Soutenance mémoire
Problématiques liées aux sédiments fins
Le premier effet notable d’un dépôt de sédiments fins concerne la végétation. En effet, un apport de sédiments fins contribue à l’installation de la végétation. Puis, la sédimentation sur les bancs est à son tour favorisée par celle-ci, ce qui constitue une boucle de rétroaction positive. La végétation ralentit effectivement les vitesses d’écoulement, augmente la cohésion des sédiments, diminue la capacité de transport des matières en suspension (les sédiments fins sont piégés par la végétation) et enfin diminue le transport par charriage (diminution de la vitesse et donc de l’énergie pour déplacer les sédiments grossiers, et contrainte critique de mise en mouvement plus forte) (Jourdain, 2017). Cela résulte donc en une diminution de l’érosion dans ce secteur et à un exhaussement régulier des dépôts associé à une végétalisation plus durable. Cette dynamique peut poser de nombreux problèmes. En effet, l’établissement de végétation peut induire un risque accru d’inondation, car du fait de la résistance plus forte liée à la végétation, la hauteur d’eau est plus élevée en crue. Aussi la végétation peut provoquer un appauvrissement de la biodiversité (Jourdain, 2017). Des solutions de gestion existent, telles qu’un entretien mécanique de la végétation, une restructuration de la géométrie avec un élargissement de chenal, une restauration des processus hydro-sédimentaires, ou enfin une action sur les débits liquides. Néanmoins, il convient d’être prudent et de garder à l’esprit que ce type d’actions n’impactera pas uniquement la végétation du cours d’eau. Mis à part cette problématique vis-à-vis de la végétation, les fines affectent également la qualité de l’eau, car elles peuvent être vecteurs de propagation des micropolluants (Antoine et al., 2020). De plus, elles peuvent affecter les habitats aquatiques. Elles ont également des impacts physiques, elles peuvent en effet engendrer des problèmes d’ensablement dans les centrales hydroélectriques, qui perdent alors de leur capacité de stockage (Misset, 2021). Finalement, par le biais des échanges hyporhéiques (entre eaux souterraines et eaux de surface), les sédiments fins tendent à infiltrer la matrice graveleuse du lit et à rester piégés dedans. Parfois, la couche de surface subit un colmatage ce qui résulte en une absence d’échanges entre la surface et la subsurface. Ces phénomènes sont liés à l’apport de sédiments en amont, à la mobilité du lit de la rivière, à la présence ou non de végétation et au faciès considéré (Misset, 2021). Mais selon le degré de mobilisation du lit, ces fines stockées dans la matrice graveleuse peuvent être remobilisées. Ainsi, dans les rivières montagneuses, les sédiments fins stockés dans l’entièreté de la bande active, y compris sur les parties exondées, pourraient contribuer significativement aux flux vers l’aval (Misset, 2021).
Stocks de sédiments
Les rivières de piedmont à lit graveleux peuvent stocker une grande quantité de sédiments, notamment au niveau des fosses et des barres sédimentaires graveleuses où des dépôts rétroactifs sont souvent observés. Les stocks de sédiments fins sont relativement difficiles à estimer puisqu’ils sont facilement emportés et peuvent infiltrer la matrice de graviers. Cela reste donc compliqué de connaitre la quantité de sédiments fins dans ces rivières où, de plus, la granulométrie est mal triée (Camenen et al., 2016). Misset (2021) a travaillé sur des tronçons de rivières naturelles possédant des zones en tresses. Il a défini quatre facies sur lesquels il a travaillé : le chenal principal, les chenaux secondaires, les bancs non végétalisés et les bancs végétalisés. Cette classification a été utilisée pour différencier les processus mis en jeu dans la sédimentation qui ne sont pas les mêmes selon le facies. Des échantillons ont été prélevés sur des sections en travers le long de la rivière et un stock moyen a été obtenu pour chaque facies avant d’être multiplié par la surface de ce facies. La masse stockée dans le lit entier de la rivière pour une profondeur donnée a ensuite été obtenue en additionnant les stocks intégrés pour chaque facies. Les résultats de Misset (2021), montrent que les stocks locaux peuvent être extrêmement variables. Ayant analysé les stocks locaux au sein de bassins versants et entre bassins versants différents, il a trouvé que cette variabilité existait dans les deux cas. Mais malgré cette irrégularité, il a été possible de distinguer des gammes de stockage bien définies pour les quatre facies, ce qui indique que les processus de stockage sont différents en fonction