1 Introduction

Although channel incision is a natural process, its rapid increase in European rivers is the cause of many environmental problems [1]. The main channel incision of the Loire River is a consequence of dyking, building of oblique groynes to maintain navigation during low flows, and intense sediment extraction between 1945 and 1980 [1]. The mean water channel deepening has led to the evolution from a multiple-channel pattern to a single-channel pattern. The giving up of secondary channels by waters has induced a significant colonization of these areas by vegetation and more particularly the black Poplar, Populus nigra (L). The topographic survey carried out on a secondary channel of the site of Bréhémont inundated during floods should allow identifying areas of erosion and deposition and evaluating volumes of sediments removed or deposited during floods.

2 Study site setting

The site of Bréhémont is located in the middle reaches of the Loire River, 30 km downstream the city of Tours, on the left bank of the stream (Fig. 1). At the gauging station of Tours, average discharge is 374 m3s−1 and approximately 1500 m3s−1 for the 1-in 2-year flood. In this area, the Loire River is an anabranching river [4,9]; the braided main channel is fringed by permanent islands and secondary channels only submerged during floods. In-channel woody vegetation is mainly composed of Salix spp. and Populus nigra (L) [2]. The morphological units distinguished in the secondary channel A, where the topographic survey was realized, are (1) an upstream riffle bordered by two elongated depressions (third-order channels SC1 and SC2) and by a vegetated area (ZV1), (2) two almost circular pools (M1 and M2), (3) a median riffle and (4) a third-order channel SC3 running alongside a higher vegetated zone (ZV2). In 1995, fluvial maintenance operations were performed; only the threes bands ML1 to ML3 were kept.

3 Methods

Fifteen topographic cross-sections (Fig. 1) were surveyed using a total station after floods of varying intensities (Fig. 2). Points measured at slope breaks were also recorded to improve the survey accuracy. Moreover, 31 scour chains were installed to analyse erosion and deposition processes during one event [6].

For each cross-section, eroded and deposited volumes (VES and VDS, respectively) were determined between two surveys (Fig. 3) according to the following calculations. The VES and VDS were defined on a 1 m wide strip and correspond to the product of the eroded or deposited cross-sectional area [7] by 1 m. The eroded and deposited cross-sectional areas were estimated. The VES corresponds to the volume of sediment located between the two surveys where the recent topographic surface is beneath the old surface. VDS corresponds to the volume of sediment where the recent topographic surface is above the old surface.

4 Topographic evolution during floods

4.1 Longitudinal evolution of eroded and deposited volumes estimated by cross-sections

Cross-sections analysis shows high values of VES and VDS in the upstream part of channel A. These values are lower between cross-sections ST3 and ST7 (Fig. 4). In the downstream part of the channel VES is more important than VDS. The ratio between |VDS+VES| and the section width indicates that the secondary channel A could be divided into three reaches where sedimentary activity can be linked with the presence of vegetation: the upstream reach (0–135 m), where sedimentary processes are strong, the middle reach (135–400 m) and the downstream reach (400–550 m), where sedimentary processes are less important.

4.2 Erosion and deposition areas: definition and volume estimation

The analysis of DEMs between surveys L1 and L2 shows that 5770 m³ of sediments were deposited in the secondary channel A, mainly in the vegetated area ZV2 (Fig. 5). Erosion of the upstream bank of the Pallu Island has induced migration of the third-order channel SC1 while strong incision of SC3 has occurred. Between surveys L2 and L4, channel A was eroded although sedimentation took place in the vegetated area. Floods have led to sediment deposition from 1994 to 2001, whereas erosion was dominant between 2001 and 2003 (Fig. 6). In the upstream reach, lateral erosion of the Pallu Island contrasts with the stability of the vegetated area ZV1. Sediment deposition downstream of this area is the result of important flow resistance by the trees.

Scour chains confirmed these results and emphasised the role of vegetation on sediment retention.

5 Increasing channel asymmetrical morphology

6 Conclusions

L'incision des chenaux fluviatiles, bien qu'elle fasse partie du fonctionnement naturel des cours d'eau, s'est accélérée brutalement depuis la seconde moitié du XX^e siècle dans les rivières européennes [10]. Le chenal principal de la Loire moyenne (France) en est un exemple, ce qui représente la conséquence de l'endiguement, de la présence d'ouvrages de navigation et de l'extraction massive de granulats entre 1945 et 1980 [1]. De nombreux dysfonctionnements en résultent, dont l'abandon croissant des chenaux secondaires par les eaux, leur colonisation par la végétation ligneuse pionnière (Populus nigra L.) et leur colmatage sédimentaire. Quelles sont les quantités de sédiments déposés ou évacués à la faveur des crues de différentes amplitudes ? Existe-t-il des zones préférentielles de stockage ou déstockage ? Une variabilité du processus de colmatage est-elle discernable à l'échelle pluriannuelle ? Quel est l'impact du développement végétal sur le comblement des chenaux et, par rétroaction, l'influence de ce colmatage sur la végétalisation ? Nous tentons de répondre à ces questions grâce à un suivi topographique, en analysant la disposition et l'importance des zones d'accumulation et d'érosion au sein d'un chenal secondaire. Ce dernier, dont la configuration morphologique est représentative de celle des annexes hydrauliques de la Loire moyenne, se situe sur la commune de Bréhémont (Indre-et-Loire).

