Introduction

1Les linéaires de transport terrestre traversent de nombreux paysages et contribuent à fractionner les habitats écologiques, limitant le potentiel de mobilité des espèces et réduisant à terme la biodiversité. Ce constat issu des concepts formalisés par la discipline de l’écologie du paysage est traduit dans les politiques publiques d’aménagement de l’espace comme actuellement la Trame verte et bleue. C’est également l’objet du programme ITTECOP (Infrastructures de Transports Terrestres, ECOsystèmes et Paysages) qui cherche à confronter les enjeux techniques des infrastructures linéaires de transport avec leurs interfaces incluant une dimension écologique. Le projet exploratoire RIZHU (Ruissellement Intense et Zones HUmides) a été réalisé dans le cadre d’ITTECOP pour évaluer la faisabilité de concilier zones humides et gestion technique du ruissellement aux abords du réseau ferré. Il s’agit par exemple de favoriser le développement de nouvelles zones humides dans les parties amonts des versants connexes aux voies de transport terrestre afin d’y faire transiter une partie des eaux de ruissellement.

2La France a perdu plus de la moitié de ses zones humides au cours du 20e siècle (Eau France, Les zones humides : milieux en danger, 2014). Les sites aujourd’hui recensés couvrent environ 3 % du territoire et abritent une part importante de la biodiversité. Malgré des plans de sauvegarde et une règlementation de plus en plus stricte, les zones humides continuent d’être dégradées. Il est donc opportun de concevoir des innovations dans la gestion technique des linéaires de transport pour préserver ou redonner une place aux zones humides en s’appuyant sur les services écologiques qu’elles procurent.

3Un diagnostic basé sur de nombreux critères doit être envisagé pour mettre en œuvre une telle approche et voir se développer des zones humides plus ou moins artificialisées. Tout d’abord, des éléments de contexte et d’ingénierie hydraulique sont à prendre en compte. Ensuite, certaines caractéristiques topographiques, pédologiques, hydrologiques, voire écologiques, sont requises. L’objectif de cet article est de décrire comment ce diagnostic a été formalisé dans le cadre du projet RIZHU. Il s’appuie sur l’expertise en ingénierie hydraulique de la SNCF ainsi que sur les compétences en hydrologie, géomatique et écologie d’IRSTEA et ISARA-Lyon. Le réseau ferré est donc pris comme élément d’étude dans ce travail.

4Après une brève définition de ce qu’est une zone humide et des fonctionnalités écologiques qu’elle procure, nous commencerons par détailler les enjeux et les techniques de la maitrise du ruissellement au niveau du réseau ferré. Cette première partie aboutira à une proposition de typologie des configurations hydrauliques à risque par rapport au ruissellement qui pourraient bénéficier de la fonction d’expansion de crue ou du rôle tampon assuré par une zone humide. Sur la base de ces conditions techniques indispensables pour pouvoir utiliser les zones humides comme outil novateur de gestion des masses d’eau en excès à un instant donné, il est essentiel de s’appuyer en complément sur la géomatique pour évaluer l’aptitude des milieux traversés par le réseau ferré à accueillir ou maintenir durablement les zones humides. Il s’en suit donc une présentation des indicateurs spatialisés permettant de déterminer des zones potentiellement favorables à l’implantation de zones humides. Une illustration de l’usage de certains indicateurs jugés pertinents est proposée sur un segment de la ligne TGV Méditerranée au sud de Valence dans la Drôme en s’appuyant sur un outil géomatique développé récemment à la SNCF pour évaluer l’aptitude au ruissellement aux abords des infrastructures ferroviaires.

Zones humides et leurs services écologiques

5Plusieurs définitions des zones humides existent selon la discipline considérée : scientifiques, gestionnaires, juristes ou politiques. Dans ce projet, nous nous réfèrerons à celle donnée par le Code de l’Environnement qui définit les zones humides comme des « terrains, exploités ou non, habituellement inondés ou gorgés d’eau douce, salée ou saumâtre de façon permanente ou temporaire ; la végétation, quand elle existe, y est dominée par des plantes hygrophiles pendant au moins une partie de l’année » (Article L211-1 du code de l’Environnement). Il s’agit d’une définition assez large qui englobe une dizaine de types de zones humides.

