Depuis toujours, l’homme
s’installe à proximité des cours d’eau
pour des besoins vitaux, ressource
en eau, commerce, énergie. Cette proximité des
installations anthropiques avec le cours d’eau entraine une vulnérabilité des populations face aux crues, mais également face aux pollutions d’origines industrielles,
principalement depuis la fin du XIXe siècle. Afin de palier au risque
inondation, des aménagements sont
mis en place pour protéger les biens et les personnes sur le Rhône depuis le
XIIe siècle. Ces aménagements couplés aux variations globales de
l’hydrosystème (variations climatiques, aménagement du bassin versant) ont provoqué
la morphogenèse des systèmes fluviaux.
Dans les milieux anthropisés, les hydrosystèmes actuels ne sont plus que
des systèmes alluviaux « artificialisés », ayant enregistré la pression
anthropique et les variations
du changement global.
La
recherche sur les hydrosystèmes continentaux anthropisés est donc une
nécessité, pour deux raisons principales :
·
L’étude pluridisciplinaire de l’évolution des hydrosystèmes
est un indicateur des rapports
qu’entretiennent les sociétés au
cours du temps avec le système alluvial,
notamment concernant la gestion du
risque, et d’analyser comment l’hydrosystème
et sa gestion, ont évolué.
·
L’étude des aménagements éclaire sur les impacts
parfois irréversibles qu’ils génèrent sur le fonctionnement des cours d’eau, pouvant
entrainer un risque pour les populations actuelles (inondation,
stockage de sédiments pollués …) ou pour l’équilibre
écologique des milieux.
C’est avec
un regard de géographe physicien que, depuis ma maîtrise, je réalise des
recherches sur les hydrosystèmes fluviaux à partir de cet état de fait. Elles
reposent sur deux axes principaux : l’analyse
de l’évolution géomorphologique des milieux fluviaux et la quantification des flux solides
actuels en transit dans les grands fleuves. C’est à partir de ces axes de recherche
que j’ai étudié les interactions entre l’homme et le cours d’eau,
principalement sur le Rhône, mais aussi sur le Danube. Il en ressort 5 thèmes
de recherche qui apparaissent dans la figure ci-dessous où s’inscrivent mes
travaux scientifiques : Anthropisation du fleuve, Géoarchéologie, Risque
inondation, Flux de matières en suspension et Quantification de la charge de
fond.
Figure 1 : Organisation thématique de
ma recherche depuis la maitrise
Mes recherches se déroulent
dans trois unités temporelles différentes mais qui s’interconnectent entre elles
afin de fournir des réponses aux différentes questions scientifiques auxquelles
elles correspondent.
Le fonctionnement fluvial depuis 2 000 ans. Une des
problématiques archéologiques actuelles est d’appréhender comment les sociétés anciennes interagissaient avec
les grands organismes fluviaux à
proximité desquels elles s’installaient. Quels étaient les points
d’implantations anthropique à proximité du cours d’eau, comment s’effectués la traversée du fleuve ou comment les
populations géraient le risque
inondation. L’étude de sites archéologiques par une approche géomorphologique
dans le delta du Rhône et sur le linéaire fluvial permet d’alimenter la
réflexion
L’évolution récente. A partir du milieu du XIXe siècle, les sociétés cherchent à
domestiquer les cours d’eau. Sur le Rhône, cela se traduit par des aménagements qui modifient la géométrie du chenal et donc son fonctionnement, induisant
la simplification du lit mineur et la sédimentation sur les berges. La
compréhension des mécanismes morphologiques engendrés par ces aménagements est
une nécessité pour apporter des réponses claires aux gestionnaires sur l’évolution de l’aléa inondation dans un
milieu artificialisé, la définition d’un état
de référence des cours d’eau, la restauration d’espace de liberté, comme
mentionné dans la Directive Cadre sur l’Eau, ou la renaturation d’espaces
soustraits au fleuve, dans le cadre du Plan Quadriennal de Gestion du Rhône.
Le fonctionnement instantané. Les milieux alluviaux, comme le Rhône,
subissent encore l’impact de plusieurs
siècles d’aménagements. L’analyse des flux
en transit permet d’apporter des réponses sur les contraintes que génèrent encore ces aménagements sur la circulation des sédiments dans le milieu. Cette question recoupe les
problématiques précédentes, en y ajoutant la question des flux de sédiments pollués et du risque encouru par les populations
vis-à-vis des éléments traces potentiellement contaminant (PCB, radionucléides,
métaux lourds…), mais également dans les problématiques d’apports de matériaux
aux embouchures dans la compréhension des mécanismes d’érosion du trait de
côte.
