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Cartographie de la connectivité Projet VERSEAU

Rapport final

BRGM/RP-65184-FR Novembre 2015

Cartographie de la connectivité Projet VERSEAU

Rapport final

BRGM/RP-65184-FR Novembre 2015

R. Vandromme, A. Gay, O. Cerdan

Vérificateur :

Nom : S . Bernardiie

Fonction : Responsable de programme Ris20

Date : 23/08/2016

Signature :

Approbateur :

Nom : G. Grandjean

Fonction : Adjoint à la direction DRP

Date : 25/08/2016

Signature :

Le système de management de la qualité et de l’environnement est certifié par AFNOR selon les normes ISO 9001 et ISO 14001.

Mots-clés : érosion, colmatage, cours d’eau, ruissellement, infiltration, IDPR, Loire, Bretagne En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Vandromme R., Cerdan O., Gay O. (2015) – Cartographie de la connectivité – Projet VERSEAU. Rapport final. BRGM/RP-65184-FR, 35 p., 12 fig. © BRGM, 2015, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.

Projet VERSEAU – Cartographie de la connectivité

BRGM/RP-65184-FR – Rapport final 3

Synthèse

L’érosion au sein des bassins versants est un processus naturel que les activités humaines peuvent fortement accélérer. L’intensification de l’agriculture au cours de ces dernières décennies s’est en particulier manifestée par d’importants remembrements, par le recours accru au drainage et par le recalibrage des cours d’eau. Ces aménagements ont eu pour conséquence un colmatage et un envasement des cours d’eau, ne permettant pas d’atteindre leur bon état écologique. Si les sources de ces transferts sont identifiées (érosion de surface, export par le drainage agricole, incision des cours d’eau,…) leur importance relative et les modalités de leur connectivité aux cours d’eau ne sont pas clairement définies.

A l’heure actuelle, l’identification des sources potentielles de ces particules se cantonne aux cartes d’érosion de versant (Le Bissonnais et al., 2002, Degan et al. 2014) afin d’identifier des “zones à risque”. Ces cartes mettent en exergue les zones pour lesquelles le détachement de particules peut être le plus important. Toutefois, il n’existe pas de correspondance systématique entre la distribution spatiale des taux d’érosion et les apports en sédiments dans les cours d’eau. Il est donc nécessaire d’identifier toutes les sources potentielles de particules et d’identifier et quantifier leur connectivité.

L’objectif du projet Verseau est de répondre à cette problématique au travers de l’étude des transferts de matière dans les hydrosystèmes. Le travail est séparé en deux volets. Une première partie a consisté en la réactualisation et l’adaptation de la cartographie de l’aléa érosion des sols, fondée sur le modèle MESALES (Le Bissonnais et al., 2002). L’objectif était d’employer les nouvelles données disponibles (topographiques, climatologiques, pédologiques et d’occupation des sols) afin de préciser l’aléa érosif. Ces travaux ont été synthétisés dans un premier rapport (Degan et al., 2014).

L’objectif de ce deuxième volet du projet VERSEAU est de présenter les résultats concernant la cartographie du transfert de matière depuis les versants jusqu’aux cours d’eau par le biais de l’établissement d’indices de connectivité. Ce point a fait l’objet d’une thèse de doctorat (Gay, 2015). Ce rapport synthétise les principaux résultats et présente une carte de connectivité du bassin Loire Bretagne.

L'évaluation de cette connectivité est réalisée grâce à un indice de connectivité basé sur celui proposé par Borselli et al. (2008), auquel des contraintes de processus et d'échelle ont été ajoutées :

i) les propriétés infiltrantes / ruisselantes des sols sont intégrés dans l'indice par l’intégration d’un indice de développement et persistance des réseaux,

ii) l'évaluation se fait sur un grand bassin (~105 km²) comportant des zones montagneuses et des zones de plaine.

Une méthodologie a également été développée pour pouvoir intégrer des éléments linéaires qui structurent le paysage (haies et bocages) et qui peuvent avoir une influence sur les transferts de sédiment. Néanmoins l’intégration ne peut pas encore être totalement réalisée par manque de données homogènes disponibles sur l’ensemble du bassin versant LB.

Pour le moment, cette méthode a été appliquée dans les départements où les données de haies sont complètes (Source : IGN). Elle permet de mettre en évidence le fait que l’introduction d’une connectivité structurelle - liée à ces éléments du paysage - entraîne une diminution de la

Projet VERSEAU - Connectivité

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connectivité mais que le ruissellement et l’infiltration ont un rôle prédominant dans les transferts de sédiments à l’échelle des réseaux hydrographiques.

Projet VERSEAU - Cartographie de la connectivité


Sommaire

1. Introduction ............................................................................................................. 7

2. Présentation du bassin Loire Bretagne ................................................................. 9

2.1. LE RELIEF ......................................................................................................... 9

2.2. HYDROLOGIE ................................................................................................... 9

2.3. GEOLOGIE ...................................................................................................... 11

2.4. OCCUPATION DU SOL ................................................................................... 14

3. Développement d’un indice de connectivité adapté au contexte du Bassin Loire Bretagne ................................................................................................................ 17

3.1. INDICE DE CONNECTIVITE SEDIMENTAIRE DE VERSANT SELON BORSELLI ET AL. (2008) ........................................................................................................ 19

3.2. ADAPTATION DE L’INDICE DE CONNECTIVITE POUR LES ZONES DE PLAINE 20

4. Perspective ............................................................................................................ 23

4.1. DISPONIBILITE DES DONNEES CARTOGRAPHIQUES DE “HAIES” POUR LE BASSIN LOIRE BRETAGNE : .......................................................................... 24

