Abstract :
[fr] Face au constat de la dégradation croissante des écosystèmes aquatiques et poussé par une prise de conscience environnementale grandissante, la question de restaurer les cours d’eau a émergé progressivement depuis les années 1980. D’abord l’apanage des ingénieurs et des écologues, la restauration de cours d’eau s’est graduellement ouverte aux géomorphologues. En raison de son approche holistique, la géomorphologie est ainsi devenue une discipline incontournable de la restauration de cours d’eau. Elle permet en effet de considérer le site dans sa globalité (multiples échelles spatiales, depuis le bassin versant jusqu’à la forme) et sur différentes durées (échelles de temps des processus et des interventions humaines). De plus, elle possède un champ d’actions qui explore de nombreux enjeux de la gestion des rivières car ce sont effectivement les processus géomorphologiques qui déterminent la cadre physique du système fluvial dans lequel se déroulent les processus écologiques et vivent les organismes aquatiques. Enfin, parce qu’elle fournit de multiples outils et méthodes, la géomorphologie s’est finalement avérée être une discipline indissociable de la restauration des cours d’eau. Toutefois, si les apports de la géomorphologie semblent indiscutables aux yeux des géomorphologues, force est de constater qu’ils manquent de visibilité auprès des autres acteurs attachés à la restauration de cours d’eau. Mettre en lumière ces apports nécessite d’abord d’identifier les outils et méthodes fournis par la géomorphologie et ensuite de les positionner au sein des schémas de planification des actions de restauration.
Dans ce contexte, ce travail de recherche doctorale a pour objectif principal de mettre en évidence les apports des outils et des méthodes géomorphologiques dans les processus de conception, de suivi et d'évaluation des projets de restauration de cours d’eau. Pour établir le rôle joué par la géomorphologie dans ces processus, ce travail s’appuie sur l’étude de trois compartiments : « la continuité écologique », « les habitats aquatiques du lit mineur » et « les berges », chacun de ces compartiments faisant l'objet d'une étude spécifique sous la forme d'une publication.
Premièrement, le compartiment « continuité écologique » est étudié dans ce travail sous l'angle de la composante longitudinale de la continuité sédimentaire. Cette problématique est traitée au travers de l’analyse multi-scalaire de l’impact des déversoirs sur la connectivité sédimentaire. Menée dans le bassin versant du Bocq, cette étude repose sur l'examen approfondi de 7 déversoirs grâce à différentes approches : (i) le calcul et l'analyse de l'évolution du volume de sédiments piégés dans les retenues, (ii) les analyses granulométriques des sédiments piégés de part et d'autre des retenues, et (iii) le suivi de deux marqueurs de la charge de fond (les PIT tags et les scories) pour déterminer la franchissabilité des déversoirs et des retenues. Les résultats indiquent que le volume des sédiments piégés dans les retenues représente entre 25 et 50 % de la capacité maximale des retenues, et que ce remplissage n'a pas beaucoup évolué depuis 1990. De plus, la charge de fond continue à être transportée au travers des retenues et des déversoirs, bien qu'un piégeage sélectif des éléments les plus grossiers soit observé dans les retenues. Cet effet de piégeage est atténué lorsque le déversoir possède des vannes ouvertes ou délabrées qui facilitent le transfert de la charge de fond. En conclusion, ces résultats montrent que les déversoirs agissent comme des barrières poreuses qui permettent le passage de la charge de fond, bien que les conditions géomorphologiques locales jouent un rôle essentiel dans la détermination de la continuité locale des sédiments. A l'échelle du cours d'eau, ces résultats suggèrent que la connectivité sédimentaire est moins affectée qu'on ne le pensait initialement et qu'elle est susceptible de s'améliorer avec le temps, à mesure que les anciens déversoirs se dégradent.
