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Les seuils en rivière transforment-ils les milieux lotiques en milieux lentiques ?

Do weirs process lotic environments into lentic environments ?
Francesco Donati, Laurent Touchart et Pascal Bartout
p. 111-131

Résumés

Selon une idée très répandue, les seuils en rivière transformeraient les eaux courantes en eaux stagnantes, mais les recherches sur les parties de cours d'eau à l'amont de ce type d'ouvrage hydraulique sont rares. Partant de l'hypothèse qu'elles sont des retenues, l'objectif de cette étude est de vérifier, à travers l'observation de leurs caractéristiques hydrodynamiques, sédimentaires et thermiques, si elles présentent effectivement des traits lentiques ou si elles conservent des traits lotiques. L'écoulement a été étudié, ainsi que son degré de compétence sédimentaire. Ce dernier aspect a été approfondi par une analyse des sédiments déposés au fond du lit. Les propriétés thermiques des eaux ont été examinées pour apprécier si la colonne d'eau se fractionne en masses distinctes selon un gradient vertical de température-densité. Les résultats obtenus montrent que la présence d'un seuil en rivière n'est pas synonyme de transformation des eaux courantes en eaux stagnantes. En effet, bien que l'énergie des eaux soit affaiblie, le courant se déplace constamment dans le sens de la pente et il peut transporter une charge sédimentaire. En outre, même dans les cas les plus prononcés il n'a pas été observé de gradient thermique vertical significatif laissant penser à un fonctionnement hydrologique d'eaux dormantes.

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Texte intégral

I - Introduction

1Un seuil en rivière est un ouvrage hydraulique de faible hauteur construit à l'intérieur du lit mineur d'un cours d'eau, qui provoque un ralentissement de l'écoulement et un rehaussement de la ligne d'eau (S. CSIKI et B.L. RHOADS, 2010 ; G. DEGOUTTE, 2012). En raison de ces effets, l'idée que ce type de construction transforme les eaux courantes en eaux stagnantes est répandue, en particulier dans certains organismes publics (DPI, 2006 ; Y. SOUCHON et V. NICOLAS, 2011 ; M. RINALDI et al., 2014). Toutefois les recherches sur les parties de cours d'eau situées à l'amont de tels seuils sont rares (entre autres : L.M. TURNER et W.D. ERSKINE, 1997 ; M. MUELLER et al., 2011 ; F. DONATI et al., 2019). Leur impact sur le caractère des eaux reste donc encore méconnu.

2Les seuils en rivière ont-ils vraiment la capacité de transformer les milieux lotiques en milieux lentiques ? L'objectif de ce travail est d'apporter une réponse à cette question en analysant certaines caractéristiques abiotiques des parties de cours d'eau situées en amont de ces ouvrages hydrauliques, et plus précisément dans les domaines hydrodynamique, sédimentaire et thermique. Ces espaces seront abordés comme s'il s'agissait de retenues, leur étendue coïncidant avec la zone affectée par le rehaussement de la ligne d'eau. À la suite de J.R. MALAVOI (2003), nous les désignerons sous le nom de "retenues de seuil".

3Leur fonctionnement sera comparé à celui des petits plans d'eau, plus précisément des étangs, qui sont les milieux les plus proches des retenues de seuil, en raison de leur faible profondeur et de leur artificialité. Cette recherche entre dans le cadre des enjeux liés à la politique de restauration de la continuité écologique des cours d'eau. En effet, une meilleure connaissance de l'impact des seuils est nécessaire à une gestion raisonnée. Elle est en effet susceptible de donner des éléments de réponse à la question de savoir si l'effacement des seuils est pertinent ou non.

4Dans une première partie, nous rappellerons brièvement comment les caractéristiques abiotiques au centre de cette étude se comportent dans les cours d'eau et dans les plans d'eau, afin de dégager les éléments qui distinguent eaux courantes et stagnantes. Nous exposerons ensuite une méthodologie capable de détecter ces différences dans deux retenues de seuil que nous avons étudiées. Pour finir, nous comparerons le fonctionnement des cours d'eau à l'amont d'un seuil en rivière avec celui d'autres milieux aquatiques continentaux.

II - Caractéristiques hydrodynamiques, sédimentaires et thermiques des milieux lotiques et lentiques

1 ) Le fonctionnement hydrodynamique des eaux courantes et des eaux stagnantes

5Au point de vue hydrodynamique, il y a deux différences majeures entre les milieux lotiques et lentiques (Fig. 1). La première concerne la direction des flux d'eau, qui dans tout cours d'eau sont principalement unidirectionnels, alors que dans les plans d'eau ils sont pluridirectionnels (F.A. FOREL, 1895 ; L. TOUCHART, 2000 ; R. BETTINI et al. 2007 ; S. FENOGLIO et T. BO, 2009). La deuxième concerne leur vitesse, qui est plus rapide dans les cours d'eau que dans les plans d'eau (L. TOUCHART, 2007-a).

Figure 1 - Comparaison entre le fonctionnement des eaux courantes et celui des eaux stagnantes. [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 1 - Comparaison entre le fonctionnement des eaux courantes et celui des eaux stagnantes. [réalisation : Francesco DONATI]

6Les eaux courantes se déplacent dans le sens de la pente longitudinale du lit grâce à la force de gravité. Leurs écoulements ont donc une composante horizontale prédominante et présentent une forte énergie. Au contraire, les eaux stagnantes, caractérisées par une forte inertie, se déplacent aléatoirement, sous l'influence des vents et des différences verticales de densité. Elles sont soumises à des écoulements de faible énergie, dont la composante principale peut être horizontale ou verticale. À titre d'exemple, M. CARLINI (2006) a mesuré un courant de dérive de 0,09 m/s, dans l'étang du Theil situé dans le Centre-Ouest de la France.

7Associé à la composante unidirectionnelle principale, les eaux des cours d'eau subissent un autre type de mouvement, communément appelé turbulent, les frottements sur les parois du lit provoquant un déplacement chaotique des particules d'eau. Selon I.R. SMITH (1975), ce mouvement s'exerce principalement selon la direction de la force qui l'engendre, avec des fluctuations de vitesse aléatoires, superposées dans les trois dimensions, ce qui génère des tourbillons dans le liquide. Dans les plans d'eau aussi, les flux d'eau sont généralement tourbillonnaires (U. LEMMIN, 1995), mais le phénomène est ici moins intense, sa magnitude étant proportionnelle à l'énergie des eaux (R. CHARLTON, 2008 ; L.S. DINGMAN, 2009).