L’étude géomorphologique
des milieux alluviaux a un intérêt double pour les géomorphologues. Dans un
premier temps la morphogenèse est un enregistrement
des modifications des contraintes qui régissent le cours d’eau. Ces
contraintes peuvent être de trois ordres : structurales, due aux
variations à l’échelle du bassin (pression anthropique, changement climatique)
ou encore d’un aménagement anthropique local. La géomorphologie va donc
permettre d’étudier l’impact de l’anthropisation sur le fonctionnement des
cours d’eau. D’un autre côté, et réciproquement, elle va permettre de
comprendre les relations
qu’entretiennent les sociétés
actuelles ou passées avec le cours d’eau,
notamment face au risque inondation.
Thème 1 : Impact de l’anthropisation récente
L’impact de l’anthropisation sur le fonctionnement du
système fluvial Rhodanien depuis 150 ans est le sujet principal que j’ai
exploré au cours de ma thèse, avec comme site d’étude le Rhône en aval de
Beaucaire.
En me basant sur des recherches d’archives et en utilisant
les SIG, j’ai dans un premier temps
constitué un SIG diachronique de l’évolution
de l’occupation du sol et de la chronologie
des aménagements depuis le milieu du XIXe siècle (Figure 3).
Le croisement de ces données avec les informations sur l’évolution des forçages externes (déprise rurale, changement
climatique…) m’ont permis de montrer la simplification
du fleuve, passant d’un système en tresse au milieu du XIXe
siècle à un chenal unique à l’heure actuelle, et de caractériser des forçages anthropiques sur les différents
compartiments du système fluvial rhodanien aval comme le présente le tableau
ci-dessous,
Type de forçage
|
Période de forte influence sur l’environnement
|
Conséquences sur le débit solide
|
Compartiment
influencé
|
||
Charge en suspension
|
Charge de fond
|
Influence directe
|
Influence indirecte
|
||
Digues sub- et insubmersibles
|
D’avant 1850 à après 1990
|
î
|
ì
|
1-2-3
|
4-6
|
Pression agricole
|
Jusqu’en 1850
|
ì
|
ì
|
1-2-3
|
4-6
|
Endiguement Embouchure
|
De 1850 à 1960
|
Û
|
ì
|
4
|
5-6
|
Reboisement RTM et spontané
|
De 1850 à après 1990
|
î
|
î
|
1-2-3
|
4-6
|
Casiers « Girardon »
|
De 1850 à après 1990
|
î
|
Û
|
2-3
|
4-6
|
Extraction
|
De 1960 à 1990
|
Û
|
î
|
3
|
4-5-6
|
Barrages
|
De 1960 à 1990
|
î
|
Û
|
1-2-3
|
4-5-6
|
Aménagements de défense côtière
|
Après 1960
|
5
|
4-6
|
||
Figure 2 : Chronologie des principaux
forçages anthropiques influençant les apports sédimentaires sur le Rhône aval (Maillet et al., 2007)
Une fois la spatialisation effectuée dans le SIG
diachronique (Figure
3),
j’ai cherché à quantifier les volumes
mis en jeu par la métamorphose du système fluvial. A partir de données
bathymétriques, de lignes d’eau et de topographie dans la plaine alluviale,
j’ai développé une méthode inédite
permettant de reconstruire la paléo-topographie du chenal et de la plaine
dans un système de projection verticale commun. Cette méthode permet d’intégrer les berges dans les études
d’évolution du milieu, qui jusqu’à présent se concentraient sur le chenal ou
sur la plaine alluviale. J’ai construit un Modèle Numérique de Terrain (MNT) du
système fluvial rhodanien entre Beaucaire et Arles en 1876, que j’ai comparé
avec le MNT de 2008. Les résultats montrent une érosion de 17.0 106
m3 en 150 ans, localisée principalement dans le chenal et des dépôts
sédimentaires de 27.1 106 m3 dans les bras secondaires et
sur les berges. L’importance de ces dépôts montre l’intérêt de développer la
méthode d’homogénéisation des projections verticales qui intègre ces derniers.
J’ai pu continuer ces travaux de recherche dans le cadre de
mon contrat de Post-doc AXELERA en
intégrant des MNT du système fluvial de 1950 et de 1988 dans le modèle
d’évolution (Figure
3). Il en ressort, que la majeure partie du colmatage des bras secondaires s’est
effectuée dès la mise en place des
aménagements de fermeture de ces bras et que les berges s’engraissent plutôt depuis
les années 1950. Ces résultats ont été validés et affinés localement par des analyses spatiales à des échelles
spatio-temporelles plus fines et par des analyses
de terrain multi-proxies en
collaboration avec l’IRSN DEI SESURE pour la partie radionucléides
et l’IMEP
UMR 6116 pour
la partie dendrochronologie, notamment sur une coupe sédimentaire à l’entrée de
la lône du Pillet (localisée sur la Figure 3).
