Impact of floods on sediment and vegetation dynamics in a gravel bed river : Isère River, Savoie, France
Action des crues sur la dynamique sédimentaire et végétale dans un lit de rivière à galets : l'Isère en Combe de Savoie
Résumé
Many rivers worldwide have seen vegetation establish within their beds throughout the 20th century. In the case of managed rivers, this trend is usually linked to direct geomorphological alterations (sediment mining, diking, etc.) as well as anthropic alterations of flow regime and sediment supply. These pressures have stabilized river beds, allowing vegetation to establish permanently. This vegetation increases the risk of flooding by decreasing flow velocities and increasing water levels. In addition, the associated reduction in availability of pioneer habitats characteristic of these stabilized environments typically degrades biodiversity. Managing hydrology in a way that would limit vegetation establishment on bars presents an interesting management option. In this context, our study was aimed at understanding the impacts of floods of varying magnitude on vegetation removal, as well as identifying and quantifying the underlying mechanisms. This work focused on the Isère River, a heavily managed gravel bed river located in the western French Alps.Vegetation removal was studied at the reach scale using hydrological data, aerial photographs, and topographic data available between 1996 and 2015. At the bar scale, field monitoring before and after floods from april 2014 to september 2015 allowed us to document the impact of floods on sediment mobility and vegetation. A 2D numerical model was used to document fine scale hydraulics.At the reach scale, we found a strong correlation between water volume flowing through the river channel and the amount of vegetation removal. Discharges with return intervals of less than one year seem to have an impact on vegetation removal. The main mechanism observed from aerial photographs was lateral erosion; surface processes were negligible in comparison. However, global vegetation removal was modest: since 1996, on average 3,4 % of vegetated area was removed annually. At the bar scale, our study period permitted monitoring of a series of high frequency floods (return interval < 1 year) and a 10-year food event. Only the largest flood partially removed pioneer vegetation from bars. Young vegetation removal occurred through four different mechanisms: 1) uprooting by surface scour > 20 cm, 2) burial under a thick layer of coarse sediments > 30 cm, 3) uprooting by a combination of surface scour and sediment deposition resulting in no net topographic change, and 4) lateral erosion of bars. Vegetation removal was always associated with significant sediment mobility.We conclude that on the Isere River a very important flood is required to remove vegetation by mobilizing bar surfaces. In contrast, high but not exceptional flows (return interval < 1 an) are capable of removing vegetation through lateral erosion. However, artificial floods alone are unlikely to maintain the full width of the channelized bed of the Isere River free of vegetation. In the future, vegetation removal needs to be studied in the context of alternate bar dynamics with or without vegetation. It seems necessary to consider sediment transport as well as hydrology to understand the overall dynamics of the bed.
Au cours du XXe siècle, les lits de nombreuses rivières ont été sujets à l'installation de végétation alluviale. Dans le cas des rivières aménagées, cette tendance est souvent associée à des altérations géomorphologiques directes (extractions de granulats, endiguements, etc.) ainsi qu'à des modifications anthropiques de leur régime hydrologique et sédimentaire conduisant à une stabilisation du lit qui permet l'installation de la végétation. Cette végétation augmente le risque d'inondation en diminuant les vitesses d'écoulement et en augmentant les niveaux d'eau en crue. Par ailleurs la biodiversité est dégradée par la diminution des habitats pionniers caractéristiques de ces environnements. Manipuler artificiellement le régime hydrologique d'une manière qui pourrait limiter l'installation de végétation sur les bancs est une option considérée par les gestionnaires. Dans ce contexte, ce projet de thèse a pour objectif de comprendre les impacts des crues d'amplitude variable sur la destruction de végétation, et d'identifier les mécanismes associés. Le site d'étude sur lequel cette thèse se focalise est l'Isère en Combe de Savoie, une rivière à galets très aménagée des Alpes françaises.Dans le cadre de cette étude, la destruction de végétation a été étudiée à l'échelle du tronçon à partir d'une analyse des données hydrologiques, des photos aériennes, et des données topographiques disponibles pour la période 1996-2015. À l'échelle du banc, un suivi de terrain avant et après les événements hydrologiques marquants entre avril 2014 et septembre 2015 nous a permis d'étudier l'action des crues sur la mobilité sédimentaire et sur la végétation. Ces observations ont été complétées par une modélisation numérique bidimensionnelle de l'écoulement en crue.À l'échelle du tronçon (20 km), nous avons trouvé une corrélation très forte entre les volumes d'eau ayant transité dans le chenal sur une période donnée, et la destruction de végétation associée au cours de la période 1996-2015. Les débits associés à des temps de retour infra-annuels semblent permettre la destruction de végétation. Le mécanisme de destruction le plus efficace que l'on observe à cette échelle est l'érosion latérale ; les mécanismes prenant place à la surface des bancs sont très minoritaires. Cependant, les surfaces détruites sont modestes ; 3,4 % de la surface végétalisée est détruite annuellement en moyenne. À l'échelle du banc, la période de suivi de terrain a couvert une série de crues fréquentes (temps de retour < 1 an) et une crue de temps de retour 10 ans. Seule cette crue a partiellement détruit la végétation pionnière sur les bancs suivis. La destruction de végétation ligneuse jeune a eu lieu par le biais de quatre mécanismes : 1) déracinement par érosion de surface supérieure à 20 cm, 2) enfouissement sous une couche de sédiment grossiers supérieure à 30 cm, 3) déracinement par une combinaison d'érosion et de dépôt, et 4) érosion latérale en marge des bancs. La destruction de végétation est toujours associée à une mobilité sédimentaire importante.Ces résultats montrent qu'une crue très importante est nécessaire pour détruire la végétation par la mobilisation de la surface des bancs sur ce site. Par contraste, les débits forts mais non exceptionnels (temps de retour infra-annuel) sont en mesure de détruire la végétation par érosion latérale. Dans le cas de l'Isère en Combe de Savoie, il semble que l'utilisation de crues artificielles ne peut pas seule permettre de maintenir la largeur inter-digues libre de végétation. Pour la suite, on propose de s'intéresser à la destruction de végétation dans le contexte de la dynamique des bancs alternés plus ou moins végétalisés, en prenant en compte les apports et le transport des sédiments en plus de l'hydrologie.
Origine : Version validée par le jury (STAR)