2 ) Le fonctionnement sédimentaire des eaux courantes et des eaux stagnantes

8Des conditions hydrodynamiques dépend le fonctionnement d'autres compartiments abiotiques, qui s'avèrent cruciaux pour le façonnement des milieux aquatiques. Parmi eux, il y a le volet sédimentaire animé par les processus d'érosion, de transport et de sédimentation. En ce domaine, les phénomènes sont régis par l'énergie nette (En) dont dispose un volume d'eau, laquelle résulte de la différence entre son énergie totale et l'énergie dissipée pour vaincre les forces d'inertie. Quand En > 0, les eaux possèdent une quantité d'énergie suffisante pour éroder les sédiments ; quand En = 0, elles n'ont d'énergie suffisante que pour les transporter ; et quand En < 0, l'énergie ne leur suffit ni pour l'érosion ni pour le transport, si bien que les matériaux présents dans l'eau se déposent (M. PANIZZA, 2014 ; S. CICCACCI, 2015).

9Dans les cours d'eau, les phénomènes d'érosion et de transport sont prédominants. En effet, tout cours d'eau possède une compétence sédimentaire, dont les effets dépendent de l'alternance entre les hautes et basses eaux : plus l'énergie des eaux est forte, plus grande est la taille des particules transportées ; plus l'énergie est faible et plus petites sont les particules. Dans les étangs, où les courants sont irréguliers et de faible énergie, la sédimentation est prédominante. Ces milieux, qui n'ont pas de compétence sédimentaire, fonctionnent comme des pièges pour toutes sortes de sédiments, même les plus fins. Alors que les milieux lotiques peuvent être considérés comme des accumulateurs temporaires de sédiments grossiers et des exportateurs permanents de sédiments fins, les milieux lentiques agissent comme des accumulateurs définitifs pour tous les types de sédiments (P. TESTARD, 1995).

3 ) Le fonctionnement thermique des eaux courantes et des eaux stagnantes

10Un autre compartiment dont le fonctionnement est fortement influencé par les conditions hydrodynamiques est le compartiment thermique. Dans les cours d'eau, les plus fortes turbulences engendrent un brassage de la colonne d'eau et donc l'homogénéisation de sa température (R. BETTINI et al., 2007). Dans les plans d'eau, les plus faibles turbulences ne permettent pas un mélange poussé de la colonne d'eau. Celle-ci est hétérogène au point de vue thermique, les eaux les plus chaudes, moins denses, flottant sur les eaux les plus froides, plus denses (U. LEMMIN, 1995). Cette séparation en plusieurs masses d'eau selon un gradient vertical de température-densité est le discriminant majeur entre les milieux lotiques et les milieux lentiques (F. WILHEM, 1960 ; L. TOUCHART, 2002).

11Des études ont montré qu'une stratification thermique s'établit parfois dans les cours d'eau (B. WEBB et al., 2008). La différence entre les milieux lotiques et les milieux lentiques est alors principalement temporelle et porte sur la fréquence, la durée et la stabilité des périodes d'hétérogénéité (L. TOUCHART, 2007-a). Dans les cours d'eau, ces périodes sont courtes et surviennent surtout pendant la saison la plus chaude de l'année. Dans les plans d'eau profonds, elles durent longtemps et peuvent se produire à tout moment de l'année.

12En fonction de la stabilité des cycles de stratification thermique, plusieurs types de milieux lentiques ont été définis (confer, par exemple, G.E. HUTCHINSON et H. LÖFFLER, 1956). Les étangs sont dits polymictiques (J. WISZNIEWSKI, 1953), c'est-à-dire qu'ils sont caractérisés par des périodes d'hétérogénéité de la colonne d'eau courtes. Ils se différencient en polymictiques continus, quand les cycles de stratification thermique durent quelques heures, ou discontinus, quand les cycles s'étalent sur plus d'une journée, voire même une semaine (W.M. LEWIS, 1983). Les étangs de plus d'un mètre de profondeur sont généralement polymictiques discontinus et ceux dont la profondeur est de quelques décimètres sont généralement polymictiques continus (L. TOUCHART, 2007-b).

III - Terrains d'étude et méthodologie

1 ) Les deux retenues de seuil sélectionnées pour l'étude

13Sur les cours d'eau transformés en petits plans d'eau similaires aux étangs, comme les retenues de seuil, il devrait être théoriquement possible d'observer des mouvements d'eau pluridirectionnels, dont l'énergie serait insuffisante pour transporter les sédiments et la turbulence pas assez forte pour brasser la colonne d'eau, qui pourrait donc présenter de courtes périodes d'hétérogénéité thermique. Afin de vérifier la présence de ces phénomènes, deux terrains d'étude situés en France métropolitaine ont été étudiés, qui sont associés à des ouvrages de 0,6 et 1 m de hauteur. Selon le Référentiel des Obstacles à l'Écoulement, la base des données française qui récence tous les ouvrages transversaux à un cours d'eau, ces dimensions sont les plus communes pour les seuils en rivière dans les paysages fluviaux français.

14Chacun des sites étudiés possède un tronçon de cours d'eau homogène, délimité à l'aval par un seuil en rivière et à l'amont soit par un autre ouvrage hydraulique soit par la confluence avec un autre cours d'eau. Tout au long de ce tronçon, 15 transects équidistants ont été positionnés où la vitesse et la profondeur de l'eau ont été mesurées. Les seuils en rivière ayant pour effet de rehausser la ligne d'eau et de ralentir l'écoulement, l'entrée des eaux dans une retenue se traduit par la modification de ces deux paramètres. Sur les deux sites, les retenues ne débordent pas du lit mineur de la rivière.

a. La retenue de seuil du moulin de Saint Hilaire

15Le premier terrain d'étude se trouve dans le village loirétain de Meung-sur-Loire, à l'ouest de la ville d'Orléans, dans le centre de la France. À l'aval du site, la Mauve de la Détourbe, un affluent de la Loire alimenté par la nappe de Beauce, a été barrée pour assurer le fonctionnement d'un moulin. Les eaux de la retenue sont envoyées vers le moulin par un seuil haut de 0,60 m. L'ouvrage étant à l'abandon depuis plusieurs décennies, les vannes de décharge du barrage principal comme celle (basculable) du chenal ouvrier ne sont plus aujourd'hui manœuvrables. La vanne du chenal ouvrier est bloquée en position basse au dessus du seuil.