4.2. METHODE DE PRISE EN COMPTE DES HAIES DANS L’EVALUATION DE LA CONNECTIVITE .............................................................................................. 24

5. Conclusion ............................................................................................................. 27

6. Bibliographie ......................................................................................................... 29

Liste des figures

Figure 1 : représentation du bassin Loire – Bretagne et des altitudes issues du MNT (BDALTI®). Les chiffres romains indiquent les trois régions hydrographiques : I la Bretagne, II la Vendée et III le bassin de la Loire ....................................................................... 9

Figure 2 : réseau hydrographique de surface sur le bassin LB (d’après la BDCarthage) .......... 10

Figure 3 : densité de drainage par masse d’eau ......................................................................... 11

Figure 4 : Géologie du bassin Loire Bretagne et échelle des temps géologiques ...................... 13

Figure 5 : Occupation du sol sur le territoire Loire Bretagne (d’après Degan et al., en cours d’impression) ...................................................................................................... 14



Figure 6 : (a) Part de la superficie agricole utile (SAU) drainée dans chaque canton (d’après les statistiques du RGA 2010) et (b) densité du linéaire de haies par SAU dans chaque commune (d’après les données SOLAGRO, Pointereau et al., 2007) .............. 15

Figure 7 : Chemin d’écoulement entre la zone source A et l’éxutoire local B (d’après Borselli et al. 2008) .................................................................................................................. 19

Figure 8 : Définition de l’indice de connectivité selon Borselli et al. 2008 ................................... 20

Figure 9 : Connectivité moyenne par bassins versants (Gay et al, en cours d’impression), les valeurs sont regroupées en quartiles. ............................................................................ 21

Figure 10 : Disponibilité des données « haies » pour les 36 départements du bassin Loire Bretagne extraites de la BDTopo® par la catégorie « NATURE » de la couche VEGETATION en février 2015 ................................................................................................... 24

Figure 11 : Valeurs du P−factor fonction du pourcentage de surface occupée par les haies (pixels de 5 m) pour chaque pixel d’occupation du sol (50 m) ........................................... 25

Figure 12 : Carte de connectivité sédimentaire pour les 1350 BV et localisation des changements de classe de connectivité. Les zones transparentes correspondent aux valeurs précédentes de connectivité en quartile (sans prise en compte des haies) ...... 26



1. Introduction

L’érosion au sein des bassins versants est un processus naturel que les activités humaines peuvent fortement accélérer. L’intensification de l’agriculture au cours de ces dernières décennies s’est en particulier manifestée par d’importants remembrements, par le recours accru au drainage et par le recalibrage des cours d’eau. Ces aménagements ont eu pour conséquence un colmatage et un envasement des cours d’eau, ne permettant pas d’atteindre leur bon état écologique. Si les sources de ces transferts sont identifiées (érosion de surface, export par le drainage agricole, incision des cours d’eau,…) leur importance relative et les modalités de leur connectivité aux cours d’eau ne sont pas clairement définies.

A l’heure actuelle, l’identification des sources potentielles de ces particules se cantonne aux cartes d’érosion de versant (Le Bissonnais et al., 2002, Degan et al., 2014) afin d’identifier des “zones à risque”. Ces cartes mettent en exergue les zones pour lesquelles le détachement de particules peut être le plus important. Toutefois, il n’existe pas de correspondance systématique entre la distribution spatiale des taux d’érosion et les apports en sédiments dans les cours d’eau. En effet, seul le détachement des particules est considéré, leur transport jusqu’au cours d’eau n’est pas pris en compte. Il est donc nécessaire d’identifier toutes les sources potentielles de particules et d’identifier et quantifier leur connectivité. Pour cela il est essentiel de disposer de données quantitatives et qualitatives sur l’intégralité des sources de production de particules mais également sur leur transport à l’échelle d’un bassin versant.

L’objectif du projet Verseau est de répondre à cette problématique au travers de l’étude des transferts de matière dans les hydrosystèmes. Le travail est séparé en deux volets. Une première partie a consisté en la réactualisation et l’adaptation de la cartographie de l’aléa érosion des sols, fondée sur le modèle MESALES (Le Bissonnais et al., 2002). L’objectif était d’employer les nouvelles données disponibles (topographiques, climatologiques, pédologiques et d’occupation des sols) afin de préciser l’aléa érosif. Ces travaux ont été synthétisés dans un premier rapport (Degan et al., 2014).

L’objectif de ce deuxième volet du projet VERSEAU est donc de présenter les résultats concernant la cartographie du transfert de matière depuis les versants jusqu’aux cours d’eau par le biais de l’établissement d’indices de connectivité. Ce point a fait l’objet d’une thèse de doctorat (Gay, 2015). Ce rapport synthétise les principaux résultats et présente une carte de connectivité du bassin Loire Bretagne.

Le concept de connectivité est relativement récent et subit un engouement croissant dans la communauté scientifique pour décrire le lien entre les « sources » et les « puits » de ruissellement et de sédiments (Croke et al., 2005), en se référant à l’organisation spatiale des paysages. L’objectif est de mieux comprendre l’impact de l’hétérogénéité des versants sur les processus hydrologiques et géomorphologiques au sein des bassins versants (Western et al., 2001; Grayson et al., 2002 ; Lane et al., 2004 ; Croke et al., 2005 ; Troch et al., 2009). Dans le contexte de l’érosion et des exports de sédiments, on s’intéresse à la connectivité sédimentaire sur les versants, qui doit décrire le potentiel qu’ont les sédiments à être transférés vers la rivière.

