RIOCHE Etienne Année 2009-2010Rapport de stage Master EA

Spécialité GesMARE – 1ère année

Étude des transports sédimentaires dans le bassin-versant de l'étang d'Amel (Meuse)

Réalisé du 12 avril au 12 juin 2010

dans le cadre du CEGUM (Centre d’Études Géographiques de l'Université de Metz)

Sous la direction de M. LOSSON Benoît, enseignant-chercheur à l'Université de Metz (CEGUM)

Mémoire soutenu le 8 juin devant le jury composé de Alain IZART, Sébastien LEBAUT, Benoît LOSSON, Gérard MASSON et Pascale RICHARD.

Centre d’Études Géographiques de l'Université de Metz

Remerciements

Je voudrais ici particulièrement remercier M. Losson, mon maître de stage, pour son soutien constant, M. Manceau, pour son travail et sa

bonne humeur, M. Cuinet ainsi que tous les membres du CEGUM qui m'ont épaulé et aidé en faisant preuve d'une grande disponibilité.

Table des matières Introduction.................................................................................................1Chapitre I : L'étang d'Amel, contexte et particularités................................3

I.1 Le contexte topographique..............................................................................3I.2 Le contexte climatique....................................................................................3I.3 L'occupation du sol..........................................................................................4I.4 Les particularités géologiques...........................................................................5

Chapitre II : Méthodes de travail et matériel utilisé......................................6II.1 Investigations de terrain..................................................................................6

II.1.1 Dolines .........................................................................................................6II.1.2 Dolines-pertes................................................................................................7II.1.3 Mardelles.......................................................................................................9II.1.4 Gouffre........................................................................................................10II.1.5 Les émergences.............................................................................................10

II.2 Les précipitations..........................................................................................10II.3 La détermination des débits liquides................................................................11II.4 La détermination des débits solides..................................................................11II.5 L'établissement des relations entre débits liquides et solides................................12II.6 La minéralisation de l'eau...............................................................................12

Chapitre III : Résultats et discussion...........................................................13III.1 Débits solides et niveaux d'écoulement..........................................................13

III.1.1 Crues ........................................................................................................13III.1.2 Étiages........................................................................................................17

III.2 Les flux de matière en solution......................................................................17III.3 Flux de sédiments vers l'étang d'Amel............................................................18

III.3.1 Les facteurs de ces flux..................................................................................18III.3.2 Propositions d'amélioration ..........................................................................19

Chapitre IV : Critique et perspectives........................................................20IV.1 Considérations sur les erreurs effectuées.........................................................20

IV.1.1 les erreurs liées au matériel............................................................................20IV.1.2 Les erreurs liées aux manipulations................................................................20

IV.2 Propositions pour la suite de l'étude, et pour d'éventuelles études supplémentaires20IV.2.1 Pour la suite de l'étude.................................................................................20IV.2.2 Les erreurs à éviter.......................................................................................20

Conclusion.................................................................................................21 Références bibliographiques......................................................................21 Références webographiques.......................................................................21 Résumé......................................................................................................22 Summary....................................................................................................22

Liste des figures :

Figure 1 : localisation du site d'études (d'après cartes-topographiques.fr/france.html p.1

Figure2 : carte orographique du bassin-versant de l'étang d'Amel (d'après cartes-topographiques.fr) p.3

Figure 3 : Occupation du sol schématique du bassin-versant p.4

Figure 4 :Double dynamique de l'infiltration dans un karst couvert de contact lithostratigraphique. (JAILLET) p.5

Figure 5 : Les différents phénomènes karstiques observés dans le nord du bassin-versant(fond de carte : geoportail.fr, consulté en 2010) p.6

Figure 6 : Les stations de mesure sur le bassin-versant p.7

Figure 7 : Schéma de la perte 2 et de la mardelle qui l'alimente p.8

Figure 8 : Vue en coupe de la perte 2 p.8

Figure 9 : Concentrations sédimentaires à la station aval lors de la crue du 23-02 au 8-03 2010 p.13

Figure 10 : Transports de MES à la station amont pour la crue du 23-02 au 8-03 2010. p.14

Figure 11 : Données de concentrations de MES à la perte 2 pour la crue du 23-02 au 8-03 2010 p.14

Figure 12 : données de la station amont pour la crue du 27 mars au 8 avril 2010 p.15

Figure 13 : Les concentrations sédimentaires aux stations amont et aval p.15

Figure 14 : Les données croisées à l'amont et à l'aval du débit et des concentrations de MES p.16

Figure 15: La conductivité aux différents points de mesure et à différentes dates. p.17

Présentation de la structure d'accueilLe CEGUM, centre d'études géographiques de l'Université de Metz (équipe d'accueil 1105),

est composé de deux grands axes de recherches : l'équipe Territoire de Marges, qui se spécialise dans l'analyse géopolitique et l'analyse spatiale, et l'équipe Eaux et Milieux, dans laquelle je me suis inscris dans le cadre de ce stage. Cette équipe mène des recherches sur les processus liés au cycle de l'eau et aux dynamiques morphogènes.