6Les zones humides présentent quatre groupes de fonctions majeures (Agences de l'eau et al., 2002a, 2002 b ; Conservatoire d'Espaces naturels de Rhône Alpes, 2010) :

• Une fonction hydrologique en tant que zone d’expansion des crues et par son aptitude à pouvoir recharger ou décharger une nappe proche. Il s’agit d’une capacité tampon.

• Une fonction d’épuration grâce à une rétention des sédiments et l’élimination par transformation en biomasse des nutriments. Les zones humides vont jouer un rôle de « filtre naturel » ;

• Une fonction d’habitat écologique pour de multiples espèces végétales et animales ;

• Enfin, des fonctions secondaires comme la récréation, l’éducation ou encore des aspects culturels. L’exemple du lac d’Aydat en Auvergne (Mathevon, 2012) montre que cela peut fonctionner.

7La restauration ou la création de zones humides implique des caractéristiques physiques favorables, mais aussi la proximité d’autres zones humides pour permettre la migration des espèces. Une distance de séparation de 500 m au maximum entre les zones humides peut être considérée comme convenable. Pour assurer cette continuité de manière règlementaire, un dispositif a récemment été mis en place : la trame verte et bleue (TVB). Il s’agit d’un outil d’aménagement du territoire qui vise à (re)constituer un réseau écologique cohérent, à l’échelle du territoire national, pour permettre aux espèces animales et végétales de circuler, de s’alimenter, de se reproduire, de se reposer, etc. Elle a pour « objectif d’enrayer la perte de biodiversité en participant à la préservation, à la gestion et à la remise en bon état des milieux nécessaires aux continuités écologiques, tout en prenant en compte les activités humaines, et notamment agricoles, en milieu rural. » (L 371-1 du Code de l’Environnement)

8Les zones humides ont la capacité de stocker durablement ou de manière transitoire des quantités d’eau plus ou moins grandes selon leurs dimensions, leurs emplacements et leurs fonctionnements hydrologiques. Elles peuvent ainsi limiter le ruissellement en leur aval lors d’évènements pluvieux intenses.

9Le ruissellement intense est à l’origine d’incidents d’exploitation du réseau ferré. Les ouvrages de drainage, implantés parfois depuis plusieurs décennies, ne sont plus en adéquation avec l’évolution de l’occupation du sol qui génère le ruissellement. Ainsi, le développement urbain et le drainage agricole contribuent à augmenter les processus de ruissellement et d’érosion, ce qui impose un curage et une surveillance plus fréquente des ouvrages de stockage transitoire. Par ailleurs, le ruissellement est un facteur d’exportation des engrais et produits phytosanitaires utilisés en milieu agricole. L’eutrophisation des milieux récepteurs constitue alors un impact pour le milieu aquatique situé en aval du réseau ferré.

10Le réseau ferré peut aussi impacter le fonctionnement des zones humides situées en aval en coupant puis redirigeant le ruissellement de leurs aires d’approvisionnement, ce qui conduit à les assécher. De manière paradoxale, les fossés et l’emprise foncière de la voie peuvent aussi favoriser le développement de zones humides linéaires et de corridors arborés, en amont des voies, dans les parties basses des vallées où les eaux collectées vont se ressuyer plus lentement et où l’accumulation de sédiments et de matières organiques est favorisée. À l’observation, ces corridors restent sporadiques et l’encombrement des fossés pose la question de leur efficacité en cas de fort ruissellement.