Deuxièmement le compartiment « habitats aquatiques du lit mineur » est étudié au travers de l'évaluation de l’efficacité et de la pérennité de frayères reconstituées pour les poissons lithophiles. Pour enrailler le déclin des populations locales de poissons sauvages, le placement de graviers destinés au frai dans les rivières dégradées représente une mesure de restauration de plus en plus employée. Elle est toutefois trop souvent conçue sans prise en compte des processus hydro-sédimentaires des rivières (transport de la charge de fond et colmatage). Dans cette étude, nous avons analysés les effets de placement de graviers sur 6 tronçons de rivière dégradés de Wallonie, grâce (i) à une analyse de l'évolution de l'épaisseur et du colmatage des graviers injectés, et (ii) au suivi par marquage (PIT tag) de la dispersion des graviers sur une période comprise entre 3,6 et 8,5 ans. Les résultats indiquent que plusieurs frayères artificielles se sont rapidement colmatées en raison d'un surdimensionnement des graviers par rapport à la compétence de la rivière et de l'utilisation d'une composition granulométrique peu diversifiée. En revanche, une des frayères étudiées s'est rapidement faite érodée (après 2,2 ans) du fait du sous-dimensionnement des graviers, et une autre frayère s'est avérée avoir un dimensionnement adéquat, permettant un transport périodique des graviers sur de courtes distances (distance moyenne annuelle de ~3 m). En outre, la capacité des graviers mobilisés par les crues à reformer de nouvelles frayères en aval dépend principalement de la distance que les graviers sont susceptibles de parcourir et, par conséquent, de la puissance spécifique des crues subies, de la morphologie du chenal et de la texture du lit.
Troisièmement, pour le compartiment « berges », nous nous sommes concentrés sur les aménagements de protection de berges qui font appel au génie végétal. Cette thématique est traitée sous l’angle scientifique (évaluation de l’efficacité et de la résistance des aménagements) et sous l’angle opérationnel (recommandations de mise en œuvre fournies aux gestionnaires de cours d'eau). En plus de l'expertise de terrain menée sur 19 ouvrages de stabilisation de berges, cette étude repose sur une analyse hydrologique approfondie et un dépouillement de données historiques. L'évaluation de la résistance des aménagements, appréhendée au travers de la puissance spécifique, indique que puissance spécifique limite (i.e., la valeur maximale de puissance à laquelle l’ouvrage peut résister) est de l’ordre de 130 W/m² pour des fascines, 65 W/m² pour des peignes, 200 W/m² pour des caissons et 150 W/m² pour des épis végétaux. Toutefois, ce seuil de résistance doit être revu à la baisse lorsque l'aménagement est dégradé pour des raisons telles que (i) une mauvaise reprise de la végétation (problème d’exposition, coupes non gérées ou dégâts provoqués par les animaux tels que le bétail et des rongeurs), (ii) des défauts de conception des aménagements (remplissage inadapté, mauvais dimensionnement) et (iii) une mauvaise prise en compte des caractéristiques géomorphologiques de la rivière (puissance spécifique et concentration de Matières En Suspension).
Au travers de l'étude de ces 3 compartiments, ce travail de recherche doctorale a démontré le rôle essentiel qu’occupe la géomorphologie au sein des processus de conception, de suivi et d'évaluation des projets de restauration de cours d’eau. Les apports des outils et des méthodes de la géomorphologie ont pu être mis en exergue pour les différentes étapes des schémas de planification des actions de restauration, depuis le diagnostic de l’état géomorphologique (i.e., l’identification du contexte environnemental) jusqu’à l’évaluation effectuée après les travaux de restauration. Enfin, cette recherche a mis en lumière l'importance des études géomorphologiques fines car elles contribuent à l'amélioration des connaissances relatives aux hydrosystèmes et plus spécifiquement à la restauration des cours d’eau. Ces connaissances bénéficieront notamment aux futures études portant sur la restauration de cours d'eau.
[en] In light of the increasing degradation of aquatic ecosystems and driven by growing environmental awareness, the issue of restoring rivers has gradually emerged since the 1980s. Initially the prerogative of engineers and ecologists, river restoration has gradually opened up to geomorphologists. Because of its holistic approach, geomorphology has thus become an essential discipline in river restoration. Indeed, it allows the site to be considered at several spatial scales (from catchment to form) and at several time scales (from slow geomorphological processes to human intervention). In addition, it has a field of research that explores many issues related to river management because geomorphological processes determine the physical framework of the river system in which ecological processes take place and aquatic organisms live. Moreover, geomorphology has finally proved to be a discipline essential to river restoration because it provides multiple tools and methods. However, although the contributions of geomorphology seem undeniable in the eyes of geomorphologists, they lack visibility among other actors involved in river restoration. Highlighting these contributions requires first identifying the tools and methods provided by geomorphology and then placing them within restoration planning schemes.
