Analyse des crues et de la dynamique des flux de matières en suspension dans des bassins versants de la Meuse et de l’Escaut

Les cours d’eau ont de tout temps joué un rôle majeur pour l’Homme, tant au niveau du développement sociétal qu’au niveau des catastrophes qu’ils peuvent engendrer. Cette recherche s’articule autour de plusieurs thèmes s’imbriquant à différentes échelles spatiales et temporelles autour des cours d’eau et des bassins versants, à savoir : (i) l’étude des sédiments en rivières, et plus spécifiquement l’étude des matières en suspension ; (ii) l’analyse de la période de retour des crues caractéristiques de rivières à différents contextes géologiques ; (iii) l’examen de la répartition des crues éclair et de leur causalité ; (iv) la quantification du transport sédimentaire en suspension d’un point de vue régional à partir de longues séries de données de terrain à basse résolution temporelle sur un grand nombre de stations d’une part, à haute résolution pour quatre stations de monitoring sédimentaire d’autre part.
Ces axes de recherche ont pour zone d’étude les cours d’eau de Wallonie (région méridionale de la Belgique), et plus spécifiquement les rivières qui disposent de stations hydrométriques officielles dans les bassins versants de la Meuse et de l’Escaut, selon une méthodologie adaptée à la taille des cours d’eau analysés ainsi qu’à la fréquence des crues. Ces recherches ont fait l’objet de trois publications dans des revues internationales à comité de lecture. Les autres axes ainsi que les pistes de réflexion complémentaires sont présentés sous la forme de chapitres.
L’état de l’art concernant la mesure du transport des sédiments en suspension et leur dynamique est d’abord abordé. Plusieurs échelles temporelles et spatiales y sont présentées, depuis la source des particules à l’endroit de leur érosion sur les parcelles jusqu’à l’embouchure des fleuves, en passant par le réseau hydrographique et les différentes zones d’accumulation potentielle au sein des bassins versants. L’excès de matières en suspension dans les hydrosystèmes fluviaux est la problématique principale de cette recherche en termes géomorphologiques, écologiques et du point de vue de la gestion des inondations.
Les paramètres physiques tels que la lithologie et l’occupation du sol des différents bassins versants affectent la disponibilité des sédiments en suspension, et les événements hydrologiques, leur transport. La mise à jour des données de débits à plein bord par observation de terrain d’une part, et par modélisation, à partir d’une méthodologie inédite basée sur les séries hydrologiques d’autre part a permis de combler certaines lacunes observationnelles. L’occurrence des crues extrêmes observées dans ces cours d’eau est également étudiée. Les inondations exceptionnelles qui ont eu lieu en juillet 2021 dans l’est de la Belgique ainsi qu’en Allemagne ont été l’occasion d’évaluer la récurrence de cet événement extrême. Dans un monde où les interactions entre l’Homme, l’atmosphère et l’environnement engendrent des changements visibles à court et moyen-terme, l’analyse montre que le changement de typologie des événements extrêmes rend complexe l’interprétation des événements ayant eu lieu récemment, et incertain la prévision des événements futurs dans un contexte de réchauffement climatique.
L’étude de l’évolution temporelle et de la distribution des phénomènes des crues éclair en Wallonie s’est basée sur la compilation des événements extrêmes qui ont été recensés dans la presse entre 1906 et 2013, malgré les nombreuses limites méthodologiques qu’une telle compilation induit. Elle a mis en évidence que les zones bien connues pour être sujettes aux crues éclair et aux coulées boueuses, dans la région limoneuse, ne sont pas les seuls territoires où des événements extrêmes peuvent se produire. Outre les vallées principales de la Gette, de la Geer, de la Mehaigne et de la Senne, les affluents de la Sambre et de la Meuse ont été touchés par ces phénomènes. Le seuil de précipitations de 40 mm.j-1 a été mis en évidence comme le principal facteur déclenchant, en conjonction avec une urbanisation hasardeuse, surtout en aval des grandes monocultures. L'événement majeur de crue éclair qui s'est produit à Liège le 29 mai 2008 a été analysé grâce à une approche multidisciplinaire, permettant d’évaluer les caractéristiques hydrologiques et sédimentaires à partir d’éléments géomorphologiques dans ces petits bassins versants non jaugés. Cette inondation a montré son intensité exceptionnelle à travers les taux de transport sédimentaire qui ont été estimés dans les bassins versants affectés, atteignant 440 t.km-2 de transport de charge en suspension et 51 t.km-2 de mobilisation de charge de fond, soit des valeurs supérieures d'un ordre de grandeur aux inondations habituelles en Wallonie.