Organigramme de la structure

Introduction

L'étang d'Amel se situe en Meuse, à 30 km à l'Est-Nord-Est de Verdun, et à 45 km à vol d'oiseau, à l'Ouest-Nord-Ouest de Metz (voir figure 1). Son bassin-versant, de 11 km², est localisé en majeure partie sur la commune de Senon. La partie sud du bassin-versant est située sur la commune d'Amel-sur-l'étang, et pour le nord-est sur les communes de Vaudoncourt et Gouraincourt. D'un point de vue physiographique, le bassin-versant se développe au contact de la Woëvre argileuse et des premiers entablements calcaires du Pays-Haut. L'étang est soumis à un comblement sédimentaire qui, à terme, pourrait le conduire à l'assèchement.

Ce constat, préjudiciable pour la Réserve Naturelle Régionale que constitue l'étang et ses abords, a poussé le Conservatoire des Sites Lorrains (CSL), gestionnaire du site, à engager une étude des conditions du comblement. Deux thèmes principaux sont abordés dans cette étude dévolue au CEGUM : l'hydrologie et la climatologie, permettant d'établir les débits et leur relation avec les précipitations, ainsi que le volet hydro-sédimentaire, qui a pour objectif de connaître les modalités de transport des sédiments jusqu'à l'étang.

Le but final de l'étude sera de connaître les sources des apports sédimentaires, la proportion de ces apports selon les sources, de proposer des solutions pour limiter les transports sédimentaires, et en conséquence le risque de comblement sédimentaire de l'étang. L'étude se déroulant sur une année, ce rapport ne peut apporter que des données partielles, qui ne permettront pas de conclure sur la problématique générale.

Figure 1 : localisation du site d'études (d'après cartes-topographiques.fr/france.html

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Nous allons ici nous intéresser à la partie hydro-sédimentaire, en nous appuyant sur les données hydro-climatiques étudiées en parallèle par Yoann CUINET.

La question qui sous-tend l'étude des transports hydro-sédimentaires dans le bassin-versant de l'étang d'Amel est la recherche des modalités d'interaction entre le sol, le sous-sol, les précipitations et les débits solides. À travers cette question, d'autres sont soulevées : les modalités d'infiltration, de ruissellement, les problématiques soulevées par l'occupation et l'érosion des sols, le lien entre la présence de karst et l'importance des débits solides...

Nous nous intéresserons dans un premier temps aux spécificités physiographiques et anthropiques du bassin-versant de l'étang d'Amel.

Dans un second temps, nous détaillerons la méthodologie utilisée, le matériel à disposition et son utilisation.

La troisième partie nous permettra de détailler les résultats obtenus lors de cette étude, et de les discuter.

La quatrième partie fera l'objet d'une critique de cette étude, suivie d'une ouverture sur la suite du travail à mener pour atteindre les objectifs fixés.

Une rapide conclusion permettra de rassembler les informations essentielles en fin de dossier.

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Chapitre I : L'étang d'Amel, contexte et particularités

Dans ce chapitre, nous évoquerons les caractéristiques du bassin-versant de l'étang d'Amel, au niveau topographique, climatique, de l'occupation du sol et géologique.

I.1 Le contexte topographiqueL'étang d'Amel est situé dans la dépression de la Woëvre, aux reliefs peu accentués. La pente

moyenne du bassin-versant est comprise entre 1 et 2%. Cette valeur a des répercussions en terme d'écoulements : faible vitesse, temps de réponse aux précipitations allongé...

Cependant, les flancs ouest, est et nord du bassin-versant, autour de la zone de partage des eaux, possèdent des pentes plus fortes (jusqu'à 2 à 3 fois la pente moyenne). Ils s'opposent à la partie sud du bassin-versant dont le relief est bien plus plat.

Figure2 : carte orographique du bassin-versant de l'étang d'Amel (d'après cartes-topographiques.fr)

I.2 Le contexte climatiqueLa zone d'étude présente un climat océanique de type lorrain. Cependant, à l'est de la cuesta

oxfordienne, on se trouve en situation d'abri aux vents humides de secteur ouest et sud-ouest. Malgré une certaine homogénéité des précipitations sur l'année, GAMEZ et HALL (1991) discernent ainsi un creux pluviométrique par rapport au reste de la Lorraine (809 mm entre 1971 et 1981).

D'après les données de la Direction Régionale de l'Environnement, l'Aménagement et du Logement de Lorraine (DREAL), la pluviométrie est particulièrement faible cette année, depuis janvier. Cela pose un problème de recharge des aquifères avant la période estivale.

On a deux maxima de pluviométrie, un sous l'influence océanique en saison froide et l'autre

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sous l'influence continentale en saison chaude.

I.3 L'occupation du solBien qu'en milieu rural, dans le bassin-versant étudié, les aménagements humains sont

omniprésents, à commencer par l'étang lui-même, créé de toute pièce vers 1280 (GAMEZ, 1995). L'étang et les marais avoisinants ont une superficie voisine d'un kilomètre carré (soit 9% de la superficie totale du bassin-versant). Le bassin-versant est largement occupé par des champs cultivés dans les deux tiers orientaux. La forêt est présente sur ses bordures nord et ouest pour 16% de sa surface totale (3 km²). Le reste du bassin-versant se partage entre des prairies pâturées (0,31 km², soit 3% du bassin-versant), 0,24 km² de surfaces imperméabilisées par l'urbanisation, (village de Senon, soit 2% du bassin-versant), et, pour une superficie négligeable, les routes, fossés et cours d'eau (voir figure 3).