Les gestionnaires du fleuve (Compagnie Nationale du Rhône, Syndicat de gestion des digues(Symadrem)) sont
demandeurs de ce type de résultats qui leurs permettent de cibler les actions à
entreprendre dans l’aménagement du fleuve pour lutter contre le risque inondation
(Plan Rhône 2007-2013), de connaitre les stocks potentiels de sédiments pollués
dans le système (Agence de l’eau RMC, Compagnie Nationale du Rhône)
et d’apporter une information quantifiée sur le rapport entre le stockage
sédimentaire sur les berges et les déficits sédimentaires à l’embouchure du
Rhône (Agence de l’eau).
Cette thématique de recherche a
fait l’objet d’un chapitre de livre
sur l’erreur potentielle d’intégration des cartes anciennes dans les SIG (Raccasi
et al., 2008), d’un article sur les résultats du SIG diachronique (Raccasi
and Provansal, 2006; Provansal et al., 2009)
et d’un article et d’un chapitre de
livre sur l’impact des aménagements sur le milieu (Maillet
et al., 2007).
L’étude de l’évolution quantifiée et de la méthode mise en place pour
reconstruire les MNT intégrant les berges fait l’objet d’un article en préparation et l’étude multi-proxies d’une coupe à fait
l’objet d’une publication (Provansal
et al., 2010).
Figure 3 Evolution de l'Ile du Pillet depuis
1876. Les cartes d’occupation du sol (en haut (1876 et 2008) montrent
l’évolution du système fluvial et les aménagements mis en place. En bas les 3
cartes montrent l’évolution topographique du système depuis 1876.
Thème 2 : Relations anciennes entre l’homme et le fleuve
La géomorphologie appliquée à l’archéologie a été mon
premier thème de recherche. Au cours de ma maîtrise et de mon DEA, les
géomorphologues du CEREGE UMR 6635 m’ont offert
l’opportunité de travailler en paléo-géomorphologie sur des sites
archéologiques de Camargue en collaboration avec le CEPAM UMR 6130
et la Fondation Tour du Valat. L’objectif de cette
recherche était de mettre en évidence la présence
d’un paléo-chenal du Rhône à proximité
d’un site archéologique. A partir
d’une approche multi proxies,
exploitant les outils classiques de la géomorphologie de terrain (ouverture de
coupes, carottages, sédimentologie), la géomatique (SIG, télédétection) et les
informations fournies par les archéologues, j’ai pu localiser et déterminer avec précision les caractéristiques du paléo-Rhône d’Ulmet sur le site
Archéologique du grand Parc. J’ai également pu à partir de cette recherche identifier et dater le fonctionnement des bras fossiles du Rhône d’Ulmet depuis le V°
siècle av. J.-C. jusqu’à son colmatage en 1440 (Figure 4).
Figure 4 : Cartographie des divagations
du Rhône d'Ulmet Effectuée par une approche multi-proxies à partir de
carottages, analyses spatiale, données archéologiques (in Vella et al., 2005)
|
Plus récemment mes recherches
en géo-archéologie se concentrent sur le Rhône
dans la traversée d’Arles au cours
de l’Antiquité romaine. J’ai ainsi participé à la fouille du pont de bateau romain pour apporter une
expertise géomorphologique à la question du positionnement du pont par rapport
au fleuve, dont les conclusions font l’objet d’un chapitre du volume de l’exposition « César et le Rhône »
au Musée de l’Arles Antique (Bizot et
al., 2009).
J’ai également effectué des
recherches sur le potentiel
archéologique dans le Rhône en amont d’Arles à partir d’archives cartographiques anciennes et
de télédétection haute résolution
(sonar latéral, bathymétrie), qui font l’objet de deux rapports remis à la Compagnie Nationale du Rhône.
Ces recherches archéologiques dans la ville d’Arles
apportent des éléments d’interprétations supplémentaires sur la géomorphologie du Rhône à l’époque romaine.
Elles devront être poursuivies pour analyser le niveau de protection des
populations face au risque inondation, en modélisant les hauteurs d’eau dans le
chenal romain.
