Les retenues des moulins sont-elles lentiques, lotiques ou mixtes? (Donati et al 2019)

Une masse d'eau lentique a pour caractéristique que sa température est stratifiée, c'est-à-dire différente au sommet et à la base de la colonne d'eau. Cette signature thermique tient au fait que l'eau n'y est pas turbulente, dès lors pas mélangée, contrairement à un cours d'eau lotique (à courant vif): la surface et le fond divergent donc. Trois chercheurs ont analysé des retenues de moulins dans deux rivières à conditions hydroclimatiques différentes, dans le Centre et l'Est du pays. Leur conclusion: la stratification thermique y est généralement faible à nulle, limitée à quelques périodes de l'année et heures de la journée. On ne peut donc pas dire selon eux que le comportement thermique de ces retenues de moulin est de nature lentique. Ce travail rappelle que la politique publique des retenues, étangs, réservoirs et lacs en France repose trop souvent sur des approximations non fondées sur des faits et des mesures.

Francesco Donati, Laurent Touchart et Pascal Bartout (Université d’Orléans, Département de Géographie) ont analysé le comportement thermique de quatre retenues de seuils de moulin.

Voici comment les auteurs exposent la motivation de leurs travaux :

"Les cours d'eau de France métropolitaine sont potentiellement exposés à la dégradation causée par les ouvrages hydrauliques, du fait de leur diffusion sur les rivières du pays. Parmi ces structures, on trouve des seuils, omniprésents au sein du réseau hydrographique français. Dans un cours d'eau, la présence d'un seuil entraîne une modification de ses conditions hydrauliques, dont l'effet le plus remarquable est la formation d'une zone de vitesse d'écoulement lent en amont (Csiki & Rhoads, 2010). Cette réduction de vitesse pourrait être de nature à provoquer une sorte d'effet barrage, favorisant la formation de zones d'écoulement lentique (Malavoi & Salgues, 2011) et la substitution des caractéristiques lotiques du cours d'eau par des caractéristiques lentiques (Souchon & Nicolas, 2011), mais les études pour le confirmer ou l'invalider manquent pour les contextes français.
Les cours d'eau en amont sont-ils convertis en plans d'eau stagnants ou conservent-ils leurs caractéristiques actuelles? A travers des études de cas françaises, utilisant le paramètre de température de l'eau, qui est la principale cause de stratification de la densité de l'eau, l'objectif de cette étude est d'essayer de répondre à cette question pour mieux comprendre les effets des déversoirs sur les milieux aquatiques."

Pour répondre à cette problématique, les chercheurs ont étudié deux rivières de types hydro-climatiques différent : trois retenues de moulin sur les Mauves, affluents de la Loire qui coulent sur 45 km dans le département du Loiret, à l'ouest de l'agglomération d'Orléans ; une retenue de moulin sur la rivière Zinsel du Nord, affluent de la Moder qui coule sur 43 km entre les départements de la Moselle (57) et du Bas-Rhin (67), dans le nord-est de la France.

Comment différencier une eau lentique et lotique? Par la stratification thermique de la colonne d'eau.

"Pour comprendre si les cours d'eau en amont des seuils conservent leurs caractéristiques lotiques ou s'ils ont des caractéristiques lentiques, la méthodologie déployée est basée sur l'étude des propriétés thermiques de l'eau. En effet, le principal discriminant entre les eaux courantes et les eaux stagnantes est la stratification thermique de la colonne d'eau (Wilhem 1960; Touchart 2002). Bien qu'elle présente des moments d'uniformité, la normalité d'une eau stagnante est sa stratification selon un gradient vertical de densité de température, tandis que la normalité d'une eau courante est l'homogénéité physico-chimique de la colonne d'eau, car la turbulence empêche la distinction des couches d'eau et leur superposition (Touchart 2007, a)."

Les chercheurs ont donc mesuré la température en haut et en bas de la colonne d'eau dans les retenues, de février à décembre, pour un total de 35.529 données brutes analysables.

Les résultats indiquent d'abord que le delta de température (hétérothermie) n'est présent qu'une petite partie de l'année sur les sites (plus souvent en été), avec des signatures différentes, le plus souvent faible (moins de 0,5°C) hors un site (moulin Nivelle sur les Mauves, en haut).

