Hydro sédimentologie


Nous avons pu avoir accès à une étude réalisée en 2001 par le cabinet SCE (Stratégie, Conception, Etudes) pour le compte du SMN (Service Maritime Navigation) concernant la restauration et l'entretien des bras de Saint Aubin et de Sainte Gemmes. Celle-ci nous a paru particulièrement intéressante, non pas pour polémiquer sur telle ou telle partie du sujet, mais parce qu'elle concerne un système hydraulique complexe, tel qu'il en existe de nombreux en Loire et où l'ensablement et le creusement du lit sont au cœur du problème.
Bien entendu, résumer ainsi plus de 150 pages d'étude est une gageure qui ne peut prétendre à l'exhaustivité, rien n'est absolu dans une synthèse. Nous nous sommes efforcés d'apporter des informations dans tous les domaines concernés afin de nourrir ainsi la réflexion de chacun. La première partie est consacrée à l'énoncé des éléments et des moyens d'étude à prendre en compte dans l'analyse des écoulements et des sédimentations. La deuxième partie est consacrée aux résultats observés après les travaux effectués dans les deux bras.
L'étude de ce dossier incite à beaucoup de prudence et à beaucoup de modestie.


ELEMENTS DE L’ETUDE

Topographie des bras

Au droit des Ponts-de-Cé et de Sainte Gemmes, le réseau des différents bras de Loire est complexe et peut être schématisé selon la représentation infographique ci-dessous de SCE. Une des difficultés est qu’il n’existe pas de relevés topographiques des différents bras à une même époque ce qui a rendu nécessaire d’avoir recours à une numérisation du terrain pour disposer d’une analyse homogène des profils des fonds. Cette méthode permet de dégager des informations suffisamment représentatives de la topographie des différents bras pour pouvoir être prises en compte et permettre de décrire chacun d’eux.

Le bras de Sainte Gemmes

La partie du bras comprise entre la commune et la confluence avec la Loire présente des fonds plus profonds le long de l’Ile aux Chevaux alors que la rive droite est en pente douce. Au droit du village, la zone principale d’écoulement à tendance à longer la rive droite avec la présence d’une fosse. Au droit du débouché de l’Authion, les fonds du bras sont assez perturbés avec un axe d’écoulement dans le prolongement de l’Authion et un axe secondaire le long de l’Ile aux Chevaux. qui correspond à l’arrivée des eaux de l’amont du bras. Juste en amont du camping, la zone rocheuse du Grand Jar vient partiellement obstruer le lit en rive droite et force les écoulements vers la rive gauche. Dans la partie amont du bras, la section est constituée d’un important dépôt de sable en rive droite et un chenal nettement marqué en rive gauche.
La pente en aval de Sainte Gemmes est très faible alors que dans la partie amont il existe même des contre-pentes.

Le bras de St Aubin

La partie en aval du Pont de Verdun possède une zone d’écoulement préférentiel le long du camping avec, en rive droite des pentes douces complètement végétalisées. A noter la présence de deux conduites d’eau qui détermine un point haut dans le profil du bras entraînant une contrepente jusqu’au pont de Verdun. En amont, les sillons d’écoulement sont peu marqués, la pente est très faible et la pile du pont de la RN260 perturbe l’entrée de l’écoulement dans le bras avec une tendance à créer une fosse plus profonde.

Répartition des débits

En complément de la topographie des lieux, il convient de prendre en compte la répartition des écoulements dans les différents bras, qui dépend de leur configuration topographique, et du comportement hydraulique de l’ensemble. Selon les débits de la Loire, en amont du Louet, les écoulements dans les bras varient. A partir des mesures effectuées en des lieux et des instants différents, une modélisation complexe permet d’estimer les situations d’écoulement pour des débits de 300, 765, 1540 et 3400 m3/s à Montjean. Les débits plus importants n’ont pas été pris en compte car l’ensemble du lit majeur est alors sollicité.
Les graphiques ci-dessus indiquent la valeur des débits dans les différents bras pour un débit nominal de 3410 m3/s à Montjean qui, par rapport au débit des Ponts-de-Cé est augmenté de celui du Louet et de la Maine, ainsi que les valeurs de débit d’écoulement pour un débit nominal de 765 m3/s à Montjean. A cette dernière valeur, le débit dans le bras de Saint Aubin est estimé à 1 m3/s.