Figure 3 : Occupation du sol schématique du bassin-versant

La majeure partie du bassin-versant est donc constituée de zones de culture. La méthode de culture utilisée est celle du labour hivernal avant les semis. Cela laisse ainsi pour une période assez longue les sols sans protection de la végétation, ce qui peut favoriser l'apparition d'une croûte de battance (croûte quasi-imperméable formée sur les sols à nu lors de fortes précipitations)). On note également la présence, importante, de drains agricoles. D'après BRUNSTEIN et al. (2007), il existe deux types d'érosion liés à la croûte de battance. En deçà d'un certain seuil de précipitations, l'érosion est limitée car liée au ruissellement superficiel uniquement sur les empreintes de roues de tracteurs (ruissellement hortonien, dû au dépassement de l'infiltrabilité des sols à cause de leur tassement), les seules terres dégradées sont les terres limoneuses, et les drains souterrains sont les pourvoyeurs de matières en suspension (MES) ; alimentés par l'infiltration, ils permettent aux MES de refluer vers l'aval. Au-dessus de ce seuil de précipitations (correspondant à des pluies très

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intenses, assez exceptionnelles), c'est toutes les terres à nu qui sont érodées, tant en surface qu'en souterrain, en fonction des paramètres géométriques du bassin-versant. Ici, la faiblesse des dénivelés permet de limiter cet effet.

L'importance des impacts anthropiques en forêt peut avoir une incidence sur les flux de matière en suspension. Ainsi, on peut trouver des parcelles où la végétation arbustive a été totalement rasée (observation réalisée début avril 2010 au niveau de la butte du Ratou), ce qui entraînera également une érosion accrue (surtout en versant de butte), du fait du manque de couverture du sol par le feuillage et du manque de maintien par le système racinaire.

Malgré la ruralité du bassin-versant, on peut ainsi voir que, à travers les pratiques culturales et les aménagements présents, les fonctionnements naturels peuvent être profondément modifiés par la présence humaine.

I.4 Les particularités géologiquesL'étang d'Amel est le seul étang de la plaine de la Woëvre dont le bassin-versant se situe

pour 80% sur les calcaires de la Dalle d’Étain (Bathonien). Les autres étangs de la Woëvre sont localisés sur les argiles du Callovien.

Ce sont des argiles calloviennes de la Woëvre qui constituent le reste du substrat du bassin-versant, au niveau des interfluves des bordures ouest et nord, et leur épaisseur maximum varie, sur le bassin-versant, entre 15 m au Nord et 20 à 25 m à l'ouest (GAMEZ et HALL, 1991). En dessous, les calcaires de la dalle d’Étain qui possèdent une puissance entre 15 et 20m et reposent sur des marnes du Bathonien.

Pour JAILLET (1999), l'interface entre une dalle calcaire et sa couverture argileuse est le système le plus favorable pour la formation de phénomènes karstiques en Lorraine (cf figure 4). Lorsque les argiles forment une couverture entre 1 à 2 mètres et 20 à 30 mètres, d'une part elles concentrent les ruissellements vers les points d'absorption, et d'autre part permettent une infiltration plus lente, qui peut produire des phénomènes karstiques sous la couverture, après drainance à travers la formation.

Figure 4

Double dynamique de l'infiltration dans un karst

couvert de contact lithostratigraphique.

(Source : Stéphane JAILLET)

L'épaisseur des couches argileuses est donc ici très favorable à l'établissement de phénomènes karstiques. Comme nous allons le voir par la suite, les phénomènes dus à l'infiltration lente à travers une faible couche d'argile, et ceux liés à l'infiltration rapide au droit du contact lithostratigraphique se côtoient dans le bassin étudié.

Dans un tel contexte, GAMEZ et HALL (1991), ont distingué quatre modes d'écoulement : un ruissellement non karstique sur la couverture argileuse,des infiltrations associées à des formes exokarstiques dont nous parlerons au chapitre suivant, et des circulations souterraines dans l'aquifère bathonien et un ruissellement sur calcaire, soumis aux variations de mise en charge de la nappe libre du Bathonien.

Après avoir situé l'étang dans son contexte, nous allons maintenant détailler les méthodes et le matériel utilisés pour étudier les flux de MES dans le bassin-versant.

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Chapitre II: Méthodes de travail et matériel utiliséL'analyse des MES qui comblent progressivement l'étang d'Amel passe par des prélèvements

dans l'unique cours d'eau tributaire de cet étang (le ruisseau de Boutesaulx), suivis de mesures en laboratoire. Mais auparavant, il s'agit de connaître l'origine des sédiments qui arrivent à l'étang, c'est-à-dire d'identifier les cheminements de l'eau dans le bassin-versant. Des investigations de terrain ont donc été menées pour avoir un aperçu des circulations karstiques qui alimentent le plan d'eau.

II.1 Investigations de terrainLes phénomènes karstiques du bassin-versant avaient déjà fait l'objet d'une cartographie

réalisée par GAMEZ et HALL (1991). Insuffisamment précise, elle a toutefois nécessité une reprise des observations sur la partie nord du bassin. Les formes observées sont reportées sur la figure 5 et en annexes (annexes I et J).

Les deux sorties de prospection ont été réalisées lors de conditions d'écoulement différentes, pour avoir une bonne idée du rôle des divers éléments observés, et notamment de l'activité des pertes.