Evolution de la stratification sur 10 mois, extrait de Donati et al 2019, art cit.

Les résultats indiquent ensuite que ce delta  n'est présent que dans certaines heures de la journée, essentiellement entre 11:00 et 16:00

Heures de la journée où une stratification de l'eau est observable, extrait de Donati et al 2019, art cit.

Conclusion des chercheurs :

"Les résultats montrent que la présence d'un seuil n'est pas synonyme de substitution des caractéristiques lotiques d'un cours d'eau. En effet, dans une seule des zones d'étude parmi les quatre analysées, celle du moulin de Nivelle, une signature thermique similaire à celle de certains plans d'eau a été observée, et même alors exclusivement pendant les mois centraux de l'été. Pendant la partie la plus chaude de l'année, dans les autres zones d'étude, l'homogénéité physique de la colonne d'eau a également été "perturbée", mais la nature épisodique de ces moments d'hétérogénéité conduit à les classer comme stratification thermique normale observable dans les cours d'eau. L'apparition de caractéristiques lentiques ne semble pas dépendre de facteurs climatiques, mais plutôt de facteurs locaux. En effet, elles n'ont été observées que lorsque certaines conditions environnementales étaient réunies sur le tronçon, notamment une bonne exposition au soleil et un débit particulièrement lent."

Discussion
La politique publique des ouvrages hydrauliques en France a été construite au fil des décennies sur des trajectoires institutionnelles empruntant diverses motivations. L'une d'elle est que la substitution d'un style lotique par un style lentique contreviendrait à certaines propriétés supposées d'intérêt du tronçon (au gré des arguments avancés, parfois de manière disparate et souvent de manière non mesurée: ses fonctionnalités, sa naturalité, sa diversité, son auto-épuration, etc.). Le travail mené par Francesco Donati et ses collègues suggère que dans le cas des chaussées de moulin, cette hypothèse n'est pas forcément vérifiée quand on adopte une approche limnologique, car le caractère lentique des retenues doit être préalablement défini et ensuite caractérisé au droit des sites, pas présumé.

Nous ne pouvons que nous féliciter de l'émergence de ces travaux de plus en plus précis sur les ouvrages anciens des cours d'eau, qui sont de véritables orphelins de la recherche académique. Les politiques publiques sont construites sur des savoirs partiels, et parfois biaisés par le choix des phénomènes que l'on va mesurer et ceux que l'on va ignorer. Notre association demande que des programmes de recherche soient dédiés à l'examen de la biodiversité et de la fonctionnalité des hydrosystèmes anthropisées, en particulier les plus anciens et les plus nombreux, ceux des retenues et des biefs de moulins, des étangs, des lacs de barrage. Le sujet est d'autant plus critique que des choix sont faits pour détruire ces milieux sur argent public au nom de la "continuité écologique". Les acteurs institutionnels (ministère de l'écologie, agence de la biodiversité, conseils scientifiques des agences de l'eau) sont pour le moment dans une attitude de déni d'intérêt et d'ignorance volontaire vis-à-vis de cette question. Pourtant, les avancées de la recherche suggèrent que nous connaissons mal ces milieux sur lesquels nous intervenons.

Référence : Donati F et al (2019), Do rivers upstream weirs have lotics or lentics characteristics?, Geographia Technica, 14, 2, 1-9

Manifeste pour une ruralité conquérante

Un Manifeste pour une ruralité conquérante vient d'être publié. Il souligne le rôle moteur que peuvent et doivent jouer les territoires de nos campagnes dans la transition énergétique et écologique en cours. Les premiers signataires sont le climatologue Jean Jouzel, le sociologue Jean Viard, les anciens ministres Brice Lalonde et René Souchon, Vanik Berberian, président de l’Association des maires ruraux de France, ainsi que des parlementaires de tous bords. L'association Hydrauxois, qui oeuvre à la protection des patrimoines sociaux, naturels et historiques de l'eau dans nos territoires ainsi qu'à la promotion des énergies renouvelables, apporte son soutien à cette démarche. Nous encourageons nos adhérents et nos consoeurs associatives à le faire aussi. 