In this context, the main objective of this thesis is to highlight the contributions of geomorphological tools and methods in the design, monitoring and evaluation processes of river restoration projects. To establish the role played by geomorphology within these processes, this work relies on the study of three components: "ecological continuity", "stream channel habitats" and "streambank", each components being the subject of a specific study in the form of a publication.
First, "ecological continuity" is considered in this work from the perspective of the longitudinal component of sediment connectivity. This issue is addressed through the multiscale analysis of the impact of weir on sediment connectivity. Conducted in the River Bocq catchment, this study is based on the in-depth analysis of 7 weirs using different approaches: (i) calculating and analysing changes in the volume of sediment trapped in reservoirs, (ii) analysing grain size of bed material upstream, downstream and within the reservoirs, and (iii) measuring sediment transport with tracers (slag particles and PIT-tagged pebbles) to assess bedload transport across reservoirs and weirs. The results indicate that the volume estimates of bedload stored in reservoirs represents between 25 and 50% filled compared to the reservoir volume capacity, and did not evolve very much since 1990. In addition, bedload continues to be transported out of the reservoir, even though the selective trapping of coarser elements was observed within the reservoir. This trapping effect is mitigated when the weir has open or collapsed flushing gates that facilitate bedload transfer. This indicates that weirs act as leaky barriers that allow bedload to pass through, although the individual geomorphic setting plays a primary role in determining the local sediment continuity. These findings suggest that river connectivity is less impacted than initially thought and is likely to increase over time as old weirs gradually fall into disrepair.
Second, "stream channel habitats" are studied through the evaluation of the suitability and sustainability of artificial spawning gravel habitats for lithophilic fish species. The restoration of spawning substrate by gravel placement is commonly seen as one of the most important mitigation measures to stem local wild fish population declines. However, while the biological requirements of lithophilic spawning fishes are generally taken into account, few considerations are given to river processes (e.g., bedload transport and clogging). In this study, we examined the effects of such rehabilitation actions on six degraded river reaches in Wallonia, thanks to (i) the monitoring of the thickness and clogging of the spawning gravel and (ii) to the PIT-tagged tracking of gravel dispersion over a period of 3.6 to 8.5 yrs. The results highlighted that several artificial spawning grounds were quickly clogged because of improper sizing of the spawning material. Gravel that was too coarse to be mobilized by the river and that had a narrow grain size range favoured fine sediment accumulation within the interstices of the gravel layer. On the other hand, one spawning gravel placement was rapidly scoured (after 2.2 yrs) because of an undersizing of the gravel with respect to flow competence. In the end, one gravel placement presented adequate gravel sizing, allowing periodic gravel transport over short distances (the mean annual travel distance was ~3 m). The longevity of a gravel placement and the ability of the displaced gravel to form new spawning grounds downstream were strongly dependent on the distance that the placed gravel was likely to travel, which in turn depended on unit stream power, channel morphology and bed texture.
Thirdly, for the "streambank" component, we focused on streambank stabilisation techniques using soil bioengineering. This topic is addressed both from a scientific perspective (evaluation of the effectiveness and resistance of 4 streambank stabilisation techniques) and from an operational perspective (guidelines for implementing these techniques). In addition to the field expertise conducted on 19 streambank stabilisation structures, this study relies on an in-depth hydrological analysis and on an extensive use of historical data. The assessment of the resistance of streambank stabilisation structures, expressed in terms of the unit stream power, indicates that the permissible unit stream power thresholds (i.e., the maximum value of unit stream power to which the protection can resist) is approximately of 130 W/m² for fascines, 65 W/m² for tree revetment, 200 W/m² for cribwall and 150 W/m² for groynes system. Nevertheless, several factors might undermine the bank stabilisation structure, resulting to a lower threshold of unit stream power. The deterioration factors highlighted are (i) a poor vegetation recovery (lack of sunlight, unmanaged cutting, and damage caused by animals such as livestock and rodents), (ii) an inadequate design or filling, and (iii) a lack of consideration of fluvial processes such as unit stream power and Total Suspended Solids.
Through the study of these 3 components, this thesis has demonstrated the essential role that geomorphology plays in the design, monitoring and evaluation processes of river restoration projects. The value of geomorphological tools and methods has been highlighted for the different stages of river restoration schemes, from the assessment of the geomorphological setting to the post-project appraisals. In the end, this research has highlighted the importance of in-depth geomorphological studies because they help to improve our knowledge of hydrosystems, and more specifically of river restoration. This knowledge will notably benefit future studies on river restoration.