Les résultats issus de ces recherches concernant la connectivité sont encourageants et indiquent que la prise en compte de la connectivité est primordiale dans l’évaluation des transferts de particules au sein de chaque compartiment du bilan sédimentaire (Delmas, 2011) mais également entre ces différents compartiments (Fryirs, 2013). Cependant, une grande majorité des études se focalise soit d’une part, sur des petits bassins versants dont les résultats



ne peuvent être extrapolés à l’échelle des grands bassins hydrographiques, soit d’autre part, sur les zones de montagne où les processus mis en jeu dans le transfert de particules diffèrent de ceux des zones de plaine. Ces études apportent donc une connaissance fine de ces divers aspects pour des zones particulières. Cependant, il existe peu d’études intégratrices de ces processus sur de larges territoires avec des paysages contrastés.

Le bassin Loire Bretagne étant constitué de zones de plaine et de montagne, il est nécessaire de développer une méthodologie qui prend en compte les processus mis en jeu dans la connectivité sédimentaire dans ces deux types de zones. L’étendue de ce territoire implique également la mise en place d’une approche homogène.

Dans un premier temps, les principales caractéristiques du bassin Loire Bretagne seront présentées ainsi que les bases de données utilisées (relief, hydrologie, géologie, occupation du sol). Ensuite le développement d’un indice de connectivité homogène adapté au contexte de ce bassin sera expliqué. Pour terminer plusieurs perspectives seront abordées pour permettre l’établissement d’une carte d’érosion connectée.



2. Présentation du bassin Loire Bretagne

Le bassin Loire-Bretagne (LB par la suite) s’étend sur environ 155 000 km2 représentant ainsi 28 % du territoire métropolitain. Situé à la fois dans les terres et sur la zone côtière, il compte 2 600 km de côtes soit 40 % de la façade maritime métropolitaine. D’un point de vue administratif, il regroupe 36 départements, soit 10 régions, plus de 7300 communes et 12 millions d’habitants. D’un point de vue hydrographique, il est découpé en trois sous parties (Figure 1) : le bassin de la Loire et ses affluents (~ 117 800 km2), les bassins côtiers vendéens (~ 117 800km2) et bassins côtiers bretons (~ 30 000 km2).

2.1. LE RELIEF

Le relief du bassin de la Loire (Figure 1) est très contrasté. En amont de la Loire, le Massif Central correspond à une zone de montagne avec un point culminant à 1847m et des pentes fortes allant jusqu’à 135 %. Plus en aval, le relief s’aplanit et laisse place à des zones de plaine. En Bretagne, le relief est également contrasté avec des zones de montagne au centre (altitude maximale = 385m, pentes maximales = 87 %) et des zones plus plates sur le pourtour côtier. La Vendée est un territoire peu contrasté en terme de topographie (altitude maximale = 278m, pente maximale = 52 %).

Figure 1 : représentation du bassin Loire – Bretagne et des altitudes issues du MNT (BDALTI®). Les chiffres romains indiquent les trois régions hydrographiques : I la Bretagne, II la Vendée et III le bassin de

la Loire

2.2. HYDROLOGIE

La Loire est le plus grand fleuve de France. Elle s’étend sur 1013 km et compte plusieurs affluents notoires tels que le Cher, la Vienne, ou l’Allier (longueur > 300 km). Son régime est de



type pluvial avec des débits plus importants pendant l’hiver et plus faibles en été. Son débit annuel moyen est de 911 m3.s−1 à Saint Nazaire. Bien que considéré comme l’un des derniers fleuves sauvages d’Europe, plusieurs barrages (Grangent et Villerest sur la Loire et Naussac sur l’Allier) ainsi que les prélèvements d’eau pour les usages industriels, agricoles, d’alimentation en eau potable ou de production d’électricité modifient le régime de son débit et la continuité sédimentaire. En Bretagne, de nombreux cours d’eau côtiers existent et le fleuve le plus important en termes de longueur et de débit dans cette zone est celui de la Vilaine (220 km, débit moyen annuel 76 m3.s−1 à Rieux).

Figure 2 : réseau hydrographique de surface sur le bassin LB (d’après la BDCarthage)

Au sein du bassin LB, on compte environ 136 000 km de linéaire de cours d’eau (d’après la BD Carthage, Figure 2). Ce réseau hydrographique est très dense sur les zones de fort ruissellement, principalement à l’ouest et à l’est du bassin LB où la densité de drainage atteint 3.17 km.km−2 (Figure 3). Au centre du bassin, le réseau hydrographique est peu présent et correspond à des zones de forte infiltration, notamment en région de Beauce où la densité de drainage est de 0.04 km.km−2.



Figure 3 : densité de drainage par masse d’eau

2.3. GEOLOGIE

La géologie du bassin LB est très contrastée et regroupe trois grands ensembles (Figure 4). Le centre est constitué de roches sédimentaires appartenant à la partie sud du bassin parisien et la partie nord du bassin aquitain. De part et d’autre se trouvent des massifs cristallins : le Massif Central au sud-est et le Massif Armoricain à l’ouest. Le Bassin Parisien est un bassin sédimentaire approximativement semi-circulaire qui couvre la moitié nord de la France. Les formations géologiques, du Trias au Tertiaire, sont disposées en auréoles concentriques dont les plus récentes affleurent au centre et les plus anciennes en périphérie. Les grandes formations aquifères du bassin de la Loire sont situées dans la partie centrale du bassin. Sur les pourtours du bassin de Paris, des karstifications locales dans les formations carbonatées du jurassique peuvent exister. Le Massif Central est principalement composé de granites et un peu de formations volcaniques. La plaine de la Limagne située dans les vallées de l’Allier et de la Loire en amont de la confluence de ces deux fleuves, résulte du comblement par des formations détritiques d’un bassin d’effondrement. Le Massif Armoricain est caractérisé majoritairement par la présence de granites au nord et au sud et d’une alternance de schistes et grès au centre. Dans la partie nord de la Bretagne, le socle est fortement fracturé par la présence d’un réseau de failles important.