De cette partie de l’étude, il résulte :

Bras Sainte Gemmes aval

Pour des débits inférieurs à 475 m3/s il y a une succession de petits plans d’eau qui peuvent être reliés entre eux par des chenaux étroits.
Entre 475 et 1200 m3/s, le bras est sollicité sur toute sa largeur mais ce n’est qu’au-delà de 1200 m3/s que les quelques îlots encore visibles sont submergés. Les vitesses de courant varient de 0,4 à 1 m/s.
De 1200 à 3400 m3/s, la submersion devient importante et les vitesses de courant peuvent être supérieures, en certains endroits, à 1m/s

Bras de Sainte Gemmes amont

En deçà de 475 m3/s, les écoulements sont de très faible vitesse, voir même nuls. Entre 475 et 1200 m3/s, la largeur d’écoulement progresse jusqu’à la largeur maximale du lit. Les vitesses d’écoulement restent faibles, de l’ordre de 0,5 m3/s. Au-delà de 1200 m3/s, ces vitesses augmentent et sont influencées par les conditions d’écoulement de la Loire.

Bras de Saint Aubin
Pour des débits de Loire inférieurs à 680 m3/s, il n’y a plus d’alimentation hydrologique et il ne subsiste que quelques “trous d’eau”. Au-delà de 680 m3/s, dans sa partie amont, la largeur du lit est rapidement mobilisée. Les écoulements deviennent plus rapides et peuvent atteindre 1,3 m/s.

Transport solide

Principes

Le transport solide des matériaux dans le lit de la Loire est un des éléments essentiels du déplacement des sables et grèves. Il s’agit d’un phénomène général d’une grande complexité sur lequel les scientifiques ont travaillé pour l’analyser et définir les principes qui le régissent.
Deux types de transports solides ont été retenus :
- le charriage constitué du transport des matériaux non cohésifs sur le fond,
- la suspension qui concerne le transport des particules en flottaison.
Les Anglo-Saxons prennent en compte, d’une part, le charriage et la partie la plus dense des particules en suspension et, d’autre part, les suspensions qui transitent sans modifier les caractéristiques du lit.
L’analyse des phénomènes de transport solide repose sur la vitesse d’écoulement qui entraîne le début des mouvements de matériaux et sur le type de transport lorsque ceux-ci sont en mouvement. La majorité des formules d’évaluation des transports solides résultent d’analyses empiriques établies à partir d’expérimentation aux hypothèses contrôlées. Dans les milieux naturels, les paramètres sont beaucoup plus nombreux et complexes et ne permettent pas d’énoncer des résultats en valeur absolue. Il faut donc les considérer comme des ordres de grandeurs, indicateurs de tendance.
Dans les rivières, selon les conditions hydrauliques, les phénomènes de transport solide peuvent prendre différentes formes. Dans un premier temps, l’augmentation des contraintes sur les matériaux du fond du lit se traduit par une mise en mouvement qui, avec l’augmentation progressive des sollicitations, va constituer :
•des rides sur le fond sableux qui n’excéderont pas 5 cm de hauteur et quelques décimètres de longueur,
•des dunes qui pourront atteindre plusieurs dizaines de centimètres de hauteurs pour quelques dizaines de mètres de longueur.
Au-delà d’une certaine vitesse d’écoulement, les matériaux restent en suspension.
Pour évaluer les débits et les volumes des matériaux transportés, des formules empiriques ont été établies à partir de données physiques et de coefficients expérimentaux. Elles peuvent légèrement différer selon les auteurs mais, pour les débits solides, elles prennent en compte le diamètre du matériau considéré, sa masse volumique et un coefficient adimensionnel de cisaillement.
Dès lors, on comprend tout de suite que les déplacements de matériaux seront très dépendants de la granulométrie des matériaux reposant sur le fond du lit, des vitesses d’écoulements qui peuvent être localement modifiées par des obstacles plus ou moins importants, des profils en long et en travers des fonds, etc.
Tout cela est plus ou moins ressenti intuitivement, mais l’enjeu scientifique est de comprendre les phénomènes et de prévoir leur évolution en fonction de la modification des paramètres.