Potentiel des zones humides pour l’ingénierie hydraulique des réseaux ferrés

11L’idée de gérer le ruissellement intense en dehors de l’emprise foncière du réseau ferré répond au double objectif d’assurer le fonctionnement sécurisé d’un train et de contribuer à la restructuration des trames vertes et bleues dans des paysages qui sont fortement impactés par l’activité humaine. Cela amène à regarder la gestion du ruissellement hors de l’emprise foncière du réseau ferré, ce qui en soi est une nouveauté, car il ne s’agit plus d’évacuer l’eau ruisselée au plus vite au droit de l’infrastructure, mais de la ralentir en amont. La fonction purement hydraulique de stockage de la zone humide est mise à contribution, mais elle doit aussi participer à l’autoépuration des eaux de ruissellement et à l’augmentation de la biodiversité. Cette approche peut s’appliquer au cas d’une ligne existante pour laquelle il sera regardé les opportunités de construction ou réactivation de zones humides. Elle peut aussi s’appliquer à l’étude du tracé d’une nouvelle ligne pour étudier le moindre dommage aux zones humides existantes et considérer le potentiel de réactivation de zones humides asséchées. Le projet RIZHU vise donc à identifier les contextes hydrologiques et pédologiques favorables pour la création de zones humides, mais aussi pour l’identification d’anciennes zones humides. La faisabilité relève au moins de quatre niveaux emboîtés : celui d’un milieu propice, celui d’un volume de stockage transitoire suffisant, celui d’un intérêt écologique et enfin celui d’une gestion multipartenaires de la zone humide. La méthode présentée permet d’aborder les trois premiers niveaux. La hiérarchisation des opportunités dépendra finalement du quatrième niveau qui fait appel à la négociation et à l’émergence d’intérêts partagés.

12La protection de ces réseaux linéaires contre les écoulements de surface est assurée par des fossés situés en amont des lignes de transport et dont la fonction est de collecter puis diriger le ruissellement vers des lieux de passage sous voie. Dans le cas du réseau ferré, la contrainte de faible pente des voies à grande vitesse impose alternativement des situations en déblai et en remblai. Les fossés collectent les versants avec un écoulement qui grossit depuis les zones de déblai vers les zones de remblai et qui comblent les points bas où les ouvrages sous voie sont alors implantés.

13Ces nouveaux chemins de l’eau peuvent dans certains cas favoriser la création ou le retour de zones humides anciennes qui ont été drainées par exemple pour un usage agricole des sols voisins.

Évaluation de l’aptitude du terrain à maintenir ou développer des zones humides

15La méthode utilisée dans ce projet est appelée IRIP (Indicateur du ruissellement intense pluvial). Elle est développée depuis 2009 pour répondre à la question de la prévention contre les inondations par ruissellement intense (Poulard et al., 2015). La méthode de calcul est détaillée dans un rapport technique (Dehotin et Breil, 2011). Elle utilise trois couches géomatiques à mailles (ou « pixel ») carrées (représentation matricielle dite « raster ») qui sont la topographie, l’occupation du sol et la pédologie. Les aires d’étude sont soit des versants délimités par un tronçon de voie ferrée ou routière, soit des bassins versants délimités par un point exutoire. La méthode calcule trois indicateurs, chacun représentant une étape du ruissellement, sous la forme de trois cartes de valeurs potentielles. La carte de production représente les zones où le potentiel d’apparition d’une lame d’eau est le plus fort. La seconde carte met en exergue les axes et zones de transfert depuis les zones de production. Enfin, la troisième carte fournit les zones d’accumulation où l’écoulement formé dans une zone amont de production tend à ralentir ou s’arrêter. C’est sur cette dernière carte que l’étude porte, car un fort potentiel d’accumulation du ruissellement indique que les zones concernées auront tendance à accumuler aussi les pluies non intenses. Les facteurs de l’indicateur d’accumulation étudiés plus en détail ci-après sont : la pente, les ruptures de pente concaves, l’indice topographique (Beven-Kirkby, 1979) et l’aire drainée (flow accumulation).

16Les potentiels des trois cartes peuvent varier chacun entre 0 et 5. Les valeurs sont attribuées en chaque maille du versant ou bassin versant étudié. Une étude expérimentale de terrain a confirmé les processus physiques représentés par ces trois cartes (Dehotin et al., 2014 ; 2015).

17La méthode géomatique IRIP a été codée sous la forme d’un logiciel nommé « iRIP » par les soins de SNCF. C’est ce logiciel qui est utilisé dans cette étude pour générer le calcul des cartes et des facteurs liés aux différentes phases du ruissellement.

