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Depuis plusieurs siècles, de nombreux seuils et barrages sont implantés sur les cours d’eau. Leurs impacts sur les migrations et les déplacements des poissons sont relativement bien connus, mais les perturbations de ces ouvrages dits transversaux sur les équilibres morphologiques des rivières sont plus complexes à appréhender et à apprécier. Essayons d’y voir plus clair…

Par Sylvain Richard et Guy Périat

L’énergie fournie par la force hydraulique des cours d’eau a de tout temps intéressé les hommes. Dès le Moyen Age, la puissance motrice de l’eau a été utilisée pour faire fonctionner des moulins ou de petites industries, en dérivant une partie des eaux des rivières grâce à la construction de seuils de taille modeste. Avec l’apparition de la fée électricité et l’industrialisation croissante du début du XXe siècle, les turbines ont progressivement remplacé les grandes roues des moulins et, à partir de 1945, l’édification de grands barrages a permi, en noyant les vallées, de stocker l’eau et de constituer des réservoirs d’or blanc, permettant de faire tourner des centrales hydroélectriques en s’affranchissant des variations de débits de la rivière.
Mais les seuils et barrages ne sont pas construits uniquement à des fins de production d’énergie: vannages pour l’irrigation ou le flottage du bois, barrages pour la lutte contre les inondations ou l’alimentation en eau potable, seuils de stabilisation pour lutter contre l’érosion après recalibrage…, en matière d’aménagements, le génie rural fait preuve d’une imagination débordante! Le recensement des ouvrages transversaux en cours, effectué par l’Office national de l’eau et des milieux aquatiques, fait état aujourd’hui de près de 60000 seuils et barrages, soit en moyenne un obstacle tous les quatre kilomètres de cours d’eau! Et ce travail n’est pas encore achevé… On mesure bien ici le degré d’artificialisation de nos cours d’eau… À l’échelle des bassins versants, une telle densité d’ouvrages n’est pas sans conséquences sur la morphologie des systèmes aquatiques et leurs équilibres sédimentaires. Afin de bien apprécier les impacts induits, il semble intéressant de rappeler la manière dont un cours d’eau génère ses formes et ses structures physiques.

Deux composantes essentielles pour un cours d’eau: le débit et le transport solide

Les caractéristiques de forme, de sinuosité, de largeur de lit, de profil de berges ou encore de pente locale constituent la morphologie d’un cours d’eau. Ces éléments, appelés structures physiques, ne sont pas le fruit du hasard. Au contraire, ils sont la réponse à des processus complexes d’ajustements et d’interactions entre deux composantes majeures : le débit et les sédiments grossiers charriés, dits charge solide ou transport solide.
Pour rappel, le débit d’un cours d’eau provient des précipitations qui tombent sur le bassin versant et qui ruissellent ou s’infiltrent plus ou moins rapidement selon la nature des sols (perméables ou imperméables) et l’importance du couvert végétal (forêt, prairie, terre cultivée, zone urbanisée…). Le climat et les conditions météorologiques régissent la quantité et la variabilité des précipitations. Ces différents phénomènes influencent ainsi le régime hydrologique du cours d’eau, c’est-à-dire lafréquence et l’intensité de ses épisodes de hautes eaux et d’étiage en fonction des saisons.
Le transport solide peut quant à lui avoir plusieurs origines. En amont des bassins versants montagneux, c’est le phénomène d’érosion, sous l’action des précipitations notamment, qui arrache des matériaux aux terrains et les transporte gravitairement vers le cours d’eau. Historiquement très productifs en charge solide, ces secteurs le sont moins aujourd’hui, en raison des nombreuses actions de l’homme, destinées à limiter l’érosion des sols, ainsi que du reboisement naturel progressif des paysages montagneux.
Les matériaux peuvent également provenir des stocks d’alluvions déposées par les cours d’eau au Pléistocène (Ère des glaciations) et accumulées dans le lit majeur et les terrasses des fonds de vallées. Ceux-ci sont alors remobilisés dans le lit mineur actif du cours d’eau par les processus naturels d’érosion latérale.
En raison de la diminution des apports issus des hauts bassins versants, ces alluvions des fonds de vallées constituent l’essentiel des matériaux aujourd’hui disponibles pour le transport solide.