Le Manifeste de la ruralité conquérante

Les révolutions industrielles des 19ème et 20ème siècles ont consacré le progrès technique dans nos sociétés. De ce fait, et du fait du développement économique qui s’en est suivi, les populations, les activités, les flux et les capitaux se sont concentrés dans des zones urbaines de plus en plus étendues.

Aujourd’hui, notre modèle de consommation mortifère, le risque d’effondrement et la crise climatique rebattent les cartes et questionnent notre rapport global à la nature ainsi que notre place dans l’écosystème.

La question du vivant remplace la question de la machine. Le respect de ce vivant et des écosystèmes, la collaboration plutôt que la compétition, les synergies et la recherche de terrains d’entente sont autant de nouveaux référentiels.
La nature nous fait vivre, nous avons eu tendance à l’oublier…
La nature et les êtres humains, leurs interactions, tel est le lieu de la ruralité.

Et si, après deux siècles centrés sur le technique, les clés du progrès au 21ème siècle se trouvaient dans le monde rural pour une révolution non plus industrielle mais écologique ?

C’est ici que sont les sources d’énergies nouvelles, le vent, le soleil, la chaleur de la terre et la force des cours d’eau.
C’est ici que des femmes et des hommes cultivent la terre et élèvent des bêtes en osmose avec une nature dont ils connaissent les caprices et la puissance.
C’est ici que l’on sait faire tout avec peu, dans une sobriété de moyens et une ingéniosité toute rurale.
C’est ici que sont beaucoup de nos grandes industries qui cherchent à s’adapter aux nouvelles exigences d’un monde qui change.
C’est ici que l’autonomie alimentaire se construit en coopération avec les villes et les métropoles voisines, en répondant à leurs attentes.
C’est ici que la transition écologique doit prendre tout son sens.

Reconsidérer le rôle que jouent les espaces ruraux dans la nouvelle définition du progrès;
Faire de la transition écologique l’opportunité d’un nouveau développement social, environnemental et économique;
C’est ça la ruralité conquérante.

Faire de notre agriculture le pivot de cette transition, en valorisant des productions de haute qualité, les services environnementaux comme le stockage carbone, la protection de la biodiversité et la préservation de nos paysages;
Accueillir les industries et les productions manufacturières nouvelles ;
Investir massivement dans des projets scientifiques ruraux d’avenir;
C’est ça la ruralité conquérante.

Ne plus subir, ne plus être nommés «zones défavorisées», «zones à revitaliser», «déserts médicaux», mais se vivre comme des espaces à haut potentiel, prêts à répondre à ces défis vitaux grâce à notre créativité rurale;
Faire du maillage de nos villages et de la proximité qu’ils suscitent une force dans cette transition et un laboratoire d’expérimentations citoyennes innovantes;
Devenir une destination de prédilection pour tous ceux qui cherchent un cadre de vie sain, à dimension humaine et au rythme apaisé;
C’est ça la ruralité conquérante.

Un monde est à inventer, nous devons changer notre façon d’habiter la terre.
Nous croyons que la bataille écologique sera locale et citoyenne.
Nous nous engageons pour que notre pays, fort d’un modèle rural original, unique au monde, devienne un précurseur dans «la refonte d’un pacte territorial autour de nos terres arables, de nos mers et de nos forêts» (Jean Viard)

Nous voulons, avec toutes les forces vives en présence, devenir le fer de lance de cette ruralité conquérante !

Pour signer vous aussi

A lire sur le sujet
Eau, climat, vivant, paysage; s'engager pour les biens communs

Comment les humains accélèrent l'érosion et le transfert des sédiments depuis 4000 ans (Jenny et al 2019)

Une équipe de chercheurs internationaux de l'Inra et l'Institut Max Planck ont analysé les changements dans l'érosion des sols à travers des dépôts de sédiments lacustres dans plus de 600 lacs à travers le monde. Ils ont montré que l'accumulation des sédiments a ponctuellement augmenté de manière significative voici déjà 4000 ans. A cette même période, le couvert forestier a diminué. Les changements des taux d'accumulation de sédiments au niveau régional sont corrélés aux développements socio-économiques et à l'implantation des populations humaines dans l'histoire, altérant peu à peu les écosystèmes terrestres et aquatiques. Cela pose question sur les effets des évolutions encore plus rapides des usages des sols de nombreux bassins versants depuis un siècle, suggérant que les hydrosystèmes tels que nous les observons sont en phase de réponse dynamique à ces impacts. 