Tentative de détection des zones humides avec l’outil IRIP

18L’hypothèse de travail est que les zones humides vont présenter des tendances centrales (moyenne, médiane, mode) des indicateurs du ruissellement intense qui seront différentes de celles des zones non humides. La méthode suivie est (1) de travailler sur les distributions de fréquence des valeurs calculées en chaque maille d’un ensemble de zones humides observées ; (2) de comparer ensuite les distributions des valeurs calculées des indicateurs avec celles des valeurs obtenues sur le reste du territoire, en dehors des zones humides. Si des différences significatives sont observées, cela permet de confirmer la particularité des zones humides pour certains indicateurs. Il est alors possible de construire un filtre qui va sélectionner les gammes des indicateurs calculés par iRIP les plus à même à reproduire les zones humides observées. L’évaluation du filtre doit se faire sur des zones humides non utilisées pour sa mise au point, cela afin de ne pas biaiser l’évaluation.

19Il est à noter que la plupart des zones humides répertoriées en Rhône –Alpes correspondent à des bordures de cours d’eau. Certaines autres, telles que les mares, semblent se détacher. Dans le cadre de cette étude, l’intérêt a porté sur les zones n’englobant pas de cours d’eau, ou du moins pas sur de longues distances, car seules les zones humides de versant sont recherchées ici. L’analyse statistique porte sur un échantillon de trente zones humides répertoriées dans la région Rhône Alpes (cf. Tableau 1). Le linéaire du réseau ferré qui coupe les zones humides recensées dans la base CARMEN pour les départements de l’Ain, de l’Isère, de la Drôme et de l’Ardèche est évalué à 64 kilomètres, cela en 6304 intersections d’une moyenne de 10 mètres et un tronçon maximum de 4.9 kilomètres.

Tableau 1. Echantillon de trente zones humides recensées dans la région Rhône Alpes / Selection of thirty known wetlands in Rhône-Alpes region.

	Zones humides recensées	Localisation	Surface (ha)
1	Bois de Mauvauvres et de la forêt	01 Ain	170
2	Forêt de Combes	01 Ain	12,6
3	Grange du Pin	01 Ain	10,1
4	Etangs de Malacord	01 Ain	8,5
5	Etangs de la Dombes	01 Ain	fragment
6	Clapier	07 Ardèche	16,4
7	Chaix	07 Ardèche	3,2
8	La croix St Martin	07 Ardèche	2,6
9	Vallon du Crouzet	07 Ardèche	1,6
10	Chassagne	38 Isère	384
11	l'Etang	38 Isère	320
12	Les Charbonnières	38 Isère	196
13	Le Serrein	38 Isère	42
14	Maison Denolly	38 Isère	15,38
15	La Croix Bergeret	38 Isère	14
16	Combe de claire	38 Isère	6,86
17	Gravières - les Iles	26 Drôme	280
18	Emeil Est A7	26 Drôme	79
19	Les Petits Etangs	26 Drôme	62,5
20	ZH canaux de la Chirouze	26 Drôme	39,6
21	La Merline - ruisseau de Bagnol	26 Drôme	28,9
22	La Chirouze T2 agri	26 Drôme	28
23	Iles des cadets - Plaine de	26 Drôme	18,57
24	Le chabot	26 Drôme	18
25	Les Evignols	26 Drôme	16
26	la Chirouze T1	26 Drôme	11,9
27	Carrière du bois des pauvres	26 Drôme	9
28	Le Colombier (2)	26 Drôme	8,15
29	Pecquet	26 Drôme	7,5
30	Combe la Mandicité	26 Drôme	5

Source. DREAL Rhône-Alpes, 2014.

Données sources et indicateurs topographiques issus du MNT 

20Les données topographiques, d’occupation du sol et pédologiques utilisées par iRIP sont issues respectivement :

• d’un Modèle numérique de terrain (MNT) d’une résolution de 30 m produit par l’Agence européenne pour l’environnement (AEE) : http://www.eea.europa.eu/​data-and-maps/​data/​eu-dem

• de CORINE Land Cover (CLC, 2006, AEE) : http://www.eea.europa.eu/​data-and-maps/​data/​corine-land-cover-2006-raster

• de la base de données Sol (BDSol) proposée par l’INRA qui contient en particulier des informations sur l’épaisseur, l’érodibilité et la perméabilité des sols : http://acklins.orleans.inra.fr/​programme/​bdgsf/​bdgsf.php

21Pour obtenir un échantillon de trente individus, cinq territoires coupés par la ligne de train à grande vitesse Méditerranée (LGV Med) sont étudiés (cf. figure 1). Deux territoires sont situés dans l’Ain, un sur la Drôme et l’Isère, un en Ardèche et un sur la Drôme et l’Ardèche.