Les matériaux arrachés des hauts bassins et des terrasses latérales, injectés dans le cours d’eau, sont continuellement charriés et remobilisés vers l’aval lors des épisodes de crues, selon des processus d’érosion et de sédimentation. En fonction de l’intensité de la crue, les matériaux transportés seront différents : logiquement, plus le débit est important et plus la taille moyenne des matériaux transportés augmente. D’autres composantes interfèrent également dans la dynamique de propagation des alluvions. Ainsi, la pente de la vallée conditionne la puissance d’érosion du cours d’eau et son énergie maximale lors des crues. La largeur du fond de la vallée va quant à elle permettre l’étalement et la mobilité du cours d’eau, lui permettant alors de pouvoir déposer plus ou moins facilement les matériaux charriés. Enfin, la présence et la densité de la végétation rivulaire vont largement contrôler les possibilités d’érosion latérale et d’élargissement du lit. Il est difficile de mesurer la vitesse de propagation du transport solide. Quelques études ont essayé de quantifier ces déplacements. Pour ce qui est des alluvions grossières (galets) situées dans le lit, elles ont été estimées à près de 20 kilomètres par siècle pour l’Hérault et 10 kilomètres par siècle pour l’Isère. Sur des rivières ayant moins de pente, donc moins d’énergie, comme celles des Ardennes, la vitesse de propagation a été estimée à environ 3 kilomètres par siècle. Le déplacement des bancs latéraux apparaît moins important : de 20 à 30 mètres par an jusqu’à près de 200 mètres par an pour le Danube ou encore 270 mètres par an pour le Rhin.
Il en résulte que le cours d’eau doit s’ajuster en permanence pour trouver un point d’équilibre entre les fluctuations de la charge alluviale provenant de l’amont et celles du débit capable de l’évacuer vers l’aval. Les caractéristiques physiques d’une rivière comme sa largeur, sa pente ou sa sinuosité, évoluent donc continuellement au gré de ces variations : c’est la dynamique fluviale !

De la morphologie aux habitats aquatiques

Les sédiments grossiers transportés par le cours d’eau, dont la taille varie du bloc au sable, sont utilisés par les organismes aquatiques pour accomplir leur cycle de vie : ils deviennent alors des habitats, qu’ils soient submergés en permanence ou exondés selon les débits. Les sédiments grossiers du fond du lit en eau, d’un diamètre d’au moins deux centimètres, sont des milieux de vie remarquables. Chaque pêcheur un peu curieux a un jour soulevé les pierres d’une rivière et a pu voir, là où la qualité de l’eau est encore préservée, combien de larves d’insectes différentes pouvaient vivre sur une si petite surface. Cette granulométrie grossière est également utilisée comme support de ponte par un grand nombre d’espèces de poissons. Si la truite vient immédiatement à l’esprit, ses nids typiques façonnés dans les graviers étant facilement observables dans les cours d’eau limpides, des espèces plus discrètes et moins connues comme le chabot, l’apron ou le toxostome, sont directement dépendantes de la présence de graviers ou de petits galets pour se reproduire. Et les larves de lamproies, poissons sans mâchoire, se développent plusieurs années dans les sédiments fins et bien oxygénés avant de devenir adultes et migrer vers la mer pour les espèces migratrices, ou se reproduire et mourir pour la petite lamproie de planer, la fameuse chatouille des rivières à truites. Le rôle d’abris hydraulique joué par la granulométrie est également fondamental.
La protection contre le courant qu’offre un bloc est évidente: les pêcheurs de truite connaissent la qualité de ces postes de chasse ! Mais les pierres plus petites ont également une fonction importante d’abris pour les espèces d’invertébrés ou de petits poissons vivant près du fond, grâce à leur rugosité qui génère par turbulence une couche limite aux vitesses réduites.
Les bancs d’alluvions exondées, les grèves, servent également d’habitats à de nombreuses espèces au premier plan desquelles les oiseaux limicoles qui y pondent leurs oeufs au printemps. Une flore très riche se développe également sur ces bordures de lits, par exemple la petite massette, espèce typique des lits en tresse qui a fortement régressé en raison de l’aménagement des cours d’eau et qui subsiste sur quelques sites des bassins du Var ou de la Durance.
Enfin, ces sédiments sont le lieu de vie de nombreux micro-invertébrés (champignons, bactéries, microalgues), qui participent à la dégradation de la matière organique. La présence d’un substrat alluvial important contribue ainsi largement à l’auto épuration d’un cours d’eau… Quel service pour la collectivité! À l’échelle d’un bassin-versant, les caractéristiques et la localisation de ces habitats conditionnent donc pour une grande part la répartition spatiale des espèces. Tous les organismes ont besoin de franges granulométriques bien précises. S’il apparaît donc indispensable d’avoir des dépôts sédimentaires variés, corollairement la présence d’une mosaïque d’habitats complexes et diversifiée, générée par une dynamique fluviale active et non perturbée, est le garantd’une biodiversité optimale. Il est donc évident que fonctionnement morphologique et fonctionnement écologique sont très liés. Toute modification des capacités de charriage d’un cours d’eau se répercute en effet directement sur ses habitats et donc sur la qualité de ses biocénoses aquatiques.