16Le cours de la Mauve comporte un grand nombre de seuils en rivière (37 pour une longueur de la rivière de 40 km), témoins du passé industriel de ce territoire. Ils se succèdent donc les uns les autres, si bien que le bief étudié est délimité à l'amont par un autre seuil en rivière et que ses eaux se jettent à l'aval dans la retenue de seuil suivante. La retenue est constituée dès le transect 2 (Fig. 2). Elle présente une superficie de 0,50 ha, une largeur moyenne de 6,6 m et une profondeur moyenne de 0,57 m. Au niveau du transect 10, elle reçoit les eaux d'un petit affluent. Pour la durée de l'étude (février 2018 - août 2019), la moyenne des débits mesurés sur le cours d'eau est de 0,45 m3/s (maximum : 0,61 m3/s ; minimum : 0,25 m3/s). Autour de la retenue pousse une ripisylve qui ombrage les eaux tout au long de la journée pendant la période végétative.

Figure 2 - Plan de la retenue de seuil de Saint-Hilaire (en haut) et valeurs moyennes des profondeurs et des vitesses mesurées au niveau des transects (en bas). [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 2 - Plan de la retenue de seuil de Saint-Hilaire (en haut) et valeurs moyennes des profondeurs et des vitesses mesurées au niveau des transects (en bas). [réalisation : Francesco DONATI]

T1 à T15 : transects numérotés de l'amont vers l'aval. Les traits verticaux délimitent l'étendue de la retenue. Source pour le plan du terrain d'étude : IGN.

b. La retenue de seuil de Baerenthal

17Le deuxième terrain d'étude se trouve dans le village mosellan de Baerenthal, en pays de Bitche, dans le Nord-Est de la France. Il présente un seuil barrant la Zinsel du Nord, un cours d'eau affluent de la Moder. Cet ouvrage, d'un mètre de hauteur, sert à dériver une partie des eaux de la rivière dans un chenal destiné à l'irrigation de terrains agricoles. La retenue remonte au moins jusqu'au transect 9 (Fig. 3). Sa superficie est de 0,18 ha, sa largeur moyenne de 10 mètres et sa profondeur moyenne de 0,82 m. Elle est bordée par une ripisylve qui ombrage les eaux tout au long de la journée du printemps à l'automne. La retenue est alimentée par des ruisseaux provenant de deux étangs situés en tête de bassin, à un kilomètre environ en amont. Pour la durée de l'étude (de février 2018 à août 2019), le débit moyen à l'aval de la confluence des deux ruisseaux est de 0,50 m3/s (maximum : 0,67 m3/s ; minimum : 0,40 m3/s). L'augmentation de la profondeur observée entre les transects 3 et 7, donc en amont de la retenue (Fig. 3), correspond à un rétrécissement du lit du cours d'eau.

Figure 3 - Plan de la retenue de seuil de Baerenthal (en haut) et valeurs moyennes des profondeurs et des vitesses mesurées au niveau des transects (en bas). [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 3 - Plan de la retenue de seuil de Baerenthal (en haut) et valeurs moyennes des profondeurs et des vitesses mesurées au niveau des transects (en bas). [réalisation : Francesco DONATI]

T1 à T15 : transects numérotés de l'amont vers l'aval. Les traits verticaux délimitent l'étendue de la retenue. Source pour le plan du terrain d'étude : IGN.

2 ) Méthodologie

18Sur les deux retenues de seuil, nous avons utilisé des matériels et méthodes adaptés à l'étude du fonctionnement hydrodynamique, sédimentaire et thermique des petits plans d'eau.

a. La collecte et l'analyse des données relatives au fonctionnement hydrodynamique

19La vitesse de l'écoulement a été mesurée à l'aide d'un courantomètre acoustique doppler (le Flowtracker 2, avec une précision de ±0,0025 m/s). Les données ont été collectées entre le début de l'année 2018 et la moitié de l'année 2019, à Saint-Hilaire au moins une fois par mois (treize campagnes au total) et à Baerenthal au moins une fois par saison (six campagnes au total). Les mesures ont été effectuées sur les transects définis supra (voir Fig. 2 et 3), en procédant à l'exploration du champ de vitesse (J. LE COZ et al., 2011). Dans notre démarche, les verticales analysées et les points de mesure sur chacune d'elles ne sont pas choisis par le manipulateur, mais sont indiqués par le courantomètre en fonction de la topographie du lit.

20La direction de l'écoulement est également fournie par le Flowtracker 2. En effet, analysant l'écoulement en deux dimensions, cet appareil est capable de déterminer l'angle entre la ligne de vitesse et la position du capteur, lequel doit toujours être parallèle au talweg. Si l'angle est égal à 0° ou à ±180°, le flux est parfaitement parallèle au capteur (XYLEM, 2019). Les angles compris entre 0 et +90° et entre 0 et -90° indiquent un écoulement de l'amont vers l'aval, donc compatible avec un fonctionnement hydrodynamique lotique, les autres valeurs correspondant à un écoulement dans un sens plus ou moins opposé à celui de la pente du cours d'eau, donc compatible avec un fonctionnement hydrodynamique lentique.