Gammes de valeurs dominantes dans les zones humides

22Parmi les indicateurs testés, seuls ceux ayant révélé une gamme de valeurs décalée pour le sous-échantillon des zones humides par rapport à celui de la population mère sont présentés. Par souci de lisibilité, les fréquences sont données en valeurs en relatives à chaque échantillon. En effet, le nombre de pixels de zones humides sélectionnées est bien inférieur à celui correspondant dans les régions étudiées.

23Dans le cas de l’indice de pente (Figure 2a), on remarque une prépondérance des valeurs de pente plus faibles que dans l’ensemble des bassins versants. Une analyse des distributions statistiques a permis de déterminer la valeur de 4 % comme valeur seuil pour caractériser les zones humides recensées dans la Région Rhône-Alpes.

24Pour l’indice topographique (Figure 2b), on observe un décalage dans les valeurs maximales des deux histogrammes. Ce décalage permet de mettre en évidence que les indices topographiques élevés sont plus favorables au développement de zones humides. La valeur seuil d’indice topographique est fixée 15,9.

25Il y a une limite à cette méthode qui est que beaucoup de zones humides ont été drainées pour l’agriculture, le développement urbain et les voies de communication. Par conséquent, les zones non humides actuellement peuvent dans certains cas correspondre à d’anciennes zones humides aujourd’hui disparues. Cela peut rendre la différence dans un territoire difficile à mettre en évidence. La signification d’une différence au sens d’un test statistique entre les valeurs des facteurs prises en zones humides avérées et non humides n’est alors pas forcément possible.

Première évaluation du filtre des zones humides potentielles

26Afin d’évaluer le caractère prédictif des gammes de valeurs sélectionnées, celles-ci ont été appliquées à un sous-territoire de la Drôme dont les zones humides n’ont pas été utilisées dans l’étape de sélection des gammes de valeurs. La carte d’occupation des sols est aussi travaillée afin que les zones imperméables (villes, routes...) ne soient pas considérées dans le calcul des zones humides potentielles (Figure 3d). La Figure 3 montre la carte des zones humides recensées (a), la carte des pentes inférieures à 4 % (b), la carte de l’indice topographique supérieur à 15,9 (c). La carte de la figure 4 e fait la synthèse des cartes b, c et d. Elle représente les zones humides potentielles vues par le filtre. On note que les zones humides recensées dans le département de la Drôme et comprises dans le bassin versant test sont globalement situées dans la couche de croisement des critères. Ainsi l’analyse géomatique indique que 64 % des zones humides observées sont retrouvées par le filtre. En outre, les zones humides non rivulaires, objet de notre recherche, y sont extrêmement bien représentées avec un rapport de 95,7 %. Cependant une large partie de la surface retenue n’est pas répertoriée comme zone humide, car l’on passe de 5,6 % de zone humide observée sur l’ensemble du territoire test à 33,7 % de zones humides prédites. Le filtre peut être jugé pas assez précis, mais il peut aussi s’agir de zones potentiellement favorables à l’implantation de nouvelles zones humides ou d’anciennes zones humides asséchées aujourd’hui disparues.

Confirmation terrain

27La sélection d’un site terrain pour vérifier la présence d’une zone humide non recensée, mais prédite par le filtre a été réalisée comme suit : il a été recherché un secteur de la LGV Med où se trouvaient plusieurs bassins de rétentions SNCF, signe d’une problématique importante de ruissellement, avec aussi présence de zones humides prédites par le filtre le long de la LGV. Par ailleurs ne sont conservés que les pixels de zone humide situés à moins de 500m d’une zone humide recensée, car c’est une condition de connectivité nécessaire pour qu’une zone humide soit fonctionnelle.