Thème 3 : Risque inondation
Figure 5 : Evolution de la ligne
d'eau de Beaucaire à Arles entre 1876 (11 640 m3 s-1)
et 2003 (11 500 m3 s-1)
|
Au
cours de mon post doc AXELERA, j’ai affiné la chronologie de la
sédimentation en intégrant des données topographiques des années 1950 et 1980. Il en ressort que la majeure partie de ces accumulations est
localisée dans les chenaux secondaires
avant les années 1950, puis sur les berges à partir de cette date. Ces résultats fournissent
aux aménageurs des informations sur les secteurs où la remobilisation
sédimentaire doit être mise en œuvre pour abaisser la ligne d’eau en cas de
crue.
Mes objectifs de recherche dans cet axe sont liés aux
bilans sédimentaires mis en évidence dans le thème 2 de l’axe 1, avec la
question suivante : le système fluvial est il toujours soumit à des processus d’accrétion/érosion ? La
spatialisation et la quantification des
flux solides pourraient permettre de répondre en partie à cette question.
De plus depuis l’industrialisation
du bassin versant, des éléments traces potentiellement contaminants (PCB,
radionucléides, minéraux lourd…) polluent les sédiments : une meilleure connaissance des volumes en
transit et des zones en accrétion/érosion apportera des informations cruciales
dans la gestion des milieux
alluviaux au regard de ce risque de
pollution.
Thème 4 : Flux des matières en suspension
Ces travaux ont été engagés au cours de ma thèse et se sont
poursuivi dans le cadre de mon post-doc AXELERA.
L’objectif était ici de mesurer l’impact des aménagements fluviaux sur les flux
de matières en suspension.
J’ai effectué des mesures par profileur de courant à
effet Doppler (aDcp) dans les aménagements. Une partie de
mon travail a consisté dans la calibration
de l’intensité de rétro-diffusion du signal pour obtenir une quantification du flux solide à l’aide
du logiciel Sediview, qui a subi une batterie de tests pour validation. Afin
d’obtenir un maximum de données pour analyser le transport solide j’ai organisé
en 2006 la première « régate »
multi aDcp en France, avec la Compagnie Nationale du Rhône et le Cemagref laboratoire HH. Ce concept de « régate »
a ensuite été repris au sein du Groupe Doppler
pour la validation des mesures par aDcp.
Figure 6 : Méthode de calibration de
l'intensité de la rétrodiffusion pour obtenir des flux de MES. Les profils
acquis par aDcp sont corrélés dans le logiciel Sediview pour obtenir une image
de la répartition des débits solides sur la section instrumentée. La
calibration a permis de quantifier la séparation des flux solides au niveau de
la diffluence entre Grand et Petit Rhône. (Raccasi et al., 2007)
L’interprétation des résultats
m’a permis de démontrer que La répartition
des matières en suspension entre le Grand et le Petit Rhône est similaire à la
réparation des flux liquides (donnée inédite) et que l’aménagement de la diffluence deltaïque joue un rôle de premier
plan dans les problèmes de colmatage à
l’entrée du Petit Rhône. J’ai également montré la spécificité des aménagements du Rhône aval dans le piégeage
sédimentaire. Au cours de mon contrat post-doc AXELERA, j’ai continué ces travaux sur le Rhône pour montrer les disfonctionnements de la réouverture d’un
chenal secondaire, dans le cadre des programmes de renaturation des marges
alluviales.
Je
me suis également impliqué dans la recherche sur le fonctionnement hydrosédimentaire
du delta du Danube, grâce au
programme Brancusi avec le
laboratoire Géoécomar. J’ai étudié
l’impact du recoupement des méandres
du bras de Saint Georges, destiné à faciliter la navigation, sur la répartirion des flux de matières en
suspension entre l’ancien et le nouveau bras, par mesure aDcp. Ces travaux ont confirmé
par des mesures en flux le colmatage de
certains méandres suite à l’aménagement (Figure 7).
La validation de la
calibration de l’aDcp par Sediview a fait l’objet d’une communication à la Société Hydrotechnique de France dont les actes ont été publiés en 2007 (Raccasi et al., 2007). Les travaux sur le Danube ont eux été publiés dans Géomorphology (Jugaru Tiron et al., 2009).