21Pour définir le type d'écoulement, le nombre adimensionnel de FROUDE (Fr) a été calculé. Exprimant le rapport entre les forces d'inertie et de gravité, il est considéré comme l'indicateur universel de l'état des écoulements à surface libre (F.M. HENDERSON, 1966). Cet indicateur est communément utilisé pour distinguer les conditions écohydrologiques des cours d'eau (parmi d'autres : J.L. KEMP et al., 2000 ; G. RAMÜNAS et al., 2014 ; N. ENTWISTLE et al., 2019) et certains habitats fluviatiles, notamment les mouilles et les seuils naturels (parmi d'autres : A. WADESON, 1994 ; I.G. JOWETT, 2010). On le calcule par la formule suivante :

22L'écoulement est dit supercritique si Fr > 1, critique si Fr = 1 et subcritique si Fr < 1. Dans les cours d'eau, cet indice est presque toujours inférieur à l'unité (J.F. MOUNT, 1995) et, selon K.R. ALLEN (1951), les milieux qui présentent des valeurs inférieures à 0,15 doivent être considérés comme des mouilles et ceux avec des valeurs entre 0,25 et 1 comme des seuils naturels. L'utilisation du nombre de FROUDE n'est pas ici destinée à opérer la distinction entre les faciès d'écoulement des cours d'eau, mais à juger de l'état énergétique de l'écoulement. En effet, on peut supposer que celui des mouilles est assez proche de celui des milieux lentiques : elles aussi présentent de faibles mouvements des eaux, piègent les sédiments fins et présentent des stratifications thermiques, notamment pendant l'été (V.L. OZAKI 1988 ; T.E. LISLE et S. HUILTON, 1999 ; J.L. ERBESOLE et al., 2007).

b. La collecte et l'analyse des données relatives au fonctionnement sédimentaire

23La compétence de l'écoulement a été évaluée à partir des mesures de vitesse, interprétées en utilisant le diagramme de F. HJULSTRÖM (1935). Ce graphique, élaboré à partir d'expériences de laboratoire, indique, en fonction de la taille des particules et de la vitesse de l'écoulement, si celui-ci est apte à éroder, transporter ou sédimenter les matériaux considérés.

24L'épaisseur des sédiments au fond des lits a été déterminée grâce à une technique empruntée aux travaux de limnologues (par exemple, M. CARLINI, 2006). Sur les transects déjà définis, des mesures ont été effectuées tous les mètres. La profondeur de la lame d'eau a d'abord été mesurée, à l'aide d'une perche graduée. Puis une pression a été exercée sur la perche pour l'enfoncer jusqu'au substrat, ce qui a permis de mesurer la profondeur de celui-ci par rapport à la surface de l'eau. La différence entre les deux mesures fournit l'épaisseur de la couche éventuelle de sédiments. Une épaisseur moyenne a été calculée pour chaque transect.

25Dans le cas de la retenue de Saint-Hilaire, la thématique sédimentaire a été approfondie à travers l'analyse de cinq échantillons collectés en fond de retenue, à l'aide d'une benne VAN VEEN (volume de 0,5 litre), sur les transects 1, 4, 8, 10 et 13. Les échantillons ne contenaient aucun élément très grossier (> 63 mm). Chaque prélèvement a été mis dans un pot pour collecte de sédiments et homogénéisé par mélange. Après séchage à l'air, une prise d'échantillon a été chauffée à 550 °C pendant neuf heures, afin d'estimer le taux de matière organique, dont on sait qu'il est souvent élevé au fond des plans d'eau artificiels (B. DUSSART, 1992). Une autre partie des sédiments (50 g environ) a été traitée à l'eau oxygénée (12 %) suivant les indications de A. BOGGERO et al. (2011), puis tamisée à sec. La colonne comportait trois tamis aux mailles de 2, 0,063 et 0,032 mm. L'interprétation des résultats selon l'échelle granulométrique de C.K. WENTWORTH (1922), permet de distinguer les graviers, les sables, les limons grossiers et la somme limons fins + argile.

c. La collecte et l'analyses des données relatives au fonctionnement thermique

26Afin de cerner le fonctionnement des retenues de seuil sur le plan thermique, nous avons analysé la présence de stratifications de la colonne d'eau et leur stabilité temporelle. Pour ce faire, nous avons utilisé des chaînes de thermomètres, dispositif qui permet de mesurer la température à différentes profondeurs et donc de déterminer si la colonne d'eau est stratifiée (L. TOUCHART, 2001 ; Q. CHOFFEL et al., 2017). Il se compose d'une chaîne dont l'extrémité supérieure est accrochée à une bouée d'amarrage d'une circonférence de 25 cm et celle inférieure à un gros parpaing en béton qui ancre solidement le dispositif au lit du cours d'eau. Sur les chaînes ont été fixés deux thermomètres enregistreurs (HOBO Water Temperature Pro v2 Data Logger-U22-001 ‒ précision de ±0,21°C et résolution de 0,02°C à 25°C) programmés au pas de temps de 60 minutes. La profondeur des sondes a été fixée, sur chaque site, en fonction de la hauteur de la colonne d'eau, la plus profonde étant suffisamment au-dessus du fond pour éviter qu'elle puisse être recouverte de sédiments.

27À Saint-Hilaire, en raison de la grande longueur de la retenue, deux chaînes de thermomètres ont été installées. Sur chacune d'elles, un thermomètre a été fixé à 10 cm de profondeur et l'autre à 50 cm. La "chaîne aval" (au niveau du transect 14, dans un endroit très ombragé) a fonctionné de février 2018 à février 2019 et la "chaîne amont" (au niveau du transect 4, dans un endroit moins ombragé) de février à septembre 2019. À Baerenthal, une seule chaîne a été positionnée, portant un thermomètre à 10 cm de profondeur et un autre à 70 cm. Elle a fonctionné de février 2018 à août 2019.

28Pour apprécier l'existence d'une stratification de la colonne d'eau et juger de son intensité, le delta horaire entre la température en surface et en profondeur a été calculé. Toute valeur rentrant dans l'intervalle d'erreur du thermomètre a été enregistrée comme delta = 0. Le suivi du delta minimum journalier, c'est-à-dire de la plus petite différence de température observée chaque jour entre la surface et le fond, a permis d'étudier la temporalité des stratifications thermiques.

IV - Résultats

1 ) Le fonctionnement hydrodynamique des retenues de seuil

29À Saint-Hilaire et Baerenthal, pendant toute la période des mesures, la direction de l'écoulement dans la retenue a été grossièrement parallèle à la pente du talweg et de même sens. Des angles de +90 à +180° et de -90 à -180° n'ont jamais été observés, que ce soit dans ou en dehors des retenues. L'angle le plus ouvert, -63,7°, a été mesuré à Saint-Hilaire, sur le transect 1, en amont de la retenue, près de la berge en rive droite de la rivière.