Fig 5 : Les différents phénomènes karstiques observés dans le nord du bassin-versant (en rouge).(fond de carte : geoportail.fr, consulté en 2010)

II.1.1 Dolines Une doline est une forme karstique assez répandue, notamment en Lorraine. Elle se

constitue par dissolution des calcaires avec l'attaque de l'eau chargée d'acide carbonique. La concentration des ruissellements par la couverture argileuse évoquée plus haut augmente cette attaque. La morphologie finale commune des dolines est une dépression en forme de cuvette ou d'entonnoir. L'investigation de terrain a permis d'identifier plusieurs dolines apparemment non reliées au système d'écoulement de surface. Elles sont de deux types : celles que l'on trouve en forêt, visibles d'assez loin et plutôt marquées (profondes et étroites), et celles que l'on trouve dans les

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champs alentour (moins profondes et plus étendues). D'après GAMEZ et HALL (1991), les dolines trouvées en forêt seraient d'anciens gouffres, colmatés puis fossilisés. La déconnexion du réseau pourrait provenir du fait que les argiles qui recouvraient la Dalle d'Etain ont perdu de l'épaisseur, ce qui ne leur permet plus de mobiliser un réseau assez important d'écoulements. S'ensuivent d'abord un colmatage, puis une fossilisation en dolines inactivées.

II.1.2 Dolines-pertesCe type de formes nous intéresse davantage, car il est relié au réseau de ruissellement de

surface, de manière naturelle ou via des fossés anthropiques. Une doline-perte est une forme karstique d'interface entre les flux hydriques de surface et le réseau souterrain. Ici, les apports se font souvent par fossés, rectifiés (sinon créés) pour faciliter la gestion forestière. L'eau qui arrive à la doline part ensuite dans un réseau souterrain complexe, que nous n'avons malheureusement pas les moyens de définir précisément. On peut néanmoins estimer qu'une partie substantielle des écoulements qui passent dans le réseau souterrain ressort au niveau du lavoir (voir figure 6), comme l'ont montré GAMEZ et HALL (1991).

Figure 6 : Les stations de mesure sur le bassin-versant (légende page suivante)

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Légende associée à la figure 6

Pour illustrer cette forme, nous prendrons l'exemple de la perte 2, qui est alimentée par des fossés anthropiques et, secondairement, par une mardelle. La zone de débordement lors de crue est observable même après le passage de la crue, par la présence de matière organique en partie décomposée ainsi que d'un niveau d'inondation visible sur les arbres se trouvant dans cette zone (voir figures 7 et 8, photos 1 et 2).

Figure 7 : Schéma de la perte 2 et de la mardelle qui l'alimente

Figure 8 : Vue en coupe de la perte 2 (les conduits karstiques

mentionnées n'ont pas pu être observées)

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Photo 1 : La perte 2 le 14 mai 2010, zone d'inondation, niveau de montée de l'eau (Photo : B. Losson)

II.1.3 MardellesLes mardelles sont les formes les plus souvent rencontrées sur le terrain. Nous en avons

dénombrées 18 sur la zone prospectée. Comme pour une doline, leur formation est liée à la dissolution du calcaire, mais le

processus se produit sous les argiles. Les calcaires peuvent correspondre au Bathonien, mais le plus souvent il s'agit de minces bancs qui s'intercalent dans les argiles calloviennes (« Pierres d'eau », GAMEZ, 1995). Comme les argiles sont globalement peu perméables, la dépression qui s'y forme recèle fréquemment une nappe d'eau plus ou moins pérenne.

La principale difficulté concernant ces formes est de déterminer si leur origine est naturelle ou anthropique. De par leurs dimensions, larges et peu profondes, les mardelles recensées sont certainement naturelles. Les autres petites dépressions à remblai de bordure clairement anthropiques n'ont pas été recensées.

La photographie ci-dessous représente la mardelle qui alimente en partie la perte 2, et le fin chenal qui les relie au premier plan.

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Photo 2 : La mardelle de la perte 2 le 14 mai 2010 (Photo : B. Losson)

II.1.4 GouffreUn gouffre est une dépression aux bords abrupts, plus profonde que large, et laissant

apparaître le sous-sol calcaire sur ses bords. Nous en avons observé un de 2m de profondeur, pour 0,45 m de diamètre, en forêt (voir annexe I et J, et fig.6). La dissolution intervient en profondeur dans la création des gouffres, créant ainsi un trou peu évasé et profond.

La cartographie de ces éléments et des pertes permet d'identifier la limite entre les argiles et les calcaires.

II.1.5 Les émergencesOn a pu noter, dans le bassin-versant, la présence d'émergences karstiques, dont la principale

semble être le lavoir (voir figure 6). Il a été également observé un bouillon (voir annexe L), émergence karstique temporaire. Gamez (1991) en évoque d'autres, qui n'ont pas été observées pour la présente étude.

II.2 Les précipitationsDeux pluviomètres ont été installés par le Conservatoire des Sites Lorrains, à deux endroits

du bassin-versant, éloignés d'un kilomètre huit cent soixante environ. Malgré cette proximité, on a pu observer une corrélation moyenne entre les deux pluviomètres (CUINET, 2010), même en l'absence de pluies d'orage. Nous y reviendrons lors de la discussion.