Seuils et barrages: éléments perturbateurs du transport solide

Les ouvrages transversaux comme les seuils ou les barrages, sont susceptibles d’impacter plus ou moins fortement le transport des sédiments grossiers. En remontant la ligne d’eau, un ouvrage transversal va tout d’abord réduire l’énergie des écoulements et la capacité du cours d’eau à charrier ses matériaux sera diminuée. Ils auront donc tendance à se déposer plus facilement et nécessiteront une puissance plus importante pour être mobilisés. En outre, pour franchir l’ouvrage, les sédiments devront être mis en suspension et non charriés près du fond: là aussi, seuls de gros débits le permettent et au final les fréquences de transfert vers l’aval pour les éléments les plus grossiers seront très limitées.
La plupart des ouvrages transversaux bloque la totalité ou une partie seulement de la charge alluviale de fond. Si l’ouvrage est de taille modeste, l’effet bloquant va durer jusqu’à ce qu’il soit plein et laisse de nouveau transiter une partie des matériaux venant de l’amont. Mais dans le cas d’un barrage de grande dimension, c’est la totalité du transport solide qui est piégée, et ce définitivement… Et même lorsque l’ouvrage est plein, le nouveau profil d’équilibre correspond à une pente plus faible qu’initialement, ce qui contribue également à réduire l’efficacité du charriage du cours d’eau par perte de puissance. Les sédiments bloqués dans la retenue de l’ouvrage vont alors faire cruellement défaut au cours d’eau. Lors des épisodes de crues, les coups d’eau vont alors continuer de charrier les alluvions situées en aval de la retenue, mais sans apport nouveau venu de l’amont. Un phénomène d’érosion dite progressive peut alors apparaître, engendrant l’enfoncement plus ou moins marqué du lit mineur. Dans les cas les plus extrêmes, c’est la totalité du substrat alluvial qui peut alors disparaître, laissant à nu la roche mère… Enfin, en aval des ouvrages équipés d’une prise d’eau, la mise en débit réservé se traduit par une réduction des capacités de transfert dans le tronçon court circuité.

Comment limiter les impacts ou restaurer ?

A vrai dire, peu de solutions techniques sont réellement efficaces pour limiter les incidences des ouvrages sur le transit des sédiments… Seul son effacement garanti la reprise des processus naturels de transfert, après un temps plus ou moins long d’ajustements. Mais cette solution ne peut être envisagée que sur des ouvrages sans usage avéré, et dans certains cas, le remède peut être pire que le mal car les nouvelles érosions induites peuvent totalement déstructurer le cours d’eau si celui-ci est déjà en proie à une incision importante.
Dans certains cas, la mise en place d’une vanne de dégravement permet, si sa dimension est suffisante et ses modalités de gestion éclairées, de faire transiter un volume de granulats intéressant lors des épisodes de hautes eaux. C’est rarement le cas car ces dispositifs sont la plupart du temps largement sous dimensionnés. Ils sont alors utilisés pour faire des chasses destinées à évacuer les fines et la matière organique accumulées juste en amont du barrage, éléments intéressants pour la rivière et qui provoquent souvent des dégâts importants similaires à ceux d’une vidange de plan d’eau (colmatage des habitats, dégradation de la qualité de l’eau par anoxie et présence d’ammonium).
Une solution originale est le transfert vers l’aval par camions des matériaux grossiers accumulés dans la retenue. Ceux-ci sont alors redistribués le long du cours d’eau en aval, de manière à les rendre mobilisables lors des crues. Si dans certains cas ce type d’opération peut s’avérer efficace ponctuellement, sur le long terme elle ne pourra jamais remplacer la mobilisation et le transfert naturels des éléments grossiers.
Et le bilan carbone d’une telle mesure peut également poser question… A l’échelle des bassins versants, compte tenu de la densité des ouvrages recensés, les seuils et les barrages constituent ainsi une source d’impacts importante sur les équilibres sédimentaires, même s’il est bien certain que ce ne sont pas les seuls. Extractions de granulats, curages, recalibrages, sont en effet autant de perturbations qui altèrent également les conditions de transport solide. Malheureusement, les solutions pour essayer de restaurer le transport solide piégé dans les retenues sont assez réduites et demandent des investissements collectifs très conséquents. Cela est d’autant plus regrettable que le déficit en matériaux des cours d’eau commence à se faire ressentir jusque sur nos rivages marins : le blocage actuel du transport solide, couplé aux anciennes extractions massives, pourrait expliquer en partie la réduction du trait de côte de certains secteurs littoraux…