(Extrait de Jenny et al 2019, art cit)

Au cours du Holocène (période naissant à la fin de la dernière glaciation), les modifications anthropiques des bassins versants, comme le défrichement et le brûlis de la végétation, l'expansion agricole et urbaine, ont entraîné des fluctuations rapides des taux d'érosion des sols. On estime que cela a pu accélérer l'érosion de 10 à 100 fois dans certaines régions. Mais il est encore difficile de savoir à quel moment une partie importante de la surface de la Terre est passée des taux d’érosion des sols par cause climatique à des taux dominés par des causes anthropiques.

Jean-Philippe Jenny (Centre alpin de recherche sur les réseaux trophiques et les écosystèmes limniques) et 11 collègues viennent de publier dans la revue PNAS une compilation remarquable d'analyse de sédiments lacustres à travers le monde pour comprendre cette dynamique à long terme des transferts de sédiments (illustration ci-dessus : les sites étudiés).

Voici le résumé de leur recherche :

"L'érosion accélérée des sols est devenue une caractéristique omniprésente dans les paysages du monde entier et il est reconnu qu'elle a des implications importantes pour la productivité des terres, la qualité de l'eau en aval et les cycles biogéochimiques. Cependant, la rareté des synthèses globales prenant en compte les processus à long terme a limité notre compréhension de la période, de l'amplitude et de l'étendue de l'érosion des sols sur des échelles de temps millénaires. Dès lors, nous ne sommes pas en mesure de prédire les réactions de l'érosion des sols aux changements du climat et de la couverture des sols à long terme. 

Ici, nous reconstruisons les taux de sédimentation pour 632 lacs sur la base de chronologies contraintes par 3 980 datations au carbone 14 calibrées afin d'évaluer les changements relatifs des taux d'érosion des bassins versants au cours des 12 000 dernières années. La dynamique estimée de l'érosion du sol a ensuite été complétée par des reconstitutions de la couverture terrestre déduites de 43 669 échantillons de pollen et par des séries chronologiques sur le climat issues du modèle de système terrestre de l'Institut Max Planck. 

Nos résultats montrent qu’une partie importante de la surface de la Terre a déjà bifurqué vers un taux d’érosion des sols provoqué par l’homme voici 4 000 ans. En particulier, les taux inférés d’érosion des sols ont augmenté dans 35% des bassins versants, et la plupart de ces sites ont montré une diminution de la proportion de pollen arboricole, ce qui serait attendu avec un défrichement. Une analyse plus approfondie a révélé que le changement de couverture terrestre était le principal facteur d'érosion présumée des sols dans 70% des bassins versants étudiés. Cette étude suggère que l'érosion des sols altère les écosystèmes terrestres et aquatiques depuis des millénaires, entraînant des pertes de carbone (C) qui auraient pu induire des rétroactions sur le système climatique".

En conclusion de la recherche, les auteurs précisent :

"Ces résultats suggèrent que l'abondance des arbres dans les bassins versants était le principal facteur expliquant les variations temporelles de l'érosion des sols, la déforestation anthropique expliquant l'accélération de l'érosion au cours des derniers millénaires. Nos résultats mettent en évidence l’importance de la grande échelle (en termes de distribution des données lacustres au niveau mondial, mais pas en termes de superficie totale contributive) et des processus à long terme sur l’érosion des sols déduits des taux d'accumulation sédimentaire, et la manière dont les activités humaines ont commencé à agir sur ces processus beaucoup plus tôt que d’autres signatures de l’Anthropocène à l’échelle mondiale, par exemple, l’appropriation humaine du cycle de l’azote depuis 1860. Cette analyse à l'échelle mondiale des archives paléolimnologiques ajoute aux preuves croissantes que les humains augmentent simultanément le transport fluvial de sédiments par l'érosion des sols et réduisent ce flux vers la zone côtière grâce à la rétention des sédiments dans les réservoirs."