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II.3 La détermination des débits liquidesDeux limnigraphes ont été installés sur le ruisseau de Boutesaulx, à l'entrée de l'étang

d'Amel et à environ 200m en amont de la Fontaine de Senon (voir annexe L). Ils mesurent depuis décembre 2009 les hauteurs d'eau en continu de deux façons : un enregistrement sur papier, et un enregistrement électronique, au cas où l'un des deux rencontrerait un problème. Des campagnes de jaugeage permettent de déterminer les débits correspondant à ces hauteurs d'eau Une moyenne journalière des débits est réalisée. Pour approfondir ce sujet, on se réfèrera aux travaux de Yoann CUINET (2010).

Photo 3 : la station amont du ruisseau de Boutesaulx et le limnigraphe du Cegum (Photo : B. Losson)

II.4 La détermination des débits solidesElle se fait ponctuellement, en déposant des préleveurs automatiques (marque ISCO, photo

4). Ces deux préleveurs sont paramétrables : on choisit l'heure de départ et le pas de temps pour le prélèvement. Il peut y avoir jusqu'à 24 prélèvements, avec la possibilité de faire un multiplexage des échantillons. Dans ce cas, un échantillon aura reçu la même quantité d'eau à deux moments différents (de manière consécutive), la concentration de matières en suspension mesurée sera donc la moyenne entre les deux échantillonnages.

Après avoir réalisé les prélèvements, les échantillons seront ramenés au laboratoire où l'on pourra les analyser : à l'aide d'une pompe aspirante, des filtres en fibre de verre, après avoir été pesés, reçoivent une dose mesurée de l'eau prélevée. Après séchage en étuve (plusieurs heures à 105°C), on pèse une deuxième fois les filtres pour établir la masse de matières en suspension retenue, et l'on rapporte au volume d'eau pour obtenir leur concentration. La méthode utilisée répond à la norme NF EN 872 d'avril 1996, sauf en ce qui concerne la vitesse de réalisation des analyses, (impossibilité matérielle liée au mode de prélèvement automatique).

La variation des débits solides est au final confrontée à la variation des débits liquides.

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Photo 4 : Préleveur ISCO posé à la station aval (on voit à côté le limnigraphe), sans son couvercle.

II.5 L'établissement des relations entre débits liquides et solidesLes diagrammes qui résultent de cette confrontation permettront de faire le lien entre débits

liquides, solides et précipitations. En y ajoutant la connaissance du terrain et de l'occupation du sol, nous pourrons tracer une ébauche de réponse à la question initiale.

II.6 La minéralisation de l'eauA chaque relevé de terrain, la conductivité et la température de l'eau sont mesurées avec un

conductimètre. La conductivité donne une idée du taux de matières en solution dans l'eau (sédiments dissous) par l'intermédiaire de sa minéralisation.

Ces méthodes nous permettent donc de connaître une partie du fonctionnement hydrosédimentaire du bassin-versant de l'étang d'Amel. Nous allons voir à présent quels résultats nous sont apportés par cette méthodologie.

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Chapitre III: Résultats et discussionLes méthodes décrites plus haut nous permettent d'avancer dans la réponse à notre question

de base, c'est-à-dire quelles sont les interactions entre les précipitations, le sol, le sous-sol et les débits solides. Pour cela, nous verrons les résultats obtenus puis nous les discuterons.

III.1 Débits solides et niveaux d'écoulementNous tenterons ici d'établir le lien entre les débits solides et les débits liquides, en combinant

les données de pluviométrie, débimétrie et de concentration de MES.

III.1.1 Crues Entre le 10 février, date de pose du premier pluviomètre du Conservatoire des Sites Lorrains,

et jusqu'à la fin du mois de mai, on a pu observer une demi-douzaine de crues, liées à des épisodes pluvieux relativement importants (jusqu'à 22 mm en une journée). Les prélèvements de MES ont été effectués lors de trois crues. Avant le 10 février, des périodes neigeuses n'ont pas été jugées favorables à l'enregistrement des MES (crue du 3 février liée à la fonte des neiges notamment).

La première crue dont les concentrations de MES sont étudiées débute le 23 février, après une semaine à une dizaine de jours de pluie. Les préleveurs ISCO sont posés à la station aval et à la perte 2, tandis que quatre prélèvements ont été effectués manuellement à la station amont.

Les données du préleveur posté à la station aval (fig. 9) permettent d'observer le pic de crue, qui précède le pic de débits liquides d'environ 7h. On peut imaginer que ce décalage correspond à un nettoyage des conduits souterrains, ou des chenaux de surface, dès les premiers écoulements. La teneur en MES décline rapidement après ce premier pic.

Figure 9 : Concentrations sédimentaires à la station aval lors de la crue du 23-02 au 8-03 2010.

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Les données obtenues pour cette crue à la station amont (fig. 10) permettent de voir que la décrue amorcée correspond à une baisse des concentrations de MES.

Figure 10 : Transports de MES à la station amont pour la crue du 23-02 au 8-03 2010.