de ces quatre zones. Le chenal principal est le facies stockant le moins de particules fines (contrainte de cisaillement trop forte). Les bancs non végétalisés ont un stockage un peu meilleur, mais pas significativement statistiquement. Le stockage est nettement plus important dans les chenaux secondaires et encore plus sur les bancs végétalisés. Pour les trois facies secs (tous sauf le chenal principal), les stocks de subsurface étaient généralement supérieurs aux stocks de surface. Il semblerait ainsi que la remobilisation des stocks de subsurface soit contrôlée par la mobilité de la couche armurée, spécialement pour les bancs de galets. Sans considérer les facies, 75 % des mesures ont montré des stocks plus élevés en subsurface qu’en surface. En conclusion, une part importante du stock est contrôlée par la mobilité de la couche armurée peu mobile, ce qui est particulièrement vrai pour les bancs (Misset, 2021). Il est possible que les bancs de galets et les chenaux secondaires soient submergés suffisamment souvent pour que les stocks de surface soient remobilisés fréquemment et que la végétation ne puisse se développer. Les facies secs, quant à eux, contribuent à stocker et relarguer des particules sur de courtes échelles temporelles (Misset, 2021). Le stockage et la remobilisation des fines de la surface peuvent être plus fréquents et principalement contrôlés par la submersion durant des épisodes de ruissellement, alors que la remobilisation des sédiments de la subsurface est plutôt contrôlée par la mobilisation de la matrice. Il convient de garder à l’esprit que le système de stockage est susceptible d’évoluer au cours du temps et que les processus de stockage dépendent fortement de l’hydraulique et de la configuration du lit (Misset, 2021).
Chasses hydrauliques
Afin de maintenir la capacité de stockage des réservoirs existants, les trois barrages présents sur l’Arc subissent simultanément chaque année au mois de juin une chasse hydraulique. Ce processus consiste à ouvrir les vannes de sortie du barrage pour produire des écoulements à des vitesses suffisantes pour évacuer les sédiments accumulés dans le réservoir (Antoine et al., 2020). Ces chasses peuvent avoir un impact significatif sur la morphologie et l’écologie de la partie aval de la rivière. C’est pourquoi EDF réalise depuis plus de dix ans des mesures de concentrations en MES, de débit et de topographie du lit le long du système Arc-Isère, afin d’estimer l’efficacité des chasses hydrauliques (par le biais d’une estimation des volumes remobilisés) mais aussi l’impact de ces évènements sur le lit de la rivière en aval des barrages. Le suivi des MES permet ainsi d’étudier et de prévoir les éventuels impacts des chasses, qui, comme détaillé précédemment, peuvent être soit des risques accrus d’inondation suite à des dépôts de ces sédiments fins sur des bancs, qui peuvent conduire à un établissement pérenne de la végétation, soit des problématiques touchant plus aux polluants transportés lors de ces chasses (Antoine et al., 2020). Les chasses des trois barrages présentent le même hydrogramme de projet, et l’évènement se déroule de la même façon chaque année : une première vague d’avertissement par sécurité et pour la faune (20 m3/s), une phase d’évacuation (90 m3/s), l’eau est prodiguée par de plus grands réservoirs en amont pour maintenir le débit et même l’augmenter à sa valeur maximale (130 à 150 m3/s soit une crue annuelle), et enfin un retour au niveau d’eau normal. Cette opération dure généralement 12h. Elle est annulée si une crue significative se produit dans les mois précédents, ce qui a été le cas en 2008. L’apport total en sédiments par les barrages varie de 12 000 tonnes en 2007 à 52 000 tonnes en 2012 (Antoine et al., 2020). Ces variations s’expliquent par la variabilité des apports de l’amont du bassinversant et par les opérations d’entretien du barrage pendant l’année. Il convient de noter que la masse de sédiments transportés pendant une chasse ne représente pas plus de 5 % de la masse des flux annuels de MES transitant à Grenoble. De plus, lors de ces chasses, les flux de MES provenant des affluents sont négligeables par rapport au flux total, et n’ont qu’un effet de dilution (Antoine et al., 2020). Les résultats d’Antoine et al. (2020) montrent l’importance de la dynamique des MES avant l’évènement de chasse, car la distribution spatiale des dépôts de sédiments affecte fortement leur potentielle remobilisation pendant celle-ci. Le stock initial en sédiments fins et la géométrie de la rivière a donc un grand effet sur le flux de sédiments relargué par l’ouverture des barrages.
