de Walsh et Webb (2016), dans la région de Melbourne, ont identifié les réponses de certaines familles de macroinvertébrés à des stress anthropiques en contexte urbanisé. En effet, la famille des Elmidae est majoritairement représentée par des broyeurs/racleurs associés à un régime alimentaire de type détritivore (détritus organiques). Le couvert forestier a une influence sur l’occurrence de ces taxons et compense l’influence négative de l’imperméabilisation des sols à mesure que celle-ci augmente. Or, d’après ces conclusions, la couverture forestière du bassin de la Mérantaise pourrait donc diminuer l’influence de l’imperméabilisation des sols et contribue donc à expliquer la présence de la famille des Elmidae.
44Les travaux de Eedy et Giberson (2007) portant sur l’île Prince Edward au Canada, ont identifié des relations entre des variables environnementales (hydraulique et substrat/détritus) et la présence de certains groupes de taxons. En effet, la famille des Simuliidae, composée essentiellement de filtreurs, a montré une forte relation positive avec les variables hydrauliques locales, notamment avec le nombre de Froude : lorsque celui-ci est élevé, les écoulements hydrauliques sont rapides et peu profonds. Ceci pourrait expliquer la présence de ce taxon dans le bassin de la Biberonne.
45D’après la littérature et la présente étude, l’intérêt d’étudier à plus large échelle le lien entre les altérations morphologiques et les habitats est prometteur. En outre, une étude plus globale de la qualité chimique de l’eau permettrait de définir le rôle de ce paramètre dans la modification des assemblages benthiques, voire de le distinguer de celui joué par l’altération des habitats.
46Les résultats obtenus montrent que les petits cours d’eau périurbains franciliens sont très altérées, présentant de fortes érosions latérales et une incision du lit prononcée, ainsi que des indices écologiques témoignant de la mauvaise qualité écologique du milieu fluvial comme la plupart des cours d’eau urbains du globe. Notre démarche confirme le poids des transformations urbaines de ces dernières décennies sur les hydrosystèmes franciliens. De plus, ils révèlent la diversité des altérations en cours même si un schéma régional se dessine, les spécificités sédimentaires de la Biberonne et biologique de la Mérantaise montrent que l’approche de la question de la qualité hydrogéomorphologique et biologique des cours d’eau franciliens doit être localisée. De plus, les résultats obtenus démontrent l’intérêt de coupler les approches hydrogéomorphologique et biologique pour mieux comprendre les formes, les évolutions et les facteurs d’altération des cours d’eau urbains. C’est sans doute le seul moyen de distinguer le rôle de la qualité chimique de l’eau et de l’altération des habitats dans la modification des assemblages benthiques et plus globalement de la qualité biologique des cours d’eau périurbains.
47Ainsi, les résultats obtenus tendent à montrer qu’il conviendrait également de rétablir l’équilibre hydrosédimentaire des cours d’eau par exemple en travaillant sur une meilleure interception des écoulements par le bassin versant pour restaurer la qualité écologique de ces milieux fortement anthropisés.
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