Figure 4 : Géologie du bassin Loire Bretagne et échelle des temps géologiques



2.4. OCCUPATION DU SOL

Trois données d’occupation du sol à des résolutions différentes sont disponibles sur le territoire Loire Bretagne. Elles ont été combinées par Degan et al., (2014) pour produire d’une part, une carte d’occupation du sol et d’autre part, une carte de taux de couvert végétal par saison, intégrant les rotations culturales sur trois ans (2008, 2009 et 2010). Les auteurs ont ainsi utilisé deux BD relatives au domaine agricole : le RPG (Référentiel Parcellaire Graphique) fournit une carte de polygones des îlots parcellaires ainsi que des informations précises sur le type de culture pratiqué au sein de chaque parcelle pour une année donnée, et le RGA (Recensement Général Agricole) permet d’apporter des informations sur les cultures saisonnières (e.g. blé d’hiver, cultures de printemps). Enfin, la BD Corine Land Cover est utilisée pour compléter l’occupation du sol pour les zones où l’information est manquante (e.g., forêts, zones urbaines). Cette BD est structurée en trois niveaux, du plus général (niveau 1), avec 5 catégories d’occupation du sol, au plus détaillé (niveau 3) avec 44 catégories, avec un niveau intermédiaire (niveau 2) à 15 catégories.

Figure 5 : Occupation du sol sur le territoire Loire Bretagne (d’après Degan et al., en cours d’impression)

Le bassin Loire Bretagne est essentiellement dédié à l’agriculture (Figure 5). En effet, les territoires agricoles constituent 80.13 % du bassin, dont 44.63 % sont dédiés aux cultures diverses (blé, orge, maïs, colza, etc.), 49.63 % aux prairies, 0.86 % aux cultures permanentes et 4.67 % aux cultures hétérogènes. Le reste du bassin est constitué de forêts (14.81 % du bassin) et de territoires artificialisés (3.07 % du bassin). D’un point de vue géographique (Figure 5), la majorité des forêts se situe dans les zones montagneuses de l’amont du bassin de la



Loire (Massif Central) ainsi qu’au niveau du Val de Loire (forêt d’Orléans et de Sologne). A l’inverse, les terres arables se situent sur les pourtours du bassin de Paris et dans les plaines de la Limagne tandis que les prairies sont localisées sur les zones plus montagneuses en Bretagne et dans le Massif Central.

Figure 6 : (a) Part de la superficie agricole utile (SAU) drainée dans chaque canton (d’après les statistiques du RGA 2010) et (b) densité du linéaire de haies par SAU dans chaque commune (d’après

les données SOLAGRO, Pointereau et al., 2007)

D’autre part, de fortes disparités dans les pratiques environnementales existent sur le territoire. En effet, dans les années 1970, les politiques d’intensification de l’agriculture et du remembrement agricole ont conduit d’une part à l’arrachage massif des haies bocagères, dans le but de regrouper les parcelles entre elles, et d’autre part à l’implémentation de nombreux drains enterrés afin de cultiver des nouvelles surfaces. Aujourd’hui, certains drains ne sont plus actifs du fait de leur colmatage ou d’une utilisation différente des terres. Cependant, d’autres sont toujours entretenus. La Figure 6 (a) présente la part de la SAU drainée pour chaque canton. Pour ce qui est des haies, de nouvelles politiques ont émergé, incitant à la remise en place du bocage. La Figure 6 (b) présente la densité du linéaire de haies par SAU pour chaque commune.

D’après ces deux figures, deux ensembles peuvent être distingués. D’une part, au centre du bassin et dans la plaine de la Limagne, les zones agricoles dédiées aux céréales prédominent avec une forte part de SAU drainée et très peu de haies. D’autre part, en Bretagne et dans le massif central, sur les zones plus pentues, le bocage est plus dense et la part de SAU drainée est très faible, principalement dû au fait d’une occupation du sol à dominante pastorale.

La Figure 6 (b) souligne également les disparités existant au sein d’une même donnée. En effet, les données de linéaires de haies sont issues de campagnes cartographiques s’étendant de 2000 à 2008. Ainsi, les communes de certains départements se dénotent comme dans le Morbihan pour lequel les valeurs de densité de haies sont nettement plus basses que celles affichées dans les communes de la région de la Bretagne.