Mesures de stocks en sédiments fins
Des mesures granulométriques ont été effectuées sur des bancs de l’Arc et de l’Isère dans le cadre de la thèse de Junjian Deng. Le protocole de mesures granulométriques repose sur un protocole introduit par Navratil et al. (2010) et Misset (2019), qui était plus rapide mais ne prenait en compte que l’argile et le limon. Le nouveau protocole utilisé est donc optimisé pour prendre en compte la fraction sableuse. Cette approche est plus longue (environ 1h par mesure) ; un banc de graviers ne pourra donc être décrit que par 2 à 4 placettes dans cet objectif d’une vision spatiale sur l’ensemble du système Arc-Isère. L’idée est d’échantillonner une surface représentative d’une zone d’un banc de galets (tête de banc, chenal secondaire, zone végétalisée, etc.). Tout d’abord, il faut définir une zone d’échantillonnage. Puis poser le cadre en bois (placette) (30 cm × 30 cm, soit de surface Ap = 0,09 m2) sur cette zone (Figure 5a), la localiser au GPS. Ensuite, creuser la première couche (couche de surface) avec une pelle en collectant tous les sédiments ; cette couche doit correspondre à une couche de sédiments facilement mobilisables ; l’épaisseur H1 mesurée à partir de la base du cadre (valeur moyenne sur plusieurs points) doit être de l’ordre du D90 des sédiments. Puis la seconde couche (couche de subsurface) avec une pelle en collectant tous les sédiments ; l’épaisseur Hb = H2 − H1 mesurée à partir de la base du cadre (valeur moyenne sur plusieurs points pour H2) doit être aussi de l’ordre du D90 des sédiments. Le tamisage (Figure 5b) est aussi réalisé sur site afin d’optimiser la mesure et limiter le nombre d’échantillons à ramener pour une analyse de laboratoire. Quatre tamis sont utilisés (5 mm, 2 mm,500 μm et 100 μm). La première étape consiste à positionner la colonne de tamis sur un grand récipient vide et propre avec un support. Puis il faut tamiser l’ensemble de l’échantillon en versant une quantité connue d’eau Vs/b (l’indice s ou b indique un échantillon de surface ou subsurface). Les masses des refus à 5 mm (grossiers) et 2 mm (graviers fins) sont mesurés sur place avec une balance de terrain et les refus à 500 μm (sables grossiers) et 100 μm (sables fins) sont récoltés délicatement (utilisation d’une brosse souple) dans des sacs plastiques (ou récipient) pour une mesure de la masse sèche en laboratoire après séchage à 105°C. Après avoir remis en suspension tous les sédiments fins (passant à 100 μm) du récipient, un flacon de 500 ml est rempli rapidement. La concentration Cs/b, fines sera mesurée en laboratoire a posteriori. En 2020, ces mesures s’étalent du 29/06 au 03/07 et du 17 au 21/08. 14 bancs ont ainsi été étudiés en 2020, 6 sur l’Arc et 8 sur l’Isère. Un seul banc a été zoné avec un GPS (zone d’étiage, zone végétalisée, amont/aval). En 2021, lors de ce stage, de nouvelles campagnes de mesures ont été réalisées : le 16/03 et le 14-15/04 ainsi qu’une semaine du 02 au 06/08. Les zonages GPS ont cette fois été réalisés pour chacun des bancs pour améliorer la représentation spatiale des placettes (Figure 5c), de façon à définir des zones homogènes sur les bancs, et également de recueillir la ligne d’eau le long du banc qui permettra plus tard de vérifier les résultats obtenus lors du stage. De plus, sur la partie supérieure végétalisée des bancs, l’épaisseur de dépôt a été estimée en des endroits aléatoires afin de pouvoir par la suite effectuer des statistiques.
