Morphologie des rivières à gravier pavées avec berges végétalisées Partie 2 : validation sur des mesures in situ Morphology of paved gravel-bed rivers with bank vegetation Part 2 : validation from field data

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  Morphologie des rivières à gravier pavées avec berges végétalisées Partie 2 : validation sur des mesures in situ Morphology of paved gravel-bed rivers with bank vegetation Part 2 : validation from field data
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  LA HOUILLE BLANCHE/N° 5-2004 107 Les fonds et rives mobiles Morphologie des rivières à gravier pavées avec berges végétaliséesPartie 2 : validation sur des mesures in situ  Morphology of paved gravel-bed rivers with bank vegetationPart 2 : validation from field data Philippe Ramez, André Paquier Cemagref, U.R. Hydrologie-Hydraulique, Lyon From a sample of 62 English rivers selected by Charlton et al. (1978), supplemented by Hey and Thorne (1986) and subdivided into bank vegetation classes, we can demonstrate the influence of bank vegetation on the shape ratio L/H.We have taken into account the capacity of trees and bushes to develop roots and to retain fines. The average value of  L/H is explained by the side slope of the banks, which is treated as a characteristic of the effect of the roots on thestability of the banks. The variability of L/H around this average value is explained by the roughness ratio bottom/ banks, which is related to the percentage of fines contained in the bank. A more detailed analysis of the data allows usto distinguish two types of rivers and this for each class of vegetation. These two types are identified on the basis of theactive bank Stability (mass failure or fluvial entrainment) by a criterion related to the ratio between the stream powerof the river and the soil texture of the banks. I  ■ INTRODUCTION Afin de constituer une banque de données fiable pourl’étude de la dynamique des rivières à gravier, Hey etThorne (1986) ont complété les données morphologiquesrecueillies par Charlton et al.  (1978) sur 62 tronçons répartisparmi 54 rivières anglaises par des données sédimentologi-ques, géotechniques et de couvert végétal des berges. Cesdonnées ont été exploitées par Hey et Thorne (1986) eux-même, ainsi que par Huang et Nanson (1997) et Millar etQuick (1998) pour mettre en évidence une décroissance durapport de forme α = L/H (diminution de la largeur et aug-mentation de la profondeur) d’autant plus importante que lavégétation rivulaire est développée.   Dans la première partie de cet article, nous avions proposéune méthode pour déterminer la forme à l’équilibre d’unerivière à gravier pavée. Dans cette seconde partie, nous sou-haitons valider et expliciter cette méthode sur ces 54 rivièresanglaises. L’examen des données de terrain conduit à distin- Ceidog riverEast Dart riverHirnant riverFigure 1 : Tronçons de rivières extraits de l’échantillon de Hey et Thorne (1986).  LA HOUILLE BLANCHE/N° 5-2004 108 Les fonds et rives mobiles guer un comportement différent pour deux types de rivières.Un critère de classement entre ces deux types est proposé. II ■ CALAGE SUR LE RAPPORTDE FORME L/H L’échantillon de 62 tronçons a dû être réduit à un jeucomplet et cohérent de 55 tronçons.4 tronçons présentaient des lacunes sur les données sédi-mentologiques et géotechniques et 3 tronçons d’une mêmerivière avaient un rapport L/H différent alors que les données(celles que nous analysons) étaient identiques. Enfin poursimplifier, nous avons reclassé les rivières dans seulementtrois groupes de végétation rivulaire (faible, modérée et forte)au lieu des quatre proposés dans les données srcinales. Dans la première partie de cet article, nous avions ramenél’effet de la végétation rivulaire sur le rapport de forme L/Hà deux paramètres explicatifs : — l’inclinaison des berges θ  avec  f = 1/tg( θ ),— le rapport des rugosités (ou diamètres des matériaux)fond/berges ξ .Nous avons analysé les données anglaises sur la base deces deux paramètres explicatifs et nous avons pu mettre enévidence deux tendances : — la valeur moyenne de L/H décroît par groupe de végéta-tion rivulaire (sens faible à forte),— la variabilité de L/H autour de cette valeur moyenne estsignificative dans tous les groupes de végétation. ● II.1Liaison entre L/H et les groupesde végétation rivulaire retenus La décroissance de L/H semble due à l’effet des racinesplus ou moins profondes (selon le type de végétaux) sur latenue des talus de berge qui permet une inclinaison plus oumoins forte.Millar (1993) suggère une relation entre l’angle d’inclinai-son des berges et le rapport L/H. Nous reprenons ici cettehypothèse pour le calage de  f   en supposant que la valeurmoyenne de L/H, déterminée dans chaque groupe de végéta-tion rivulaire, correspond à un angle θ  caractéristique de cegroupe.  f   est obtenu à partir de l’équation (4)  α = [7,5 ξ -0,2  – 1,5  f  ]de la première partie de l’article sans l’influence des rugosi-tés fond/berges, c’est-à-dire en posant ξ = 1, nous trouvons :— L/H moyen = 15,9 pour une végétation rivulaire faiblecorrespondant à  f = 2,4,— L/H moyen = 11,9 pour une végétation rivulaire modéréecorrespondant à  f = 1,63,— L/H moyen = 8 pour une végétation rivulaire forte cor-respondant à  f = 0,65.Les résultats de ce calcul sont reportés dans la  figure 2 .Les différences de grisé (clair ou sombre) correspondent àdeux populations explicitées ci-après. L’évaluation du para-mètre Q m I v /T b  (où Q m  est le débit à plein bord dans le litmineur, I v  la pente de la vallée et T b  un paramètre de texturedes berges) sera également fournie plus loin. ● II.2Variabilité de L/H à l’intérieurde chaque groupe de végétation rivulaire θ  étant fixé, nous attribuons la variabilité de L/H à l’effetdes rugosités et des fines. Afin d’expliciter cet effet, aprèsune analyse détaillée des données anglaises, nous définissonsun paramètre de texture, noté T b , égal au rapport entre le Figure 2 : Valeur moyenne de L/H associée à  f. 1  f  2 +  LA HOUILLE BLANCHE/N° 5-2004 109 MORPHOLOGIE DES RIVIÈRES À GRAVIER PAVÉES AVEC BERGES VÉGÉTALISÉESPARTIE 2 : VALIDATION SUR DES MESURES  IN SITU  pourcentage des sables et la somme des pourcentages deslimons et des argiles contenus dans les berges.Ce paramètre T b  est parfaitement corrélé au diamètre dugrain représentatif des berges et sa variation est comparableà celle de 1/ ξ . Par ailleurs, l’application de *« l’effective power » auxgrains constituant les berges montre que, dans 88 % des cas,ces grains sont assimilables à du « wash-load » (fines lessi-vées) en auto-suspension pour un écoulement à plein borddans le lit mineur (voir  fig. 3 ), c’est-à-dire absents sur le fond.Le critère d’auto-suspension appliqué est issu de Wang(1984). Il consiste à comparer *« l’effective power », égal au pro-duit de la vitesse U par la pente I, à la vitesse de chute w desgrains de diamètre D berges  (w étant estimé par la formule deStokes).Pour w < UI , les grains sont maintenus en suspension ausein de l’écoulement (à plein bord), ils ne peuvent pas sédi-menter sur le fond du lit par simple décantation et sont assi-milés à du « wash-load ». Par contre, ils peuvent être piégéspar la végétation rivulaire, ce qui modifiera éventuellementla texture des berges si des remaniements de substrat se pro-duisent lors de fortes crues débordantes. T b  est un bon indicateur à la fois des rugosités de berge etde la dynamique des fines. Il est sans doute représentatif dela « morphogénèse » des lits, c’est-à-dire de l’histoire de leurformation et de leur évolution. Inversement ξ,  défini dans desconditions expérimentales simplifiées (parois latérales rigides,rugosités ramenées à un seul diamètre par paroi), est maladapté à un protocole de mesures in situ . Nous préféronsdonc reconstruire l’équation (4) par rapport à T b , que nousadapterons par un procédé de calage sur la variabilité de L/H.  