Discussion
Beaucoup d'auteurs proposent de nommer notre époque Anthropocène, en raison de l'influence humaine prépondérante sur la planète, et de dater le début de cette époque à la révolution industrielle. Mais d'autres travaux dessinent un portrait plus graduel de cette influence humaine, avec de notables changements perceptibles dès la croissance démographique ayant accompagné la sédentarisation néolithique. Au point que l'Anthropocène pourrait peut-être se confondre avec l'ensemble du Holocène...

Dans une conférence donnée à notre association, Jean-Paul Bravard avait exposé combien la dynamique géo- et hydromorphologique des bassins versants doit s'interpréter sur le temps long, car des impacts croisés à plusieurs échelles spatiales et temporelles s'observent dans ces bassins. Ces travaux en sont une illustration, et ils rejoignent d'autres recherches ayant analysé sur le long terme la morphologie de bassins versants (par exemple Lespez 2015, Verstraeten et al 2017, Brown et al 2018).

Une chose paraît sûre : quand la politique publique de l'eau en France parle de la "circulation des sédiments", elle renvoie à une réalité qui est très modifiée par l'humain, pas seulement à travers l'obstacle à la circulation de ces sédiments (qui focalise l'attention et l'action), mais déjà à travers les sources de ces sédiments dans les bassins versants. Au regard des évolutions agricoles et urbaines accélérées depuis 100 ans, il paraît difficile de mener une gestion sédimentaire de bassin sans analyser les dynamiques des usages des sols et de leurs effets.

Référence : Jenny JP et al (2019), Human and climate global-scale imprint on sediment transfer during the Holocene, PNAS, 116,46,22972-2297.

Les ouvrages du Serein et la sécheresse

A l'occasion de notre assemblée générale, un riverain nous a fait parvenir des photographies de son suivi du Serein médian lors de la sécheresse 2019. La rivière a subi des assecs et les dernières zones offrant encore une certaine hauteur de lame d'eau en sortie d'étiage étaient par endroit les retenues ou biefs de moulin. Les chercheurs nous disent que les sécheresses d'intensité aujourd'hui exceptionnelle risquent de devenir la norme sur certains territoires d'ici 2050. Dans l'ensemble des chantiers de continuité écologique à venir, les gestionnaires publics doivent désormais garantir que les solutions proposées ne diminueront pas la ressource en eau disponible sur les sites, que ce soit le volume d'eau des retenues, les milieux des annexes hydrauliques que forment les biefs, les échanges avec les sols et les aquifères, la capacité à retenir et diffuser l'eau dans les périodes où elle est en excès, notamment comme en ce moment où nous revenons dans la période des crues d'hiver et de printemps. La loi ordonne la protection de cette ressource en eau tant pour les espèces qui y vivent que pour les usages et agréments humains qui en dépendent. Cette loi devra être respectée. Faire des rivières des tuyaux où tout s'écoule plus vite (notamment les pollutions si mal traitées) n'est plus un choix adapté aux enjeux écologiques. 

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La géohistoire du bassin de la Seine à travers ses cartes

ArchiSEINE est le nom d'un projet du PIREN (programme de recherche interdisciplinaire en environnement) né de la volonté de décrire l’évolution du territoire du bassin de la Seine en tenant compte des pressions exercées par l'action humaine depuis le XIXe siècle. Les évolutions territoriales du système fluvial sont retracées grâce à un corpus de cartes et documents anciens. Cette démarche montre notamment l'ancienneté des aménagements humains de l'eau et la persistance actuelle de dynamiques à l'origine déjà lointaine dans le temps. Une complexité qui devrait nous prémunir de certains discours un peu simplistes sur la nature et la renaturation.  