Détermination d’une méthode d’interpolation des données
Une fois les simulations hydrauliques effectuées sous MAGE, il convient de spatialiser les résultats sur SIG. Pour ce faire, le logiciel choisi est ArcMap 10.6, car il contient plus de fonctionnalités que QGIS. Avant de traiter les données de ligne d’eau issues de MAGE, il convient de déterminer une méthode efficace et correcte permettant à terme de connaitre la surface et le volume des bancs en fonction du débit. Ainsi, une première simulation test à un débit de 50 m3 /s a été réalisée. Les résultats de la modélisation sur MAGE ont été extraits depuis un fichier contenant de nombreuses informations mais surtout ce qui nous intéresse : la ligne d’eau de l’amont à l’aval. Plus précisément, il y a une valeur de côte (Z) attribuée à chaque profil. La géométrie de chaque bief a également été exportée (elle reste inchangée peu importe la simulation). Les fichiers contenant cette géométrie comportent la latitude et la longitude (XY) ainsi que la côte du fond. Il convient donc d’attribuer à ces points XY le Z de la ligne d’eau du fichier résultat. Un fichier texte contenant la ligne d’eau simulée pour ce débit et les coordonnées XY (contenues dans la géométrie du modèle) du tronçon étudié a ainsi été créé par le biais d’un programme Python. Il est ensuite possible d’utiliser les fichiers .txt sous ArcGIS en les important en créant une classe d’entités à partir de XYZ. Cela crée un nuage de points. Plusieurs tests d’interpolation de ce nuage de points ont été réalisés afin de voir quels outils peuvent permettre une bonne interpolation. L’outil « Voisin naturel » s’est avéré intéressant. Cet outil d’interpolation recherche le sous-ensemble d’échantillons en entrée le plus proche d’un point désigné et lui applique une pondération sur la base de surfaces proportionnelles. Il s’appuie sur l’utilisation du diagramme de Voronoï. Afin de connaitre les surfaces exondées ou non, il est ensuite possible d’effectuer une simple soustraction entre cette interpolation et le MNT. Si le raster résultant de cette soustraction donne des valeurs négatives, cela veut dire que le MNT est plus élevé que la ligne d’eau, et donc que le secteur est exondé.
Calcul des surfaces et volumes exondés
Par la suite, il convient de trouver une méthode pour calculer la surface exondée des bancs pour chacun des débits, et à terme leur volume. Un outil a été trouvé. Il s’agit de l’outil Surface-Volume (3D Analyst – Surface Fonctionnelle) de la boite à outils ArcGIS. Il est possible d’y spécifier la hauteur du plan, ici 0, avec un facteur Z de 1, et si l’on veut la surface et le volume en dessous ou au-dessus de ce plan. Ici on choisit BELOW car le raster de soustraction entre XYZ de la ligne d’eau et le MNT est négatif si la ligne d’eau est inférieure au MNT donc si la surface est exondée. Cet outil donne en résultat un fichier texte indiquant la surface (en m2) et le volume (en m3) exondés (la vérification de l’outil a été effectuée en calculant manuellement la surface d’un banc sur la carte). Néanmoins, avant de pouvoir utiliser cet outil pour calculer la surface d’un banc, il convient de créer un polygone englobant le banc mais excluant les berges et de découper le raster de soustraction entre la ligne d’eau et le MNT en fonction de ce polygone. Cette étape est très chronophage si elle doit être réalisée pour chaque banc et chaque simulation. Il convient donc de trouver une solution pour automatiser un minimum la manœuvre. L’idée retenue, plutôt que d’analyser chacun des bancs un à un, a été de créer des secteurs de 100 m (unités) compris entre les lignes des berges grâce à l’outil segmentation de la boite à outils Fluvial corridor. Le raster de soustraction est ensuite fractionné selon ces unités de 100 m. Puis, un model builder est créé afin d’automatiser l’outil Surface-Volume sur l’ensemble des rasters. Cela donne en sortie un fichier texte avec une ligne correspondant à chaque raster avec surface et volume exondé. Avant d’appliquer cette méthode sur les lignes d’eau issues des simulations hydrauliques pour différents débits, afin d’obtenir