3. Développement d’un indice de connectivité adapté au contexte du Bassin Loire Bretagne

La connectivité hydro-sédimentaire, i.e. « le lien entre les sources et les puits de ruissellement et de sédiment » (Croke et al., 2005), est un élément clef dans l'étude de la redistribution des sédiments dans le paysage. Dans la mesure où ces redistributions sur les versants ou dans les cours d’eau sont préjudiciables aux systèmes environnementaux et aux populations, la compréhension et l’évaluation de la variabilité spatiale de l’érosion et des processus de transport de sédiments ont fait l’objet de nombreuses études et sont toujours un sujet central de recherche (Haregeweyn et al., 2013, Bisantino et al., 2015). L’émergence récente de la connectivité et des outils associés ont permis d’établir un nouveau cadre pour l’étude des paysages et des processus de redistribution (Bracken et al., 2013 and 2015) et pour la mise en œuvre de mesures efficaces de piégeage de sédiments (Mekonnen et al., 2014). Ainsi, la quantification de la connectivité à différentes échelles a progressé et différentes méthodologies ont été développées. Par exemple, des fonctions (Western et al., 2001) et des indicateurs (Darboux et al., 2001; Antoine et al., 2009) ont été développés pour évaluer la connectivité de l’échelle de la parcelle à celle du versant. A l’échelle du bassin versant, un schéma conceptuel est utilisé : celui du taux d’export de sédiment (Sediment Delivery Ratio, SDR, Walling 1983). Il s’agit du rapport entre l’érosion brute et l’érosion nette qui est utilisé pour fournir une première évaluation de la connectivité d’un bassin versant (Brierley et al. 2006; Baartman et al., 2013). Les budgets sédimentaires (Bracken and Crocke, 2007; Walling and Collins, 2008) et les indicateurs, par exemple la densité de drainage (Delmas et al., 2009) ou l’indice topographique d’humidité (Ali et al., 2013), peuvent également être utilisés pour donner un aperçu plus fin de la connectivité d’un bassin versant. Cependant, pour évaluer la contribution sédimentaire des différentes zones du bassin versant, des approches distribuées sont nécessaires, par exemple la théorie des graphes (Heckmann and Schwanghart, 2013) et les indices topographiques (e.g. Lane et al. 2009). Ces derniers ont été largement utilisés (e.g. Reid et al., 2007 ; Lane et al., 2009) en raison du peu de données d’entrées nécessaires et de la disponibilité grandissante des modèles numériques de terrain : ils permettent d’évaluer la connectivité de manière homogène sur de grands territoires ou dans des zones difficiles d’accès.

Récemment, Borselli et al. (2008) ont mis au point un indice semi-distribué basé sur la topographie et sur l’occupation du sol. Cet indice fournit des informations sur les connexions potentielles entre les zones sources et les puits. Cet indice a rencontré un grand succès dans la communauté scientifique en raison du peu de données d’entrée nécessaires, de sa facilité d’implémentation et de sa cohérence avec les observations de terrain. Cet indice a été appliqué avec succès par ses auteurs sur des bassins versants de taille moyenne (≤ 102 km²) en Italie. Il a également été utilisé par d’autres auteurs sur des bassins versants de taille semblable mais dans des buts différents : pour évaluer l'influence du changement de l’occupation du sol sur la connectivité en Espagne (López-Vicente et al., 2013 ; Foerster et al., 2014), pour suivre la dispersion des sédiments contaminés au Japon (Chartin et al., 2013) ou pour identifier les principales sources de sédiments se jetant dans les points de captage dans une zone semi-aride australienne (Vigiak et al. 2012), et dans le bassin méditerranéen (e.g., Sougnez et al., 2011).

Néanmoins, Borselli et al. (2008) ont souligné que les états de surface des sols qui influent sur les processus de ruissellement dans un bassin versant ou un versant devraient également être pris en compte. Des ajustements ont été proposés par Cavalli et al. (2013) afin de tenir compte des caractéristiques i) de la surface du sol, en introduisant un indice de rugosité comme facteur de pondération, et ii) des processus de transfert propres aux zones. Ces modifications ont



permis de tenir compte de différents types de processus de transport des sédiments qui peuvent être contrôlés ou non du point de vue hydrologique (Bracken et al., 2015). Cette nouvelle version de l'indice et a été appliqué en Italie par les mêmes auteurs, en Turquie (D'Haen et al., 2013) et en Suisse (Meßenzehl et al., 2014).

Par définition, les indices topographiques sont basés sur le fait que le transport des sédiments est contrôlé par l'inclinaison et l'orientation de la pente. Dans l'indice de connectivité de Borselli, la probabilité que les sédiments arrivant au point A atteignent B par ruissellement est basée sur les caractéristiques amont et aval du point A (Cf Fig.8 p20). L'indice élaboré dans le cadre de cette étude combine ces deux points de vue en évaluant le rapport dans lequel le paramètre pente joue un rôle dans les caractéristiques amonts et avals. Dans les bassins versants contrastés, l'application de cet indice va révéler une connectivité élevée dans les zones montagneuses, et faible dans les vallées. Cependant, dans les zones de plaine, l'utilisation d'un indice exclusivement basée sur la topographie peut ne pas révéler de zones où une forte connectivité serait induite par d’autres facteurs que la topographie (Fryirs et al., 2007, Ali et al. 2013).

La plupart des études portant sur la connectivité ont été menées dans des bassins versants où les sédiments sont transportés rapidement au cours d'un événement pluvieux, où le ruissellement est de type hortonien (Horton, 1945) et où l'intervention humaine sur le paysage est négligeable (par exemple des zones montagneuses, les zones semi-arides). Cette concentration d’efforts de recherche sur la connectivité dans ces domaines particuliers a déjà été mise en évidence par Bracken et al. (2013) et la principale raison de cet intérêt pour ces bassins est leur production importante en sédiments. En revanche, dans les zones de plaine où la production de sédiments est souvent inférieure (Gay et al., 2014), où l'agriculture intensive est prédominante et où le ruissellement peut être généré par la saturation du sol, peu de travaux ont été entrepris pour intégrer ces caractéristiques dans l'évaluation de la connectivité des sédiments. Pourtant, le colmatage des nombreuses rivières françaises de plaine et des lacs (par exemple Foucher et al., 2015 : Landemaine et al., 2015) montre que la connectivité entre les sources de sédiment et des rivières est un élément clef dans la redistribution des sédiments.