30La figure 4 fournit, pour chaque transect, la moyenne des valeurs absolues des angles moyens correspondant aux différentes campagnes de mesure sur l'ensemble de la période d'étude (la démarche est précisée en légende de la figure). Pour la retenue de Saint-Hilaire, les valeurs sont comprises entre 1,9° (T8) et 13,6° (T14) et pour celle de Baerenthal, entre 2,8° (T10) et 13,6° (T14). À cet égard, les écoulements dans la retenue ne diffèrent pas de ceux plus en amont : moyennes de toutes les valeurs absolues à Baerenthal : 7,8° pour la partie amont du bief et 7,4° pour la retenue. En considérant les valeurs relatives, les moyennes sont de +2,3° pour Saint-Hilaire et +3,9° à Baerenthal.

Figure 4 - Moyenne (en degrés), pour chaque transect, des valeurs absolues des angles de vitesse moyens correspondant aux différentes campagnes de mesure effectuées à Saint-Hilaire et Baerenthal.

Figure 4 - Moyenne (en degrés), pour chaque transect, des valeurs absolues des angles de vitesse moyens correspondant aux différentes campagnes de mesure effectuées à Saint-Hilaire et Baerenthal.

Pour une campagne de mesure donnée, l'angle moyen sur un transect a été calculé avec les angles exprimés en valeurs relatives. Puis le résultat a été transformé en valeur absolue. Enfin, pour chaque transect, il a été effectué la moyenne des valeurs absolues obtenues pour toutes les campagnes de mesure.

31Le nombre de FROUDE a toujours présenté des valeurs inférieures à 1, ce qui signifie que l'écoulement a constamment été subcritique (Fig. 5). La moyenne des valeurs calculées est de 0,04 dans la retenue de Saint-Hilaire et de 0,03 dans celle de Baerenthal. Aucune variation saisonnière de ce paramètre n'a été observée de manière évidente. En revanche, des valeurs plus fortes de Fr ont été relevées en dehors des retenues, à l'extrémité amont de chaque bief (à Saint-Hilaire, la valeur moyenne de Fr s'établit à 0,06 en T1 ; à Baerenthal, elle est de 0,07 en T1, 0,13 en T2 et 0,10 en T3). Ces résultats s'expliquent par l'énergie relativement forte du courant en amont des retenues, peu après la retombée des eaux d'une retenue à Saint-Hilaire et tout près de la tête de bassin à Baerenthal.

Figure 5 - Moyenne des valeurs du nombre de FROUDE pour chaque transect des retenues de seuil de Saint-Hilaire et Baerenthal. [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 5 - Moyenne des valeurs du nombre de FROUDE pour chaque transect des retenues de seuil de Saint-Hilaire et Baerenthal. [réalisation : Francesco DONATI]

Les traits verticaux indiquent la limite amont des retenues, À Saint-Hilaire, les mesures ont été empêchées en T6 par l'épaisseur des sédiments.

2 ) Le fonctionnement sédimentaire des retenues de seuil

32La position des données de vitesse sur le diagramme de HJULSTRÖM (Fig. 6) montre que l'écoulement possède encore une certaine compétence dans les deux retenues. En effet, la vitesse moyenne du courant est de 0,09 m/s dans la retenue de Saint-Hilaire et de 0,07 m/s dans celle de Baerenthal. Dans un cas comme dans l'autre, les écoulements ont la capacité de transporter des particules d'un diamètre pouvant aller jusqu'à un millimètre environ, donc jusqu'à des sables grossiers selon la classification de WENWORTH. Les conditions sont plus agressives à l'amont des biefs. Les vitesses y dépassent occasionnellement 0,2 m/s en automne et en hiver, ce qui théoriquement permet l'érosion des sables fins, moyens et grossiers.

Figure 6 - Positionnement des retenues de seuil de Saint-Hilaire et Baerenthal sur le diagramme de HJULSTRÖM. [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 6 - Positionnement des retenues de seuil de Saint-Hilaire et Baerenthal sur le diagramme de HJULSTRÖM. [réalisation : Francesco DONATI]

En abscisse, taille des particules. En ordonnée : vitesse du courant.

33L'observation des sédiments au fond des retenues a montré que leur épaisseur est en relation avec la diminution de la compétence des écoulements (Fig. 7). Dans les parties les plus en amont des retenues, les épaisseurs sont fortes : environ 30 cm à Saint-Hilaire et 60 cm à Baerenthal. Vers l'aval, elles ont tendance à diminuer au fur et à mesure qu'on se rapproche du seuil en rivière.

Figure 7 - Épaisseur moyenne de la couche de sédiments au niveau des transects des retenues de seuil de Saint-Hilaire et Baerenthal, et relation avec la moyenne des vitesses mesurées de l'écoulement. [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 7 - Épaisseur moyenne de la couche de sédiments au niveau des transects des retenues de seuil de Saint-Hilaire et Baerenthal, et relation avec la moyenne des vitesses mesurées de l'écoulement. [réalisation : Francesco DONATI]

Les traits verticaux indiquent la limite amont des retenues.

34Les pertes au feu réalisées sur les échantillons prélevés à Saint-Hilaire (Tab. I) indiquent une faible teneur en matière organique dans la partie supérieure du bief, en dehors de la retenue (T1). Les plus fortes valeurs concernent la partie amont de la retenue (T4 et T8), secteur où les écoulements perdent de la vitesse et ont de ce fait déposé une couche de sédiments relativement épaisse. La teneur est minimale tout à l'aval (T13).

Tableau I - Perte au feu (à 550°C) des dépôts de la retenue de seuil de Saint-Hilaire.

Tableau I - Perte au feu (à 550°C) des dépôts de la retenue de seuil de Saint-Hilaire.

35Au point de vue granulométrique, les échantillons récoltés à l'amont de la retenue et au niveau du petit affluent qui la rejoint (transect 10), se distinguent par leur très grande richesse en graviers. Ailleurs, les matériaux sont formés principalement de sables, mais restent très pauvres en particules les plus fines (Fig. 8).