II.2.1Deux types de rivières à gravier Nous essayons d’examiner la relation entre T b  et la varia-bilité de L/H.Ecrivons l’équation (4) sous la forme :L/H = 7,5 [Var] – 1,5  f  Nous notons ici [Var] la variabilité de L/H autour de savaleur moyenne.Dans le cas particulier où [Var] = 1, nous retrouvonseffectivement la valeur moyenne du rapport de forme L/Hselon les hypothèses du § II.1. Dans le cas général, nous déterminons [Var] de telle façonque la valeur de L/H ainsi obtenue par l’équation (4) soitstrictement égale à la valeur réelle issue directement desdonnées de mesure (voir  fig. 4 ). Nous recherchons alors une corrélation entre [Var] et T b .La corrélation est assez pauvre si nous envisageons toutesles rivières ensemble (r 2  = 0,146).Nous avons distingué 2 populations de rivières, repéréespar le sigle GM   (en grisé clair) et par le sigle FT   (en grisésombre), pour lesquelles les corrélations sont assez fortes(voir  fig. 5 ). Le rapport de forme L/H de la population GM  est d’environ 50 % supérieur à celui de la population FT  .En première approche, nous pouvons les assimiler à [Var]qui est plutôt supérieur à 1 pour la population GM   et plutôt1  f  2 + Figure 3 : « Effective Power » appliquéaux grains de bergesFigure 4 : Variabilité de L/H autour de sa valeur moyenne.  LA HOUILLE BLANCHE/N° 5-2004 110 Les fonds et rives mobiles inférieur à 1 pour la population FT  . Nous rechercherons,dans le paragraphe suivant, des critères de distinction plussignificatifs.Les parties grisées claires et sombres dans les  figures 2 et 4  correspondent à ces deux populations GM   et FT  .  II.2.2Détermination d’un critère de distinctionde ces deux types de rivières à gravier L’étude de la stabilité des berges plus ou moins cohésivesnécessite la prise en compte de deux processus d’érosiondistincts :L’érosion due aux forces tractrices de l’écoulement sur lesmatériaux constituant les berges. C’est surtout le pied dutalus qui est soumis à ce type d’érosion (courantologielocale, effet des érosions régressive et progressive du lit) cequi peut provoquer, dans un deuxième temps, un effondre-ment des berges surtout si un surplomb se forme.Le Glissement en masse du talus lui-même due à la pres-sion interstitielle de l’eau contenue dans la berge. Ce typed’érosion se produit lorsque le niveau d’eau baisse relative-ment vite (à la décrue par exemple) et que les berges sontpeu drainantes.Ces deux processus différents correspondent à un rapportde forme L/H à l’équilibre (limite de stabilité des berges)différent. Les rivières dont la stabilité est uniquement liée à« l’érosion du pied de berge » seront plus étroites et plusprofondes que celles pour lesquelles le « glissement enmasse » devient possible à partir d’une certaine profondeur.Nous pouvons ainsi définir deux types de rivières :— celles dont la stabilité des berges est surtout liée aux for-ces tractrices de l’écoulement ( FT  ),— celles dont la stabilité des berges est surtout liée auxglissements en masse ( GM  ).Nous associons ces deux types de rivières aux deux popu-lations définies ci-dessus (fig. 5)  et nous cherchons un critèreobjectif de distinction.L’analyse des données sédimentaires et géo-techniques des 54 rivières étudiées ne permetpas de déceler une explication de la variabilitéde L/H par la cohésion au sens classique duterme : effet des forces électrochimiques desargiles et de l’angle de friction interne desgrains. La variation des paramètres liés à l’eauinterstitielle (potentiel matriciel, teneur en eau)n’est pas non plus explicative de la variation durapport de forme.Il semble donc que seul le paramètre T b  soiteffectivement bien corrélé avec la variabilité deL/H. Ceci étant précisé, nous pouvons définir