Rescindement d’une boucle de la Seine à Riancey (1821)

Les cartes en France proviennent notamment de la gestion royale puis républicaine du territoire, avec des corps d'experts rattachés à l'administration centrale ou d'autres répondant à ses commandes:

"L’avènement de la carte en France est lié à la création de l’Académie des Sciences par Colbert en 1666. Des méthodes cartographiques précises ont été développées. La triangulation est née sous l’égide de Jean Picard ainsi que de la célèbre dynastie du géographe Jean-Dominique Cassini qui a procédé à la couverture cartographique de la France dans son ensemble. Au XVIIIe siècle, la création de l’École des Ponts et Chaussées permet la formation pratique des élèves qui ont dans leur cursus l’obligation de participer au levé de la carte du Royaume. Progressivement, les fonctions de la carte évoluent et passent du statut d’objet à celui d’outil, utile aux projets d’aménagement d’un territoire et nécessaire à la prise de décision. (...) Cet intérêt pour la représentation cartographique des cours d’eau est aujourd’hui encore au cœur des questions d’aménagement et de gestion des territoires. En 2015, une instruction du gouvernement demandait aux services de l’État d’établir une cartographie complète des parties du réseau hydrographique qui doivent être considérées comme des cours d’eau." 

Ce fascicule du PIREN-Seine s’intéresse à la manière dont la carte ancienne peut être mobilisée pour caractériser l’état d’un milieu à un moment donné à ce temps « t ». La comparaison de cartes de différentes périodes permet ensuite de reconstruire la trajectoire des rivières du bassin de la Seine.

Dans le cas de la Seine, la navigation a été l'un des principaux motifs d'aménagement du fleuve. Par exemple, cet extrait d’une série de cartes de la Seine de Paris à Rouen par Philippe Buache [1731-1766] indique les principaux obstacles à la navigation en vue de les corriger par calibrage du lit:

Environs de Nanterre et Chatou au XVIIIe siècle, carte de Philippe Buache. Cliquer pour agrandir.

Un chapitre du fascicule est consacré à La Bassée, plus grande plaine inondable du bassin de la Seine supérieure et la plus importante zone humide d’Île-de-France, entre la confluence Seine-Aube (Romilly-sur-Seine) et la confluence Seine-Yonne (Montereau-Fault-Yonne), classée en zone naturelle d’intérêt écologique, faunistique et floristique. La Seine rectifiée y côtoie de nombreux bassins nés de gravières, soit un système largement artificialisé.

La superposition de cartes permet de retracer près de deux siècles d'évolution du lit:

Évolution du tracé en plan entre 1839 et 2010, issue de l’analyse des cartes anciennes. Cliquer pour agrandir.

Dans leur conclusion, les auteurs soulignent :

"les études géohistoriques présentées ici montrent l’importance des bouleversements subis par la Seine. Deux points méritent d'être soulignés : (1) les changements sont rapides (moins de deux siècles) et induits par une grande diversité d’aménagements, (2) la plasticité naturelle de l’hydrosystème s’ajuste et s’équilibre en fonction des transformations et rend complexe l’équation entre développement socio-économique, gestion du risque d’inondation et maintien de la biodiversité".

Ces données rendent aussi perplexes sur la présentation de la "renaturation" non comme projet paysager (ce qui peut se concevoir) ou comme préférence à certaines fonctionnalités plutôt qu'à d'autres (idem) mais comme restauration d'un profil antérieur idéalisé de la nature. D'autant que si l'on remonte par l'archéologie et l'histoire environnementales vers des états plus anciens que ceux représentés sur les cartes modernes, on trouve que la Seine avait déjà évolué à partir de l'Antiquité. Il faut alors admettre, à rebours du naturalisme naïf entourant parfois la mise en scène des questions écologiques, que nous sommes toujours devant des choix sociaux, économiques et politiques de configuration de la nature. Mais d'où parlent tous les acteurs de ces choix, lorsque le voile d'illusion de "la nature" est levé? Voilà une cartographie qu'il faut aussi dresser pour informer le débat démocratique.

Référence : L. Lestel, D. Eschbach, R. Steinmann, N. Gastaldi (2018), ArchiSEINE : une approche géohistorique du bassin de la Seine, Fascicule #18 du PIREN-Seine, ISBN : 978-2-490463-07-7, ARCEAU-IdF, 64 p.