Figure 8 - Composition granulométrique des échantillons prélevés sur le fond de la retenue de seuil de Saint-Hilaire. [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 8 - Composition granulométrique des échantillons prélevés sur le fond de la retenue de seuil de Saint-Hilaire. [réalisation : Francesco DONATI]

3 ) Le fonctionnement thermique des retenues

36Dans les deux retenues, une hétérogénéité thermique verticale s'est parfois manifestée. Cela s'est produit à des périodes caractérisées par des températures extérieures élevées et de faibles débits (Fig. 9). Les moments d'hétérogénéité ont donc été beaucoup moins fréquents que ceux d'homogénéité. Dans la retenue de Saint-Hilaire, ils représentent 2 % des mesures de la bouée aval et 4 % de celles de la bouée amont (pour la période estivale, les proportions montent à 5 et 10 % respectivement). Dans la retenue de seuil de Baerenthal, 3 % des mesures attestent une hétérogénéité (pour la période estivale : 4 % en 2018 et 7 % en 2019). Nulle part n'a été observée de stratification thermique de 24 heures : les moments d'hétérogénéité durent en moyenne deux heures à Saint-Hilaire et une heure à Baerenthal (Tab. II).

Figure 9 - Évolution du delta thermique horaire (°C) dans les retenues de Saint-Hilaire et Baerenthal. [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 9 - Évolution du delta thermique horaire (°C) dans les retenues de Saint-Hilaire et Baerenthal. [réalisation : Francesco DONATI]

Pour la retenue de Saint-Hilaire ont été ajoutés les débits mesurés à la station hydrométrique de Meung-sur-Loire située en aval de ce site (Banque Hydro).

Tableau II - Durée moyenne des stratifications thermiques (en heures) selon les saisons à Saint-Hilaire et Baerenthal.

Tableau II - Durée moyenne des stratifications thermiques (en heures) selon les saisons à Saint-Hilaire et Baerenthal.

37L'intensité des stratifications thermiques n'est guère différente d'un terrain d'étude à l'autre. À la bouée aval de la retenue de Saint-Hilaire, en situation très ombragée, le delta moyen est de 0,2°C seulement (valeur maximale de 0,5°C, le 4 juin 2018). Bien que positionnée dans un endroit plus ensoleillé, la bouée amont connaît aussi des hétérogénéités très faibles : delta moyen de 0,3°C (valeurs maximales de 0,6°C, le 11 juillet 2019 et le 8 août 2019). Dans la retenue de Baerenthal, les stratifications ont également été très peu marquées : delta moyen de 0,2°C (valeur maximale de 1°C en 2018, le 27 juillet, et de 0,7°C en 2019, le 1er juin). À Saint-Hilaire comme à Baerenthal, les hétérogénéités thermiques verticales se produisent principalement au milieu de la journée, entre 11h00 et 14h00.

V - Discussion

38Les résultats obtenus ne permettent pas d'affirmer que les deux retenues de seuil étudiées fonctionnent comme des milieux lentiques.

39En matière d'hydrodynamique, le seuil en rivière réduit pourtant l'énergie de l'écoulement. Il est possible de le constater au travers des valeurs de Fr, proches de celles que l'on trouve dans les mouilles de cours d'eau, qui ont un fonctionnement similaire à celui des plans d'eau. Toutefois, bien qu'il soit affaibli, le courant reste dirigé par la pente du talweg ; aucun mouvement échappant à cette contrainte n'a été observé.

40Du point de vue sédimentaire, la soudaine diminution de l'énergie de l'écoulement provoque le dépôt d'une couche de sédiments dans la partie amont des retenues. Dans cette zone, à Saint-Hilaire, des taux élevés de matière organique ont été constatés, de l'ordre de 20 %, valeur proche de celle que M. CARLINI (2006) a mesuré dans certains étangs du Centre-Ouest de la France. Toutefois le courant conserve une compétence suffisante pour assurer le transport des particules de taille inférieure à 63 µm. Pour que de telles particules sédimentent en amont des seuils de Saint Hilaire et de Baerenthal, les vitesses devraient être respectivement 30 et 23 fois inférieures à celles qui ont été mesurées. Les sédiments prélevés au fond de la retenue de Saint-Hilaire sont du reste, effectivement, très pauvres en limons et en argile.

41Sur le plan thermique, la colonne d'eau est pratiquement toujours homogène et de vrais cycles de stratification n'ont pas été observés. De très faibles variations entre la surface et le fond se mettent en place exclusivement au cours de la saison estivale, quand les débits sont les plus faibles et pendant les heures les plus chaudes de la journée.

42Ces terrains d'étude étant situés sur de petits cours d'eau, peu profonds et dont la largeur modeste fait que la ripisylve ombrage largement les eaux, il est légitime de s'interroger sur le fonctionnent des retenues de seuil situées sur des cours d'eau plus grands. Pour essayer de répondre à ce questionnement, une troisième retenue de seuil a été étudiée, mais en ne considérant que le paramètre thermique. Le site se trouve dans le village mayennais de Chémeré-Le-Roi, au sud-est de la ville de Laval, dans l'Ouest de la France. La retenue a été créée par un ouvrage de deux mètres de hauteur qui barre l'Erve, un cours d'eau affluent de la Sarthe, et qui dans le passé servait pour le fonctionnement du moulin dit "de Thévalles". Bien qu'aujourd'hui il ne serve plus à moudre les céréales, le moulin et tous les ouvrages hydrauliques annexes sont encore fonctionnels et manœuvrés pendant les visites qui sont effectuées sur ce site. La retenue débute en amont du transect 2 (Fig. 10). Au niveau du transect 14, une chaîne de thermomètres a été installée, avec un appareil à 10 cm de profondeur, un deuxième à 25 cm, un troisième à 50 cm et un dernier à 150 cm. Elle a fonctionné de décembre 2018 à juillet 2019. Dans ce secteur, le courant est extrêmement faible, la profondeur et la largeur sont respectivement de 1,50 et 37 mètres et la ripisylve est totalement absente.