Les axes de recherche ayant trait à la quantification du transport sédimentaire en suspension au niveau régional à travers deux échelles temporelles différentes représentent une partie importante du travail de terrain, de laboratoire et d’analyses de données. L’estimation des taux de production sédimentaire de différents bassins versants en Wallonie par échantillonnage discret de la concentration en matières en suspension a été réalisée au niveau de 72 stations, à l’exutoire de bassins versants d’une superficie comprise entre 7 et 3600 km², et répartis dans différentes régions agrogéographiques. Les campagnes d’échantillonnage ont été réalisées entre 1996 et 2018 grâce à une méthode manuelle, reproductible et rapide à mettre en œuvre pour cibler les pics de crues, grands pourvoyeurs de sédiments fins transportés en suspension. Des campagnes supplémentaires ont permis de couvrir, autant que possible, toute la gamme de débits, pour un total d’environ 2000 échantillons collectés. Pour chaque station, la relation liant la concentration des matières en suspension et le débit instantané a été calculée est utilisée pour interpoler annuellement le taux de production sédimentaire par unité de surface dans les bassins versants étudiés. Malgré une grande variabilité spatiale et temporelle des taux de production sédimentaire, les valeurs médianes ont été corrélées avec certaines variables géographiques régionales. À partir des résultats obtenus dans cette recherche, un modèle est proposé à l’échelle de la Wallonie. Cependant, il a été constaté que l’obtention de valeurs de production sédimentaire à l’échelle des bassins versants de taille moyenne était difficile. En effet, des processus sédimentaires complexes se déroulent à cette échelle, ils ne sont généralement pas explicables avec des échantillonnages discrets et nécessitent des mesures continues ou semi-continues.
La quantification des flux de matières en suspension grâce à la mesure continue de la turbidité de l’eau, associée à des prélèvements automatiques asservis à la hauteur d’eau. Ces mesures ont été effectuées à quatre stations localisées dans les bassins de la Senne, de la Dyle et deux Gette, à proximité de la frontière transrégionale Wallonie-Flandre. Malgré l’aspect expérimental de ce projet et les difficultés techniques rencontrées, de nombreux résultats ont été obtenus. La Petite Gette a présenté les concentrations les plus élevées en matières en suspension, dépassant 20 g.l-1 lors d’une crue extrême en juin 2011. La Senne et la Dyle présentent aussi des concentrations élevées, tandis que la Grande Gette montre des concentrations plus faibles. Des phénomènes d’hystérésis de la concentration des matières en suspension en fonction du débit ainsi que des différences saisonnières ont été observés et plusieurs hypothèses ont été émises quant à leurs causes. La Dyle présente une majorité d'hystérésis anti-horlogiques, expliquée en partie par les caractéristiques orographiques et d'occupation du sol, notamment une imperméabilisation plus élevée dans la partie aval de son bassin versant. Les conclusions sur les taux de production sédimentaire sont entravées par des lacunes dans les données de turbidité, suggérant que leur utilisation pourrait sous-estimer le transport sédimentaire en suspension.
L’évolution des phénomènes d’érosion et du transport des sédiments fins à des échelles spatiales et temporelles variées dans un contexte de changement climatique global impactant l’hydrologie et la sédimentologie est complexe. De nouvelles techniques de mesure de la turbidité, telles que la télédétection ou les mesures acoustiques in situ, pourraient améliorer la connaissance du transport sédimentaire au sein même des bassins versants.