des stocks potentiels, il est intéressant et important de connaitre le volume des bancs sur la base de l’étiage sévère. C’est pourquoi le volume exondé a été calculé sur la base de la ligne d’eau du Lidar, ce qui donnera un stock brut de référence. Pour cela, la première étape consiste en la création des lignes de berges rive droite et rive gauche sur l’entièreté du système Arc-Isère (par expertise vis-à-vis du MNT et visualisation simultanée sur Géoportail). La problématique de délimitation de ces lignes est très importante, c’est pourquoi elles pourront être affinées par la suite après un premier essai et visualisation des résultats, notamment s’il existe des problèmes au niveau des volumes, qui indiqueraient une prise en compte de berges au lieu de bancs, par exemple. Ensuite, la ligne d’eau du Lidar, c’est-à-dire la partie la plus profonde le long du MNT, a été extraite avant d’être affectée aux points de géométrie grâce à un programme Python et d’être importée en tant que classe d’entité sous ArcGIS. Cette ligne d’eau a alors été interpolée en un raster avec l’outil « Voisin Naturel », puis soustraite avec le MNT (même méthode que pour les données XYZ en sortie de MAGE). La soustraction a ensuite été fractionnée selon les unités de 100 m puis l’outil Surface-Volume appliqué à tous les rasters découpés. Le fichier texte en sortie permet la création d’un graphe représentant le volume exondé en fonction du PK. Ce graphe a permis de repérer des valeurs extrêmes indiquant possiblement une erreur dans la caractérisation des bancs, et donc de modifier les lignes des berges après une analyse plus pointue de ces endroits. Puis, afin d’affiner encore la précision du tracé, l’élévation des berges en rive gauche et rive droite a été comparée. Une valeur seuil de 3 m de différence a été choisie pour définir un écart trop important qui nécessite de s’intéresser au secteur et d’y modifier le tracé des lignes de berge. La différence avec la hauteur de la ligne d’eau a aussi été calculée, car il est possible que la hauteur des points correspondant aux lignes de berge soit cohérente mais que les deux berges soient toutes deux situées trop haut. Sachant que 180 points avaient une différence supérieure à 3 m entre rive gauche et rive droite, et que 272 points avaient cette même différence entre berge et ligne d’eau, l’entièreté de ces points a été vérifié manuellement. Les lignes de berge ont ainsi pu être légèrement décalées car empiétant sur le haut de la berge, ou ont pu être conservées telles quelles si la différence d’élévation était explicable par la présence d’un banc végétalisé par exemple. Les secteurs comprenant des bancs végétalisés augmentant significativement le volume mais ne possédant pas de stocks remobilisables, ont été notés. Après ces parties de vérification et de modification, il a été possible de recommencer les étapes de segmentation, de fractionnement et de calcul des volumes, à partir de limites de berges corrigées.
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Table des matières
1. Introduction
1.1. Problématiques liées aux sédiments fins
1.2. Matières en suspension (MES)
1.3. Stocks de sédiments
1.4. Contexte et objectifs du stage
2. Présentation du site Arc-Isère
2.1. Présentation générale
2.2. Chasses hydrauliques
2.3. Mesures de stocks en sédiments fins
3. Matériel et méthode
3.1. Modélisation hydraulique unidimensionnelle
3.1.1. Code de calcul
3.1.2. Calcul de contrainte et transport solide
3.1.3. Modèle hydraulique de l’Arc et de l’Isère
3.1.4. Détermination des débits à entrer dans le modèle hydraulique
3.2. Traitement SIG (Système d’Information Géographique)
3.2.1. Modèles numériques de terrain
3.2.2. Détermination d’une méthode d’interpolation des données
3.2.3. Calcul des surfaces et volumes exondés
4. Résultats et discussion
4.1. Découpage en tronçons homogènes
4.2. Surfaces et volumes exondés
4.2.1. Par unités de 100 m
4.2.2. Par tronçons homogènes
4.2.3. Par bancs
4.3. Calcul de transport solide et des stocks potentiellement remobilisables
5. Conclusion
Bibliographie
ANNEXES
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