Dans ce contexte, l'objectif de cette étude est de fournir une évaluation de la connectivité pour un territoire de plaine (le bassin Loire Bretagne). L'évaluation de cette connectivité est réalisée grâce à un indice de connectivité basé sur celui proposé par Borselli et al. (2008), avec des contraintes de processus et d'échelle :

iii) les propriétés infiltrantes / ruisselantes des sols sont intégrées dans l'indice par l’intégration d’un indice de développement et persistance des réseaux (IDPR)1,

iv) l'évaluation se fait sur un grand bassin (~105 km²) comportant des zones montagneuses et des zones de plaine.

1 Indice comparant le réseau hydrographique théorique au réseau réel permettant de différentier les zones d’infiltration ou de ruissellement



3.1. INDICE DE CONNECTIVITE SEDIMENTAIRE DE VERSANT SELON BORSELLI ET AL. (2008)

Dans un premier temps, l’indice topographique de connectivité (IC) récemment publié (Borselli et al., 2008) a été appliqué au bassin Loire Bretagne comme première approche semi-distribuée. Les données utilisées pour l’évaluation de cet indice sont :

- le réseau d’eau de surface : la BD Carthage 2013 transformé en raster de 50 m de résolution

- la topographie : différentes cartes sont calculées à partir du MNT à 50m : o la carte des pentes o l’aire contributive o la distance aux cours d’eau (i.e. distance à parcourir pour atteindre les cours

d’eau) - l’occupation du sol : d’après Degan et al. 2014 (cf. § 2.4)

L’indice de connectivité est calculé en chaque pixel et représente la probabilité pour le sédiment issu de la zone amont, d’atteindre une cible définie (ici, les cours d’eau).

En d’autres termes, cet indice mesure le fait que le matériel présent à un endroit A atteint un endroit B avec une probabilité qui dépend de 2 composantes : la quantité de matériel présent en A et le chemin de A à B. La distance entre A et B est pondérée par la pente et le type d’occupation du sol que l’écoulement rencontre sur son passage alors que la quantité de matériel présent en A dépend de l’aire contributive, de la pente et du type d’occupation du sol de la surface contributive amont concernée.

Figure 7 : Chemin d’écoulement entre la zone source A et l’éxutoire local B (d’après Borselli et al.,

2008)

L’indice est calculé avec Arcgis10 en utilisant l’extension Analyse Spatiale. Il s’écrit sous la forme :

𝐼𝐶 = 𝑙𝑜𝑔10 (𝐷𝑢𝑝𝐷𝑑𝑛

)

Avec Dup la composante amont (fonction de l’aire contributive, de la pente et du type d’occupation du sol) et Ddn la composante avale (distance au cours d’eau pondérée par la pente et le type d’occupation du sol). L’indice de Connectivité IC peut ainsi varier dans ]- ∞ ;+∞[ . Plus l’indice est élevé, plus le pixel concerné est connecté au cours d’eau et inversement.



Figure 8 : Définition de l’indice de connectivité selon Borselli et al., 2008

3.2. ADAPTATION DE L’INDICE DE CONNECTIVITE POUR LES ZONES DE PLAINE

A l’échelle du bassin versant, la connectivité hydrologique peut être déduite de la densité de drainage (cf. Figure 3) (Delmas et al. 2009). Afin de prendre en compte les propriétés infiltrantes / ruisselantes des sols au sein du bassin Loire Bretagne, et donc les processus de connectivité hydrologique, un Indice de Développement et Persistance des Réseaux (IDPR) est inclus dans le modèle. L’IDPR a été développé par Mardhel et al. 2004. Cet indice soutient l’hypothèse que l’organisation du réseau de drainage hydrographique est dépendante des formations géologiques sur lesquelles il se développe. Il permet de comparer le réseau de cours d’eau théorique établi uniquement à partir de paramètres morphologiques homogènes (relief) au réseau réel de cours d’eau (ici la BD Carthage) qui s’est développé sur des formations géologiques hétérogènes. Cet indice varie entre 0 et +∞. Les valeurs inférieures à 1000 signifient que le réseau théorique est plus dense que le réseau réel et donc que l’infiltration est le processus dominant. A l’inverse les valeurs supérieures à 1000 indiquent que le réseau réel est plus dense que le réseau théorique et donc que le processus dominant est le ruissellement. Une approche qualitative a été mise en place afin de mettre en exergue les zones à forte ou faible connectivité à l’échelle des masses d’eau (Gay et al., in press).



Après le calcul de l’IDPR pour chaque pixel de la carte du bassin LB, un ré-échantillonnage des valeurs obtenues est nécessaire pour qu’elles varient entre 0,1 (connectivité nulle) et 1 (connectivité totale). Cet indice est ensuite utilisé pour pondérer Dup la composante amont et Ddn la composante avale.

Figure 9 : Connectivité moyenne par bassins versants (Gay et al, en cours d’impression), les valeurs sont regroupées en quartiles.

Les résultats obtenus indiquent que l’introduction de l’IDPR dans les zones de plaine ou collineuses (pentes < 7%) permet de prendre en compte les processus de ruissellement liés aux caractéristiques topographiques et/ou lithologiques des différentes zones du bassin (Figure 1 et Figure 4). Ainsi, la connectivité est augmentée (par rapport à l’approche Borselli) dans les zones où le ruissellement de surface par saturation est prépondérant et où le soutien à la connectivité est assuré par la présence d’une couche argileuse ou d’un aquifère peu profond. D’autre part, la connectivité est diminuée dans certaines zones montagneuses fortement fracturées ou dans les zones karstifiées. L’utilisation de cet indice modifié présente de nombreux avantages de par le peu de données d’entrée nécessaires et une implémentation facile du modèle.