Figure 10 - Plan de la retenue de seuil de Thévalles. [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 10 - Plan de la retenue de seuil de Thévalles. [réalisation : Francesco DONATI]

T1 à T15 : transects.

43Dans cette retenue de seuil, les moments d'homothermie de la colonne d'eau sont largement majoritaires, mais de façon moins massive que sur les autres terrains d'étude. Ici les stratifications thermiques représentent 29 % de l'ensemble des mesures et le taux monte à 61 % pendant la période estivale, en lien avec les températures élevées et les faibles débits (Fig. 11). Leur durée moyenne est sensiblement plus longue par rapport aux deux autres retenues de seuil, soit environ 10 heures ; 11 cycles de stratification de 24 heures ont même été observés. Si au cours des mois hivernaux la magnitude des stratifications thermiques est restée faible, similaire à celle observée sur les autres sites, elle s'est avérée beaucoup plus intense au cours des saisons plus chaudes (Tab. III). Au printemps, le delta moyen entre le haut et le bas de la colonne d'eau a atteint 1,1°C (valeurs maximales de 4,6°C, les 21 et 31 mai 2018). En été, la distinction entre les eaux de surface et de profondeur a été encore plus nette, avec un delta moyen de 1,5°C (valeurs maximales de 4,2°C, les 26 et 27 juin 2019).

Figure 11 - Évolution du delta thermique horaire (°C) au niveau du transect 14 de la retenue de seuil de Thévalles et représentation du débit de l'Erve mesuré à la station hydrométrique de Voutré (Banque Hydro). [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 11 - Évolution du delta thermique horaire (°C) au niveau du transect 14 de la retenue de seuil de Thévalles et représentation du débit de l'Erve mesuré à la station hydrométrique de Voutré (Banque Hydro). [réalisation : Francesco DONATI]

Tableau III - Évolution du delta thermique (°C) moyen dans la retenue de seuil de Thévalles, en printemps et en été.

Tableau III - Évolution du delta thermique (°C) moyen dans la retenue de seuil de Thévalles, en printemps et en été.

44Ces valeurs, bien que plus élevées que celles relevées à Saint-Hilaire et Baerenthal, ne sont pas suffisantes pour qualifier de lentique le fonctionnement de la retenue de Thévalles. La largeur des cours d'eau explique au moins une partie des disparités entre les sites. En effet, il a été démontré (D. CAISSIE, 2005) que plus la largeur est grande, plus le réchauffement est fort en surface, du fait de l'augmentation de la proportion de l'étendue d'eau non protégée de la radiation solaire par la ripisylve. À cet égard, on notera que, contrairement aux bouées de thermomètres de Saint-Hilaire et de Baerenthal, celle de Thévalles se trouve dans un secteur totalement dépourvu de protection. Les cycles de stratification thermique se forment toujours pendant les heures les plus chaudes de la journée et s'atténuent aux heures les plus fraîches par diminution de la température en surface (Tab. IV).

Tableau IV - Températures instantanées (°C) mesurées le 21 mai 2019 à la bouée placée dans la retenue de Thévalles.

Tableau IV - Températures instantanées (°C) mesurées le 21 mai 2019 à la bouée placée dans la retenue de Thévalles.

45Afin de compléter l'analyse, une chaîne de thermomètres a été positionnée, du 24 février au 8 novembre 2018, dans l'étang de Baerenthal, le plus grand (11 ha) des deux plans d'eau qui se trouvent en amont de la retenue de seuil homonyme. Afin que les conditions au point de mesure diffèrent le moins possible de celles dans la retenue de seuil voisine, elle a été placée dans une zone où la profondeur est la même que dans la retenue (0,70 m) et à proximité de la queue de l'étang, situation où les conditions hydrodynamiques sont réputées similaires à celles des cours d'eau (K.W. THORNTON, 1990). Comme à l'amont du seuil, deux thermomètres ont été fixés à la chaîne, un en surface et l'autre en profondeur, tous les deux programmés pour mesurer la température à un pas de temps de 60 minutes. Bien que les conditions hydrologiques soient très similaires et les conditions climatiques identiques, le fonctionnement thermique de l'étang s'est révélé très différent de celui de la retenue de seuil. En effet, dans ce plan d'eau, les périodes d'hétérogénéité de la colonne d'eau ont été la norme tout au long de la période d'étude, avec une stabilité et une intensité bien supérieures à celles observées dans la retenue de seuil (Fig. 12). La colonne d'eau s'est présentée stratifiée sur 67 % de l'ensemble de la période d'observation et sur 93 % du temps en été. En moyenne, les périodes d'hétérogénéité thermique ont duré 4 heures en hiver, 14 heures au printemps, 22 heures en été et 16 heures en automne. Au total, 59 cycles de stratification thermique de 24 heures ont été observés, dont un grand nombre dépassent la journée ou la semaine. En moyenne, la différence de température entre la surface et le fond a été de 1,4°C ; les valeurs maximales instantanées ont dépassé 7°C en août. Autre différence notable avec la retenue de seuil, les mesures dans l'étang ont montré de petites stratifications thermiques inversées pendant les mois d'hiver.

Figure 12 - Évolution du delta thermique horaire (°C) dans l'étang de Baerenthal. [réalisation : Francesco DONATI]

Figure 12 - Évolution du delta thermique horaire (°C) dans l'étang de Baerenthal. [réalisation : Francesco DONATI]