unindicateur encore plus significatif en confrontantT b , caractéristique de la texture des berges, auproduit Q m I v  (débit à plein bord dans le litmineur fois pente de la vallée) caractéristique del’énergie du cours d’eau.Le graphique de Q m I v /T b   (fig. 2)  montre queles plus grandes valeurs sont associées auxrivières de type GM   (grisé clair), alors que lesplus petites valeurs sont associées aux rivièresde type FT   (grisé sombre).Plus précisément, après avoir reporté Q m I v  enfonction de T b  dans la  figure 6   ci-contre, nousdéfinissons le rapport Q m I v   /T b  comme critère dedistinction entre les deux types ( GM   ou FT ) selon les plagesde valeur suivantes : — Q m I v /T b > 0,9 correspondant au type GM  ,— Q m I v /T b  < 0,5 correspondant au type FT  ,— 0,5 < Q m I v /T b  < 0,9 correspondant aux 2 types.Ce critère géomorphologique, issu d’une analyse desdonnées, ne remplace pas un calcul géotechnique sur la sta-bilité des talus (ASCE, 1998). Il est proposé ici à titre indi-catif, dans les cas où aucun autre indice ne permet dedéterminer à quel type d’érosion de berges correspond larivière. Figure 6 : Relation entre Q m I v  et T b .Figure 5 : Corrélation entre [Var] et T b .  LA HOUILLE BLANCHE/N° 5-2004 111 MORPHOLOGIE DES RIVIÈRES À GRAVIER PAVÉES AVEC BERGES VÉGÉTALISÉESPARTIE 2 : VALIDATION SUR DES MESURES  IN SITU   II.2.3Analyse de la texture des berges,répartition par type de rivière Nous avons également représenté les berges des 54 rivièresétudiées (fig. 7)  dans le triangle de texture (USDA, 1993). Nous constatons que le sol rivulaire se positionne essen-tiellement sur la tranche intermédiaire « limoneux sableux/limoneux fin » avec une tendance vers les sables pour lesrivières de type FT   et une tendance vers les limons fins pourles rivières de type GM  . Cette tranche intermédiaire suppose la coexistence possi-ble des deux types pour une même rivière. Ce résultat, déjàapparent dans la  figure 6  , est conforme aux mécanismes dedéformation des berges décrits dans la littérature scientifique(Degoutte, 2002) selon lesquels « glissement en masse » et« érosion du pied de berges » sont deux phénomènes quipeuvent se succéder.Ceci dit, la dominante « limoneux très fin » voire« limoneux argileux » est très marquée pour un grandnombre de rivières de type GM  , alors qu’au contraire plu-sieurs rivières de type FT   atteignent la zone « sableuxlimoneux ». ● II.3Ecriture du rapport de forme L/H en fonctionde  f   et de T b pour chaque type de rivière Les corrélations obtenues entre [Var] et T b   (fig. 5)  nouspermettent de substituer T b  à ξ  dans l’équation (4) de lamanière suivante :— pour les rivières de type GM :L/H = 10 T b 0,16  – 1,5  f  (4’)pour les rivières de type FT :L/H = 6,9 T b 0,16  – 1,5  f  (4’’)(les exposants 0,1473 et 0,1789 sont remplacés par 0,16 pourles deux types).Nous avons reporté dans la  figure 8  ci-contre une compa-raison entre les valeurs calculées par ces équations et lesvaleurs mesurées : l’erreur quadratique moyenne est égale à12 %.Cette méthode statistique ne permet pas d’assurer la conti-nuité pour l’expression de L/H entre les deux types derivière. L’utilisateur devra donc faire un choix a priori,d’autant plus délicat que les deux types peuvent coexister surun même cours d’eau (voir §  II.2.3 ). III ■ ADAPTATION DES FORMULESTHÉORIQUES AUX DONNÉESDE TERRAINS ● III.1Formulations simplifiées Nous écrivons les équations (8), définies dans la partie 1de l’article, en généralisant la substitution de T b  à ξ opéréedans le § II.3 , c’est-à-dire en remplaçant ξ  par :— (1,338 T b 0,16 ) -5 pour les rivières de type GM  , — (0,921 T b 0,16 ) -5  pour les rivières de type FT  . Figure 7 : Représentation des berges dans le Triangle de Texture (USDA, 1993).Figure 8 : Rapport de Forme à Plein Bord. 1  f  2 +1  f  2 +
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