4. Perspective

Au cours de cette étude, une carte de connectivité a été réalisée sur le bassin Loire Bretagne. La méthode mise en place est homogène, adaptée au contexte du bassin et n’utilise que des données existantes. Cependant il manque dans ce travail l’intégration d’éléments linéaires qui structurent le paysage (haies et bocages) et qui peuvent avoir une influence sur cette connectivité. Ces éléments ne peuvent pour l’instant pas être intégrés à l’échelle du bassin par manque de données homogènes disponibles sur l’ensemble du bassin versant LB.

Néanmoins, nous avons développé une méthodologie pour pouvoir intégrer ces éléments lorsqu’ils sont disponibles et pouvoir disposer d’une carte complétée quand toutes ces données auront été recensées.

D'après les études existantes concernant les haies, leur distribution spatiale et leur orientation dans les champs est un facteur important dans le piégeage des sédiments (Polyakov et al., 2005, Ouvry et al., 2012, Follain et al., 2006). Il existe une répartition spatiale optimale de haies pour réduire le ruissellement de l'eau et piéger les sédiments. De plus, l'efficacité des haies varie selon l'échelle de temps : à l'échelle de l'événement, de 31% à 76 % (Hai et al. 2000) et jusqu'à 95 % (Lee et al., 2003) des sédiments peuvent être arrêtés par la présence d'un tampon. Cependant, les auteurs indiquent également que la proportion de sédiments piégés varie fortement avec l'intensité et la durée de l'événement.

À l'échelle décennale, l'efficacité des haies dans le piégeage des sédiments n’a, à notre connaissance, jamais été étudiée car i) le sujet est trop récent dans la communauté de géomorphologie pour permettre des études à long terme, et ii) l'efficacité augmente pendant les premières années car les haies poussent, s’élargissent et les racines les stabilisent (Hai et al., 2000). A partir d’études réalisées sur deux années, Daniels et Gillian (1996) ont conclu que les filtres végétalisées entraînaient une réduction de la charge sédimentaire de 80 %. Malgré ces différentes avancées sur la connaissance de l'efficacité des haies, plusieurs études ont tenté d'intégrer la distribution spatiale et les propriétés des haies dans l’évaluation de la connectivité sédimentaire et dans la modélisation de la redistribution des sédiments à l'échelle de bassin versant de petite taille (Carluer et Marsily, 2004, Follain et al., 2006, Gascuel - Odoux et al., 2011, Lacoste et al., 2014, Viel et al. 2014). Les résultats de ces études indiquent que la prise en compte des haies modifie fortement les volumes de sédiments et d’écoulement et leur direction, et donc les sorties des modèles. Cependant, à une plus grande échelle spatiale, l’intégration des réseaux de haies dans l'évaluation de la connectivité est limitée par le grand nombre de données requises ou par la faible résolution des données disponibles. Dans de tels cas, l'évaluation de la connectivité des sédiments peut être basée sur des approches semi-distribuées, distribuées ou sur des équations empiriques dans lesquelles la présence de haies est prise en compte implicitement au travers des mesures de conservation des sols. Par exemple, le P-facteur de l'USLE (Universal Soil Loss Equation, Wischmeier et Smith, 1978) prend en compte les pratiques utilisées pour contrôler l'érosion et une valeur lui est affectée en fonction de la combinaison de différents paramètres tels que la pente du terrain, la présence de bandes enherbées, le sens du travail du sol par rapport aux lignes de niveau, et les terrasses (Blanco-Canqui et Lal, 2008).

En France, de fortes disparités spatiales de densité de haies existent. Par exemple, la Bretagne est bien connue pour son « bocage » dense, tandis que les zones de cultures de céréales, comme la région de la Beauce, ont très peu de haies. Même si plus de 200 000 km de haies ont disparu entre 1950 et 2000 en Bretagne (Mérot et al., 1999), cette région possède toujours le réseau de haies le plus dense d’Europe avec le Massif Central (Van der Zanden et al., 2013).



Une étude récente de Pointereau et al. (2007) basée sur des données acquises entre 2000 et 2008 confirme ces tendances à l'échelle nationale. Dans le bassin de la Loire, les auteurs indiquent que, dans les zones de cultures céréalières (principalement dans le bassin parisien et dans la plaine de la Limagne), la densité de haies reste très faible.

4.1. DISPONIBILITE DES DONNEES CARTOGRAPHIQUES DE “HAIES” POUR LE BASSIN LOIRE BRETAGNE

La BD Topo® de l’IGN fournit pour chaque département du territoire français, une couche vecteur des haies sous la forme de polygones. Dans le bassin Loire Bretagne, cette information est disponible pour 22 des 36 départements (Figure 10). Les polygones sont cartographiés à l'aide d’orthophotographies et d’enquêtes sur le terrain. La précision planimétrique est de 2,5 à 5 m. La durée maximale entre deux campagnes de terrain est de dix ans au plus par département pour assurer la validité des données finales. Les données « haies » les plus récentes pour les départements du bassin Loire Bretagne ont été collectées sur le terrain lors de campagnes entre 2007 et 2011.

Figure 10 : Disponibilité des données « haies » pour les 36 départements du bassin Loire Bretagne extraites de la BDTopo® par la catégorie « NATURE » de la couche VEGETATION en février 2015

4.2. METHODE DE PRISE EN COMPTE DES HAIES DANS L’EVALUATION DE LA CONNECTIVITE

Compte tenu de la précision planimétrique des données cartographiques de haies et de la résolution de la carte d'occupation du sol (pixels de 50 m), il a été choisi de transformer les polygones haies en raster de résolution spatiale 5 m.