28La visite de terrain a permis de noter sur le site la présence de plantes hygrophiles à l’intérieur même des ouvrages de rétention de la SNCF. Les tests à la tarière ont révélé hors emprise SNCF un sol aux caractéristiques hydromorphes. Il a par ailleurs été noté la présence d’une zone humide d’un hectare à l’abord de la LGV. Cette zone s’est développée à la limite d’une rupture de pente concave entre deux terrains agricoles. Cette zone humide se retrouve bien dans la zone prédite par le filtre réalisé dans le cadre de cette étude. Le filtre indique une tendance d’un environnement à favoriser l’hydromorphie. Compte tenu de la précision des données utilisées, on ne peut qu’interpréter ce type d’environnement via la « pixelisation » plus dense des pixels favorables comme le montre la figure 4a. Cette densification apparait à plusieurs endroits de ce versant de quelques kilomètres carrés. L’absence de zone humide fonctionnelle sur la majorité des secteurs prédisposés s’explique par des fossés de drainage profonds observés dans les champs et dont la vocation est justement de drainer les sols qui sans cela seraient trop humides.

Conclusion et perspectives

29L’étude réalisée a permis l’élaboration d’une carte des paysages propices au développement de zones humides d’une manière générale et à l’abord des réseaux linéaires en particulier, car le logiciel iRIP intègre le découpage des versants hydrographiques qui sont interceptés par les réseaux linéaires. À ce jour, l’emploi de trois facteurs discriminants : pente, indice topographique et occupation des sols, a montré la pertinence de la méthode employée puisque celle-ci nous a permis de découvrir sur le terrain des zones humides non encore recensées. La cartographie iRIP dédiée aux zones d’accumulation du ruissellement s’avère être selon les premiers tests un outil au moins pré-opérationnel qu’il faudrait pouvoir valider sur d’autres secteurs. Son usage en routine sur de grands linéaires est possible comme le montrent les régions d’étude délimitées sur la carte de la figure 1. Elle peut être utilisée en phase d’avant-projet pour sectoriser des zones où une gestion du ruissellement hors emprise des voies de circulation pourrait être considérée. Ces éléments plaident en faveur d’outils opérationnels pour accompagner les acteurs économiques et institutionnels du transport et de l’aménagement pour trouver une complémentarité entre la sécurité des infrastructures de transport et les fonctionnalités écologiques au sein des territoires traversés. La restauration ou la création des zones humides peut être pensée comme un axe de collaboration entre les acteurs d’un territoire. Cela en particulier pour répondre à des enjeux comme la trame verte et bleue, les Schémas de cohérence territoriale (SCOT) et les Plans locaux d’urbanisme (PLU). L’idée est d’avoir un objectif dans lequel chacun trouve son intérêt et contribue à la reconstruction du paysage et de ses fonctionnalités écologiques. Cela revient à penser autrement la gestion des eaux de ruissellement.

30Cependant, il est à prévoir pour un développement futur de cette méthode un apport complémentaire d’informations par croisement avec de nouveaux facteurs. En particulier les données géologiques, pédologiques et de profondeur des nappes pourraient apporter de la précision dans la prédiction des paysages favorables au développement des zones humides.

31Cette recherche s’inscrit dans une démarche plus globale de gestion des eaux liées au ruissellement intense qui est facteur d’export de fertilisants et phytosanitaires provenant des espaces agricoles situés sur les versants en amont des voies. Ces exports et leurs stockages dans les structures de laminage des débits par exemple sont facteurs de déséquilibre trophique et peuvent contaminer les cours d’eau ou une nappe sous-jacente en cas d’infiltration. La recherche porte sur la visualisation des lieux où le métabolisme naturel est « surchargé » ou encore « amoindri » par l’action humaine, ceci afin de mettre mieux en adéquation le fonctionnement des milieux avec les usages que l’on en fait. C’est le principe de la régulation duale des flux et des biocénoses qui est préconisée dans l’approche écohydrologique d’un bassin versant (Zaleswki, 2000 ; 2002).

Remerciements

32Les auteurs remercient le soutien financier apporté au projet exploratoire RIZHU par le programme ITTECOP du MEDDE, ADEME et CILB.