Granulométrie des fonds

Il n’existe que quelques données sur la répartition granulométrique des sables dans les deux bras considérés. Cependant, et c’est en concordance avec des études effectuées dans d’autres bras de Loire, il apparaît qu’une granulométrie de 2,5/1 mm correspond à une proportion de 70 à 90 % des sables dans le bras de Saint Aubin. Cette même granulométrie varie de 90 à 95% dans le bras de Sainte Gemmes. A partir des répartitions granulométriques, des vitesses d’écoulement, des hauteurs d’eau et d’autres paramètres, des formules permettent d’estimer les capacités potentielles de transport solide.
D’une manière générale, le bras de Sainte Gemmes présente un potentiel beaucoup plus important que le bras de Saint Aubin
Le bras de Sainte Gemmes est une zone de transport par suspension dès son alimentation, pour des matériaux proches de 2 mm et des débits de 890 m3/s, le transport peut alors prendre la forme de dunes.
Il s’agit, évidemment d’estimations théoriques qui sont perturbées, comme mentionné ci-dessus, par des obstacles ou de la végétation.

EVALUATION DES TRAVAUX

Dans le bras de Saint Aubin

Dans ce bras, d’importants travaux de terrassement ont été réalisés avec, entre 1995 et 1999, l’enlèvement de 169 000 m3 de matériaux et la suppression de l’ancienne pile du pont de chemin de fer. Le but était d’améliorer l’écoulement en période de crue et, en abaissant les fonds, de conserver ce bras en eau plus longtemps durant la période d’étiage. Le premier constat est que, depuis 1995 jusqu’à l’automne 2000 les apports totaux de matériaux ont atteint 58 000 m3. En certains endroits, les travaux de terrassement ont même complètement disparu ce qui amène à penser que les matériaux plus facilement libérés ont tendance à reconstituer le profil naturel du lit. Par contre, les travaux d’entretien consistant à supprimer tout ou partie de la végétation et à favoriser les mouvements sédimentaires ont un effet positif en ce sens que cela évite l’engraissement progressif du bras, mais cela ne contribue pas à le creuser.
L’intérêt des travaux en regard de l’objectif de protection contre les inondations est considéré comme très limité – de l’ordre du centimètre - pour un débit de 3400 m3/s. Cela tient au fait que les fonds n’ont été que très faiblement et très partiellement abaissés ce qui est sans influence sur le fonctionnement hydraulique des différents bras de Loire dans ce secteur en période de crue.

Dans le bras de Sainte Gemmes

Il s’agit essentiellement d’opérations de scarification et de dévégétalisation. Le réseau racinaire des végétaux favorise la fixation des sédiments et participe ainsi à l’engraissement des lieux, la scarification permet de libérer la mobilité des sédiments et évite leur accumulation. Dans les parties qui restent en eau plus longtemps, les dépôts de vase constituent une couche protectrice des sables. La rupture de cette couche permet, là aussi, la libéralisation des granulats. Ces travaux ont donc un effet positif en ce sens qu’en améliorant la mobilité des sédiments ils évitent leur accumulation. Il n’en reste pas moins que la tendance est à l’engraissement général et que les lits d’écoulement du bras de Sainte Gemmes aval et Sainte Gemmes amont voient leur fond remonter et que seuls quelques endroits baissent légèrement.


Commentaire de la Sauvegarde de la Loire angevine.

Les effets sur la diversité écologique n'ont pas été oubliés dans cette étude mais, volontairement, seuls les aspects hydrosédimentaires ont été abordés .
Faute d'un nombre de mesures suffisantes, tant en débits hydrauliques qu'en relevés topographiques, cette étude repose, pour une part importante, sur des modélisations et il peut lui être fait le reproche d'être essentiellement théorique ; elle a cependant le mérite de prendre et de mettre en évidence les paramètres d'évolution et les tendances. C'est donc une étude utile à la réflexion.
Si l'on veut éviter d'utiliser l'outil universel "y-a-qu'à" il semble indispensable de procéder, dans ce secteur comme dans bien d'autres, à de nombreuses campagnes de mesures. Il faut avoir une bonne connaissance des fonds immergés et émergeants du lit ainsi que de leur évolution, une bonne connaissance des différentes granulométries et, naturellement, connaître la répartition des débits dans les différents bras pour des débits globaux différents. Une telle base de données manque fâcheusement, elle est pourtant indispensable aux études à mener par les rares experts en hydro-sédimentologie. Ceci dit, il ne faut pas attendre de miracle en matière d'évolution du lit du fleuve.

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