La présence et les propriétés des haies sont prises en compte dans l’indice de connectivité au travers d’un facteur de pratique de conservation (P-factor de l'USLE, Wischmeier et Smith,



1978) en fonction du pourcentage de surface couverte par les haies (pixels de 5 m) dans chaque cellule de d’occupation de sol (pixels de 50 m).

Pour 25% des cellules, la couverture de haies ne dépasse pas 6 % de leur surface. Pour 25% des cellules, le pourcentage de couverture est supérieur à 25% et correspond à des configurations complexes telles que des largeurs importantes ou des coins de champ entourés de haies. Pour une couverture de haies inférieure à 25%, les valeurs du P-facteur sont affectées selon le pourcentage de surface occupée par les haies pour chaque cellule de la carte d'occupation du sol (Figure 11). Si le pourcentage de couverture de haie est supérieur à 25 %, le pixel d’occupation du sol est considéré comme une zone boisée. La valeur du C-factor est ainsi de type «forêt» (C-factor = 0,001) et le P-facteur n’est pas pris en compte.

Figure 11 : Valeurs du P−factor fonction du pourcentage de surface occupée par les haies (pixels de 5 m) pour chaque pixel d’occupation du sol (50 m)

Pour le calcul de l’indice de connectivité, le P−factor relatif à la présence de haies est inclus dans :

la composante amont (Dup) en agissant sur le facteur occupation du sol

la composante avale (Ddn) en agissant sur le facteur occupation du sol et en augmentant la distance aux cours d’eau au passage d’une haie.

Une première carte d’indices de connectivité a ainsi pu être calculée dans les départements où des données de haies étaient disponibles (Figure 12).



Figure 12 : Carte de connectivité sédimentaire pour les 1350 BV et localisation des changements de classe de connectivité. Les zones transparentes correspondent aux valeurs précédentes de connectivité

en quartile (sans prise en compte des haies)

La prise en compte des haies entraîne une forte diminution de la connectivité. La connectivité minimale n’est pas modifiée car elle correspond aux zones boisées. La connectivité sédimentaire diminue sur 71 % des pixels. Cette diminution s’observe au niveau des pixels proches du réseau hydrographique et correspond à la déconnexion des rivières par la végétation riparienne. Ces éléments peuvent ainsi déconnecter des bassins versants entiers.

A l’échelle des bassins versants, la connectivité moyenne diminue également. Pour 365 des 1350 bassin versants, la connectivité a diminé d’une classe et de deux classes pour 3 bassins versants. Ces changements concernent essentiellement les bassins versants qui présentaient une connectivité très élevée (150) à élevée (149). En global, 26 % des changements de connectivité des bassins versants se situent dans le massif Central alors que le Massif armoricain concentre la plupart des changements de classe de connectivité (59%). Les 15 % restant se situent sur les bords du bassin parisien (Figure 11).

Ces résultats prenant en compte la connectivité structurelle (haie) et fonctionnelle (IDPR) indiquent que les pixels et les bassins versants sont beaucoup moins impactés par la présence de haies que par l’infiltration ou les propriétés de ruissellement par saturation.



5. Conclusion

L’objectif de ce deuxième volet du projet VERSEAU était de présenter la cartographie du transfert de matière depuis les versants jusqu’aux cours d’eau par le biais de l’établissement d’une carte de connectivité sur le bassin Loire Bretagne. La méthode mise en place est homogène, adaptée au contexte du bassin et n’utilise que des données existantes.

L’indice topographique de connectivité (IC) récemment publié (Borselli et al., 2008) a été appliqué au bassin Loire Bretagne, puis un paramètre distribué (i.e., IDPR) reflétant les propriétés infiltrantes / ruisselantes des sols a été intégré au calcul de cet indice de connectivité. Ces deux indices de connectivité ont été utilisés de manière qualitative pour comparer les valeurs de connectivité moyenne à l’échelle du bassin Loire Bretagne. Sur ce grand territoire caractérisé par des paysages variés, l’indice de connectivité de Borselli fait ressortir une connectivité importante des versants avec les cours d’eau dans les zones de forte pente et une connectivité faible dans les zones de plaine. Dans ces zones de plaine, où le ruissellement dépend également de la saturation, l’indice topographique de Borselli ne reflète pas la connectivité sédimentaire induite par les propriétés lithologiques des bassins versants. L’introduction de l’IDPR dans l’indice de connectivité permet de prendre en compte les processus de ruissellement dans les zones planes ou de forte pente. Les changements de classe de l’indice de connectivité impliqués par cette modification impactent 51.5 % des bassins versants. 24.1 % des augmentations de l’indice de connectivité correspondent à des zones argileuses, à des zones peu perméables du socle granitique et à des zones ayant des aquifères peu profonds. 27.4 % des diminutions de l’indice de connectivité correspondent à la présence d’un substratum rocheux très fracturé ou de formations sédimentaires karstiques.

Une méthodologie a également été développée pour pouvoir intégrer des éléments linéaires qui structurent le paysage (haies et bocages) et qui peuvent avoir une influence sur les transferts de sédiment. Néanmoins l’intégration ne peut pas encore être totalement réalisée par manque de données homogènes disponibles sur l’ensemble du bassin versant LB.

Pour le moment, cette méthode a été appliquée dans les départements où les données de haies sont complètes. Elle permet de mettre en évidence le fait que l’introduction d’une connectivité structurelle entraîne une diminution de la connectivité mais que le ruissellement et l’infiltration ont un rôle prédominant dans les transferts de sédiment à l’échelle des réseaux hydrographiques.



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