On a également mesuré les taux de matière en suspension à l'aide d'un ISCO à la perte 2 (fig. 11). Cette doline-perte a un débit très faible, ce qui est à relier avec une superficie de drainage restreinte. Cependant, la perte s'engorge assez facilement, ce qui permet de penser que le réseau souterrain est peu développé et/ou insuffisamment structuré. En l'absence d'instrumentation limnimétrique à cette perte 2, on ne peut pas mettre en relation les débits et les concentrations de MES. Pour ces échantillonnages, on peut voir un pic de matières en suspension, sur une mesure unique, mais que l'on peut néanmoins considérer comme pertinente (par comparaison avec les résultats à la station aval). Le passage maximal des MES se produit très tôt dans l'épisode pluvieux considéré : dix heures trente avant le pic à la station aval. La décroissance brutale des MES tient vraisemblablement à l'engorgement de la perte 2, puis à l'établissement d'un fonctionnement lentique, qui ne permettra plus la mobilisation des sédiments. On peut voir également que l'épisode pluvieux du 28 février génère un pic secondaire très inférieur au pic de concentration précédent.

Figure 11 : Données de concentrations de MES à la perte 2 pour la crue du 23-02 au 8-03 2010

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La deuxième crue de l'année dont les concentrations de matières en suspension ont été enregistrées a eu lieu du 27 mars au 8 avril (fig. 12). Elle est issue des précipitations du 26 mars (entre 11 et 14 mm) qui se sont poursuivies le lendemain (entre 11 et 17 mm). Les concentrations de MES ont été mesurées du 31 mars au 7 avril à la station aval et à la station amont. Un problème technique a empêché d'obtenir les données de la station aval. Les données de la station amont nous permettent d'établir le lien entre le pic de crue hydrologique et le pic de concentration de matières en suspension. Nous avons en effet ici un pic de MES situé aux environs de 5h15 le premier avril (la mesure ayant été effectuée en multiplexage, l'heure de la concentration maximale est sûrement 5h15, mais la valeur obtenue est une moyenne entre la valeur de 5h15 et la valeur de 9h15). Le pic de débits liquides, lui, est atteint entre le 29 et le 30 mars. L'écart entre les deux pics (solide-liquide) est d'environ 66h. Cette donnée est étonnante au vu des mesures effectuées auparavant. Il est possible que l'on ait manqué un premier pic de MES, le prélèvement automatique ayant été démarré en différé (le premier point de donnée est un prélèvement manuel).

Figure 12 : données de la station amont pour la crue du 27 mars au 8 avril 2010

Les deux mesures de débits solides réalisées par la suite ont eu lieu lors de la crue du début du mois de mai, avec une interruption intermédiaire de deux jours (prélèvements du 5 au 12 et du 14 au 21 mai ; fig. 13). Deux campagnes de mesures ont été effectuées lors de cet épisode pour avoir à la fois la montée de crue et la décrue progressive. Les données de débits sont partiellement disponibles au moment de la rédaction de ce mémoire, aussi les interprétations du lien entre les MES et les données hydrologiques seront incomplètes.

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Figure 13 : Les concentrations sédimentaires aux stations amont et aval

Figure 14 : Les données croisées à l'amont et à l'aval du débit et des concentrations de MES

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La figure 14, qui montre simultanément les débits solides et les flux liquides, permet d'estimer un temps de réponse entre le passage de la crue à la station amont et à la station aval, pour les débits solides comme liquides. La première partie de la période montre le bruit de fond des matières en suspension en phase d'étiage. Le point correspondant aux écoulements solides maximas de la station amont semble résulter d'une erreur de mesure (à rapprocher avec la présence de têtards dans l'échantillon). Ensuite, les deux crues semblent simultanées à l'amont et à l'aval, ainsi que les pics de concentrations de MES. Le pic de MES à la station aval dépasse celui de la station amont ; on peut poser trois hypothèses à cette observation : un nettoyage éventuel des conduits souterrains avant de ressortir par la Fontaine (donc sans passer par la station amont), ou un nettoyage des chenaux superficiels entre la Fontaine et la station aval, ou encore une situation mêlant les deux, ce qui semble le plus vraisemblable.

III.1.2 ÉtiagesUne campagne de mesure avec des ISCO serait inutile en étiage, car les valeurs restent

basses et n'évoluent pas. Des mesures ponctuelles manuelles ont été effectuées. Les données de flux de matières en suspension en étiage nous informent que ces flux sont très réduits lors de ces périodes. Les étiages sont caractérisés par des débits liquides très faibles, dus à la réactivité assez forte du bassin-versant aux faibles débits. Ces faibles débits ne peuvent donc éroder les sols, et nous nous trouvons avec des valeurs de matières en suspension très réduites, de l'ordre du dixième des pics de crue.

La période estivale (de mai à septembre) correspond à la période de basses-eaux. D'octobre à avril, c'est la période humide. Les crues sont donc moins importantes dans cette période, et les sédiments seront charriés en moins grande quantité. La période la plus intéressante à étudier est donc la période humide hivernale.

III.2 Les flux de matière en solution

Figure 15: La conductivité aux différents points de mesure et à différentes dates.

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Sur la figure 15, on peut observer que les éléments en solution (ici exprimés à travers la conductivité) se superposent tous plus ou moins aux différentes dates d'échantillonnage, excepté les flux mesurés à la perte 2 et dans le fossé, près de la station aval. Les variations de quantités de matières dissoutes se calquent sur les épisodes hydrologiques (augmentation en crue, diminution en étiage). Une interprétation détaillée de ces variations n'est pas possible sans mesures en continu. Ainsi, on peut constater que les eaux du lavoir, résurgence d'équilibre des eaux souterraines, ont des valeurs d'éléments dissous proches du « bouillon », petite émergence située près de la station amont (voir annexe L). Ces conductivités traduisent bien la minéralisation de l'eau lors de son transit souterrain, notamment pour l'eau de stockage de la nappe. Le fossé à l'aval, au débit très faible, et la perte 2 ont des valeurs bien plus faibles. Ces taux plus faibles sont dus au fait que les écoulements mesurés ici ne subissent pas de percolation à travers le sol et sous-sol, mais correspondent aux ruissellements sur les argiles.