VI - Conclusion

46Par une approche purement limnologique, nous avons testé la capacité des seuils en rivière à transformer les milieux lotiques en milieux lentiques, idée largement admise au sein des services gestionnaires des milieux fluviaux. Les résultats obtenus au cours de cette recherche apportent des éléments obligeant à s'interroger sur le bien-fondé de certaines opérations de restauration fluviale concernant ces ouvrages. Il apparaît, en effet, qu'ils ne sont pas synonymes de transformation des eaux courantes en eaux stagnantes. Dans les retenues de seuil étudiées, les conditions abiotiques au centre de cette étude diffèrent sensiblement de celles des milieux lentiques : les eaux ont un écoulement unidirectionnel vers l'aval, leur énergie assure le transport des particules jusqu'à 1 mm de diamètre et les stratifications thermiques sont très faibles et de courte durée. Il est cependant incontestable que d'autres de leurs caractères sont similaires à ce que l'on pourrait observer dans un étang, comme la faible énergie de l'écoulement et la présence d'une couche de sédiments parfois riche en matière organique. Les retenues de seuil pourraient donc être définies comme des milieux hybrides associant des aspects lotiques et lentiques. Les sites susceptibles de s'approcher au plus près des milieux lentiques sont a priori ceux qui combinent une vitesse d'écoulement très faible, une absence de ripisylve et un volume d'eau important. Cela ouvre des vastes perspectives de recherche, dont les résultats permettraient d'approfondir la connaissance de ces environnements et de rendre ainsi plus efficaces les politiques de gestion et de préservation de certains milieux aquatiques.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 - Comparaison entre le fonctionnement des eaux courantes et celui des eaux stagnantes. [réalisation : Francesco DONATI]
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Titre Figure 2 - Plan de la retenue de seuil de Saint-Hilaire (en haut) et valeurs moyennes des profondeurs et des vitesses mesurées au niveau des transects (en bas). [réalisation : Francesco DONATI]
Légende T1 à T15 : transects numérotés de l'amont vers l'aval. Les traits verticaux délimitent l'étendue de la retenue. Source pour le plan du terrain d'étude : IGN.
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Titre Figure 3 - Plan de la retenue de seuil de Baerenthal (en haut) et valeurs moyennes des profondeurs et des vitesses mesurées au niveau des transects (en bas). [réalisation : Francesco DONATI]
Légende T1 à T15 : transects numérotés de l'amont vers l'aval. Les traits verticaux délimitent l'étendue de la retenue. Source pour le plan du terrain d'étude : IGN.
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Titre Figure 4 - Moyenne (en degrés), pour chaque transect, des valeurs absolues des angles de vitesse moyens correspondant aux différentes campagnes de mesure effectuées à Saint-Hilaire et Baerenthal.
Légende Pour une campagne de mesure donnée, l'angle moyen sur un transect a été calculé avec les angles exprimés en valeurs relatives. Puis le résultat a été transformé en valeur absolue. Enfin, pour chaque transect, il a été effectué la moyenne des valeurs absolues obtenues pour toutes les campagnes de mesure.
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Titre Figure 5 - Moyenne des valeurs du nombre de FROUDE pour chaque transect des retenues de seuil de Saint-Hilaire et Baerenthal. [réalisation : Francesco DONATI]
Légende Les traits verticaux indiquent la limite amont des retenues, À Saint-Hilaire, les mesures ont été empêchées en T6 par l'épaisseur des sédiments.
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Titre Figure 6 - Positionnement des retenues de seuil de Saint-Hilaire et Baerenthal sur le diagramme de HJULSTRÖM. [réalisation : Francesco DONATI]
Légende En abscisse, taille des particules. En ordonnée : vitesse du courant.
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Titre Figure 7 - Épaisseur moyenne de la couche de sédiments au niveau des transects des retenues de seuil de Saint-Hilaire et Baerenthal, et relation avec la moyenne des vitesses mesurées de l'écoulement. [réalisation : Francesco DONATI]
Légende Les traits verticaux indiquent la limite amont des retenues.
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Titre Tableau I - Perte au feu (à 550°C) des dépôts de la retenue de seuil de Saint-Hilaire.
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Titre Figure 8 - Composition granulométrique des échantillons prélevés sur le fond de la retenue de seuil de Saint-Hilaire. [réalisation : Francesco DONATI]
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Titre Figure 9 - Évolution du delta thermique horaire (°C) dans les retenues de Saint-Hilaire et Baerenthal. [réalisation : Francesco DONATI]
Légende Pour la retenue de Saint-Hilaire ont été ajoutés les débits mesurés à la station hydrométrique de Meung-sur-Loire située en aval de ce site (Banque Hydro).
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Titre Tableau II - Durée moyenne des stratifications thermiques (en heures) selon les saisons à Saint-Hilaire et Baerenthal.
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Titre Figure 10 - Plan de la retenue de seuil de Thévalles. [réalisation : Francesco DONATI]
Légende T1 à T15 : transects.
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Titre Figure 11 - Évolution du delta thermique horaire (°C) au niveau du transect 14 de la retenue de seuil de Thévalles et représentation du débit de l'Erve mesuré à la station hydrométrique de Voutré (Banque Hydro). [réalisation : Francesco DONATI]
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/11024/img-14.jpg
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Titre Tableau III - Évolution du delta thermique (°C) moyen dans la retenue de seuil de Thévalles, en printemps et en été.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/11024/img-15.jpg
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Titre Tableau IV - Températures instantanées (°C) mesurées le 21 mai 2019 à la bouée placée dans la retenue de Thévalles.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/11024/img-16.jpg
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Titre Figure 12 - Évolution du delta thermique horaire (°C) dans l'étang de Baerenthal. [réalisation : Francesco DONATI]
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/11024/img-17.jpg
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Pour citer cet article

Référence papier

Francesco Donati, Laurent Touchart et Pascal Bartout, « Les seuils en rivière transforment-ils les milieux lotiques en milieux lentiques ? », Physio-Géo, Volume 15 | -1, 111-131.

Référence électronique

Francesco Donati, Laurent Touchart et Pascal Bartout, « Les seuils en rivière transforment-ils les milieux lotiques en milieux lentiques ? », Physio-Géo [En ligne], Volume 15 | 2020, mis en ligne le 25 avril 2020, consulté le 07 juillet 2020. URL : http://journals.openedition.org/physio-geo/11024 ; DOI : https://doi.org/10.4000/physio-geo.11024

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Auteurs

Francesco Donati

Laboratoire CEDETE, Université d'Orléans, Département de Géographie, 45065 ORLÉANS, FRANCE.Courriel : francesco.donati@univ-orleans.fr

Laurent Touchart

Laboratoire CEDETE, Université d'Orléans, Département de Géographie, 45065 ORLÉANS, FRANCE.Courriel : laurent.touchart@univ-orleans.fr

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Pascal Bartout

Laboratoire CEDETE, Université d'Orléans, Département de Géographie, 45065 ORLÉANS, FRANCE.Courriel : pascal.bartout@univ-orleans.fr

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