Figure 7 : Analyse des flux au niveau
d’un recoupement de méandre sur le bras de Saint George (Delta du Danube,
Roumanie). Mise en évidence du colmatage du bras court-circuité par un modèle
en boite à partir de la calibration sous Sediview de mesures aDcp pendant une
crue centennale. (Jugaru
Tiron et al., 2009)
Thème 5 : Quantification de la charge de fond
Au cours de ma thèse, les
résultats obtenus sur la géométrie du Rhône entre Beaucaire et Arles au milieu
du XIXe (cf. thème 2) m’ont permis de modéliser avec le logiciel SAMWin la capacité de transport de la charge de fond dans le chenal à cette
période (1876) et en 2006. L’analyse des résultats montre
une évolution spatiale de la capacité de
transport sur le linéaire entre ces deux dates avec une capacité de
transport maximale au PK 276, puis une diminution vers la diffluence (Arles). Globalement,
le chenal a une capacité de transport
plus importante aujourd’hui qu’il y
a 150 ans. Il est donc possible d’en déduire que les aménagements et le changement
global (évolution de l’occupation du sol sur le bassin versant et variation
climatique) ont permis une modification de la géométrie du lit favorisant son
enfocement par érosion du plancher alluvial.
Le maintien de la profondeur
du chenal est à l’heure actuelle une nécessité économique pour la navigation.
La renaturation des espaces rivulaires par la modification de certains
aménagements du XIXe siècle, devra prendre soin de ne pas provoquer
un abaissement de la capacité de transport, au risque de voir diminuer le
tirant d’eau.
Figure 8 : Modélisation de la
capacité de transport du Rhône entre Beaucaire et Arles sur 5 profils en
1876 et 2006. En 1876, seul le profil 276 peut engendrer un déplacement de
la charge de fond (Raccasi,
2008)
|
Figure 9 : Différentiel entre les modèles
numériques de terrain du fond du chenal encadrant une période d’étiage (à
gauche) et une crue (à droite). Au cours de l’étiage le fond du chenal est
stable, alors qu’après le passage de la crue, l’alternance de bandes
perpendiculaires au chenal, en érosion (rouge) et en accumulation (vert),
montre le déplacement des dunes hydrauliques. (Raccasi et al., Soumis-b)
Conclusion
Ma recherche montre que la compréhension de l’évolution des cours d’eau et de la dynamique actuelle du transport solide, même si elles sont
abordées indépendemment l’une de l’autre, sont fortement corrélées. En effet, l’organisation
des flux solides va dépendre des contraintes
imposées au milieu fluvial le plus souvent par les aménagements, et la réaction du cours d’eau à ces aménagements va
être fonction de la disponibilité de matériaux dans le flux du cours d’eau.
A partir des études que j’ai
menées jusqu’à présent sur le Rhône, j’ai pu montrer l’impact des aménagements récents sur le fonctionnement du fleuve
et quantifier les volumes sédimentaires
mis en jeu par ces aménagements et encore en transit dans le Rhône aval. Mais
ces études restent très localisées et afin de valider les méthodes inovantes que j’ai développées (reconstruction
topographique des espaces fluviaux ancien, quantification du flux solide par
profileur de courant) et afin de mieux comprendre les processus qui régissent
le fonctionnement du Rhône à l’échelle
du Bassin versant et de ses relations
avec les sociétés passées, il est
nécessaire de projeter ces travaux sur l’ensemble
du corridor fluvial depuis Genève jusqu’à la mer dans un premier temps
avant de chercher à les valider sur d’autres
grands organismes fluviaux anthropisés comme le Rhin le Danube ou le Pô.
J’ai également noué des
partenariats dans des champs plus ou moins éloignés de mon thème de recherche
principal, sur des problématiques d’érosion
littorale en Méditerranée (avec mes collègues du CEREGE UMR 6635) ou
encore une thématique écologique
dans le cadre des changements globaux
avec l’étude sous SIG de l’évolution de l’aire de répartition d’Aedes caspius inféodée aux variations
de la limite du climat méditerranéen (avec les scientifique de l’IMEP UMR 6116 et de la Tour du Valat).
Mon activité ne se limite pas à des travaux de recherche,
mais consiste également à une participation active à la formation d’étudiants par des charges d’enseignement et le co-encadrement
de travaux de Master. Je collabore aussi activement au montage et à la gestion de
projets avec les laboratoires auxquels je suis associé, dont la
programmation de colloques scientifiques
(excursion du meeting Large River de l’IAG en 2007, l’organisation des Journées
des Jeunes Géomorphologues en 2011, le montage de l’ANR PAVAGE sur le Pont d’Avignon,
et du projet Axelera dans le pôle de compétitivité Chimie Environnement). Je
suis également de par mes sujet d’étude et ma volonté en relation étroite avec les
gestionnaires (Syndicat de gestion de
digue (Symadrem), Compagnie Nationale du Rhône, service environnement de la région PACA…) et les bureaux d’études pour lesquels
j’effectue des études appliquées (Sogreah, Ginger, Sce…).
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