III.3 Flux de sédiments vers l'étang d'AmelNous allons à présent étudier les facteurs de flux sédimentaires dans le bassin-versant de

l'étang d'Amel, et proposer des améliorations pour les réduire.

III.3.1 Les facteurs de ces fluxLes flux solides vers l'étang d'Amel sont liés à plusieurs facteurs. Nous verrons tout d'abord

les facteurs liés à la pluviométrie, puis ceux liés à l'état des sols. Nous verrons enfin les facteurs liés au sous-sol.

Tout d'abord, les précipitations dans le bassin-versant, sans être extrêmes, permettent néanmoins de former rapidement des pics de crue importants sur un bassin-versant limité. Ceci, combiné à un état dégradé de la couche supérieure des sols, provoque l'entraînement de particules limono-argileuses. Les maxima d'intensité de ruissellement peuvent entraîner des arrachements, principalement sur un sol à nu, sans couverture végétale. Or la couverture végétale sur les champs cultivés est minimale lors de la saison humide, ce qui signifie que les conditions d'arrachement sont alors réunies.

En effet, pour les pratiques culturales classiquement utilisées en Europe, il est nécessaire d'avoir un cycle de labour après récolte et avant semis. Ce labour permet d'aérer le sol, d'enfouir le fumier, les restes de culture. Cependant, cette méthode laisse également la terre à nu, et par là empêche que les végétaux, par leur système racinaire, retiennent les sédiments, et par leur système aérien évitent que les précipitations ne compactent trop le sol (création de la croûte de battance évoquée plus haut, qui augmente l'érosion en favorisant les écoulements épidermiques).

Pour se faire une idée des flux de matière en suspension provenant du bois, en comparaison avec les sédiments érodés dans les champs, on devra faire le lien entre le fossé à l'aval, dont l'écoulement est quasiment entièrement issu de la forêt, en prenant en compte le lavoir, où ressortent la majorité des écoulements souterrains qui émergent à l'amont de l'étang.

Au vu des quelques prélèvements effectués sur le fossé, on peut néanmoins noter une faible charge de MES, en comparaison avec le ruisseau. La suite de l'étude permettra d'affirmer ou d'infirmer l'hypothèse selon laquelle les MES proviendraient en grande majorité des champs, mais nous tiendrons ici ce facteur (l'occupation du sol) comme prépondérant dans les transports sédimentaires, ce qui nous permet de proposer des solutions.

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III.3.2 Propositions d'amélioration Pour éviter ces transports sédimentaires, l'effet de peigne serait ici à privilégier. L'état de

drainage agricole généralisé à toute la zone cultivée et qui est à l'origine de la plus grande partie des ruissellements dans les fossés aménagés ne permet pas à l'eau de s'infiltrer lentement dans les sols, et au contraire entraîne une érosion accrue. En limitant la croûte de battance, on peut également, avec l'aide de pratiques culturales différentes (type Semis Direct Sous Couvert), limiter cette érosion qui favorise une accélération du comblement.

Après avoir détaillé les résultats partiels de ce début d'étude, nous poursuivons en établissant une critique sur les méthodes, les erreurs effectuées, et ce qu'il serait bon d'améliorer pour continuer l'étude et pour réaliser d'autres études par la suite.

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Chapitre IV : Critique et perspectivesNous allons ici commencer par énumérer les erreurs qui auraient pu être évitées, pour

continuer sur des propositions pour la suite de l'étude et une éventuelle étude complémentaire.IV.1 Considérations sur les erreurs effectuées

IV.1.1 les erreurs liées au matérielUne erreur qui a été pénalisante est un souci de tubes pour un des deux ISCO, qui, pour une

question d'adaptation de tubes, n'a pas pu récolter du 31-03 au 7-04 les échantillons prévus à la station aval.

Un second problème concerne le matériel : la balance permettant de peser correctement (à 10-4 près), mais la précision, lors du dosage du volume introduit dans la rampe de filtration, n'a pu atteindre que le millilitre.

Concernant les précipitations, les pluviomètres du bassin-versant ont été mis en place par le Conservatoire des Sites Lorrains en février. La vérification de la calibration des appareils par rapport aux stations Météo-France les plus proches n'a pas pu être réalisée.

IV.1.2 Les erreurs liées aux manipulationsLes manipulations réalisées ont pu engendrer des erreurs : lors des prélèvements manuels sur

le terrain, on a pu prendre un peu de matières accumulées en fond de lit par exemple. Lors des manipulations selon le protocole AFNOR pour connaître les concentrations de matières en suspension, des problèmes ont pu se produire (fuite, filtre désagrégé, …). On ne tiendra pas compte ici de la fluctuation d'échantillonnage, inévitable lors de ces manipulations.

Ces considérations nous permettent d'avoir un certain recul quant aux résultats obtenus.

IV.2 Propositions pour la suite de l'étude, et pour d'éventuelles études supplémentairesIV.2.1 Pour la suite de l'étudeUn des soucis majeurs rencontrés lors de l'analyse des échantillons a été la présence de gros

débris organiques dans les échantillons. Pour les détruire, il aurait fallu utiliser un pré-traitement, qui aurait évité des erreurs de mesure. On a pu remarquer également dans les analyses du mois de mai la présence de mollusques et amphibiens (têtards) dans les échantillons. Le délai dans lequel les échantillons ont pu être analysés leur a laissé le loisir de « souiller » les échantillons, dont les quantités de MES ont pu être sur-représentées. Pour éviter cette présence, l'installation d'une grille à l'entrée de la sonde aurait été judicieuse, dans la mesure où elle n'aurait pas affecté les résultats de MES.

On pourra également effectuer des mesures plus nombreuses au niveau du fossé aval, et de la Fontaine, pour établir le lien entre les différents écoulements.

IV.2.2 Les erreurs à éviterLe fait d'avoir commencé l'étude en différé entre le début des mesures de débits solides,

liquides, de pluviométrie n'a pas permis d'apporter une quantité optimale de données. Mais le principal problème réside dans le temps imparti pour l'étude dans le cadre de ce mémoire. La variabilité très forte des MES au gré des conditions pluviométriques et hydrologiques est connue (BRUNSTEIN et al, 2007). Une étude réalisée sur une année complète constitue un impératif minimal à la connaissance du fonctionnement hydro-sédimentaire du bassin-versant.

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Conclusion

L'étude partielle, réalisée sur moins d'un semestre, des flux de matières en suspension dans le bassin-versant de l'étang d'Amel a permis, malgré sa courte durée, de faire ressortir plusieurs caractéristiques, notamment la rapidité des réactions entre débits liquides et débits solides, la corrélation entre ceux-ci et l'influence de la pluviométrie. Nous avons également pu étudier partiellement les flux de matières en solution et les modalités de transports des sédiments. De ces enseignements on pu être tirées quelques propositions d'améliorations pour limiter les apports sédimentaires dans l'étang d'Amel.

Références bibliographiquesBRUNSTEIN D., PENVEN M.-J., MUXART T. (2007) - Développement de la croûte de

battance et exportation de MES en région de grande culture (Brie). In : Collectif, Du continent au bassin-versant. Théories et pratiques en géographie physique (Hommage au Professeur Alain Godard), Presses Universitaires Blaise-Pascal, pp. 437-448.

CUINET Y. (2010) - Etude hydrologique du bassin versant de l’étang d’Amel : caractérisation des apports d’eau dans l’étang. Mémoire M1, Université Paul Verlaine – Metz, 30 p.

GAMEZ P. (1995) - Hydrologie et karstologie du bassin du Loison (Woëvre septentrionale - Lorraine). Mosella, Presses Universitaires de Metz, t. XXI, 1991 [thèse doctorat, Université de Metz (janv. 1992)], 453 p.

GAMEZ P., HALL F. (1991) - L'étang d'Amel en Woëvre septentrionale : un exemple de contraintes dans l'aménagement d'un milieu karstifié. Mosella, t.° XVIII, n° spécial annuel 1988, pp. 215-238.

JAILLET S. (1999) - Recul de couverture et karstification dans un karst couvert de bas plateaux : le Barrois (Lorraine / Champagne – France). Etudes de géographie physique, CAGEP, Université de Provence, n° XXVIII suppl., pp. 123-128.

Références webographiqueslorraine.ecologie.gouv.fr/spip.php?rubrique208, Bulletins de situation hydrologique,

Direction Régionale de l’Environnement, de l’Aménagement et du Logement de Lorraine, Service Prévention des Risques, Division Risques Naturels et Hydrauliques (consultation mai 2010).

cartes-topographiques.fr/France.html, à partir des données de Téléatlas, Google, Transnavicom (consultation mai 2010).

Géoportail.fr, site de l'Institut Géographique National pour les fonds de carte (consultation avril 2010).

Infoterre.fr, site du Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM) (consultation avril 2010).

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Résumé

L'étang d'Amel, en Meuse, est un des étangs de la plaine de la Woëvre. Creusé au XIII e

siècle, sa spécificité est de reposer sur un substrat principalement calcaire. Le comblement de cet étang classé réserve naturelle inquiète, car il pourrait conduire à son assèchement, et à la disparition d'un écosystème de milieu humide exceptionnel. Cette étude porte sur les transports sédimentaires dans le bassin-versant de cet étang. Elle est partielle : l'étude complète s'étend sur une année, et comporte un volet complémentaire qui est la caractérisation des apports hydriques dans l'étang.

Ce rapport présente l'étude des données disponibles jusqu'à sa rédaction, en termes de transports sédimentaires, et formule notamment des hypothèses sur la provenance des sédiments, que la suite de l'étude permettra de confirmer ou d'infirmer.

Summary

The Amel pond, located in Meuse, is one of the Woëvre depression's ponds. Dug in the XIIIth century, its specificity is to be based mainly on a limestone substrate. The filling of the Réserve Naturelle Régionale classified pond with sediments is of concern becaus could lead to its drying, and the disappearance of a unique wetland ecosystem. This study focuses on sediment transport in the watershed of the pond. It is incomplete : the complete study covers one year, and includes an additional element which is the characterization of fluid intakes in the pond.

This report presents the study data available until its drafting, in terms of sediment transports, and makes particular assumptions about the provenance of sediments, that further study will confirm or deny.

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