Le site se localise en rive gauche de la Loire, à 30 km à l'aval de Tours, près de Bréhémont (00°21′23″E ; 47°17′45″N). Le débit moyen interannuel à la station de Tours est de 374 m3s−1, le débit des crues biennales d'environ 1500 m3s−1 et celui des décennales de 2300 m3s−1 (données Banque hydrologique, DIREN Centre). Dans le secteur de Bréhémont, la largeur du lit endigué est d'environ 700 m, celle du chenal principal varie entre 175 et 300 m, et la pente est de l'ordre de 0,3‰. Le style fluvial en anabranches de la Loire [4,9] est caractérisé par un chenal principal en tresses reporté en rive droite et par trois chenaux secondaires (A, B et C) séparés par des îles végétalisées pérennes, situées en rive gauche (Fig. 1a).

Les îles sont occupées par des boisements denses et leurs berges montrent souvent la transition entre des forêts de bois tendres (Populus nigra L, Salix spp) et celles de bois durs (Ulmus spp, Fraxinus spp, Quercus robur L.) ; le fond des chenaux secondaires est colonisé par des saulaies–peupleraies à Populus nigra L [2].

Les chenaux secondaires A, B et C sont exondés une grande partie de l'année ; leur inondation survient lors des crues, bien que l'eau de la nappe alluviale affleure toute l'année dans des « mouilles » (fosses localisées). Le chenal secondaire A est long d'environ 650 m, pour une largeur maximale de 120 m. Il est constitué de différentes unités morphologiques (Fig. 1b). Le seuil d'entrée (S1) est bordé de sous-chenaux (SC1 et SC2) inondés lors des faibles crues et comporte une zone colonisée par des peupliers d'une hauteur inférieure à 15 m (ZV1). Deux mouilles (M1 et M2) se localisent à l'aval du seuil, dans une zone où la largeur de la section d'écoulement diminue. M2 est une mouille de confluence, flanquée en rive droite d'une barre de convexité. À partir du seuil topographique médian (S2), le chenal acquiert une morphologie asymétrique : un sous-chenal de vidange (SC3), localisé en rive droite longe une zone plus haute et végétalisée (ZV2). Cette colonisation est éparse à l'amont et dense à l'aval ; la séparation entre ces aires végétales est soulignée par une « barrière ligneuse », qui regroupe plusieurs massifs. En rive gauche, un sous-chenal en cours de comblement (SC4) est présent. En 1995, le chenal secondaire A a subi des travaux, au cours desquels la végétation ligneuse a été détruite, à l'exception des massifs ligneux ML1, 2 et 3. Lors des crues, la connexion amont–aval du chenal est conditionnée par le seuil médian (S2), dont la submersion débute à partir de 650 m3s−1 à Langeais. Dans ce travail, sont considérées comme modérées les crues dont le débit maximum est inférieur à 1100 m3s−1 et comme importantes celles dont le débit à Langeais excède cette valeur.

Le suivi de l'évolution topographique du chenal A a été réalisé à l'aide d'un théodolite électronique, selon quinze sections transversales fixes (Fig. 1b) et selon des semis de points tenant compte des ruptures de pentes. Ces levés, réalisés après les périodes de submersion du chenal, ont été comparés entre eux et avec un levé réalisé en 1994 (L1, Fig. 2).

Les levés ont été effectués après des crues de durée importante (L2, L4), pour lesquelles les débits maximum ont atteint 2980 et 2690 m3s−1 ou à la suite de crues modérées (débit maximum de 940 m3s−1), pour lesquelles les zones végétalisées n'ont pas été inondées (L3). Afin d'appréhender les cycles érosion–dépôt au cours d'une même crue, entre L3 et L4, 31 chaînes d'érosion ont été implantées au sein du chenal (ces dispositifs permettent de mesurer, en un point, l'épaisseur de sédiments érodés, ainsi que celle du dépôt subséquent [6]).

La détermination des volumes érodés par section (VES) ou déposés (VDS) entre deux surfaces topographiques établies par des levés successifs a été réalisée en deux étapes. Dans un premier temps, le calcul des différences d'altitude entre deux levés, selon des incréments de 0,1 m (Fig. 3), a été réalisé à l'aide d'un programme informatique qui a permis de calculer les surfaces verticales négatives et positives comprises entre deux levés [7]. L'approximation des volumes de sédiments érodés et déposés est calculée pour une bande large de 1 m. Ainsi, le volume est négatif (volume érodé par section, VES), lorsque la surface topographique récente est plus basse que la surface topographique ancienne, et il est positif (volume déposé par section, VDS) dans le cas contraire.

Les semis de points et sections ont fait l'objet d'une interpolation linéaire, qui consiste à relier les points par des triangles (triangulation de Delaunay) [5]. Les grilles obtenues ont été soustraites, afin d'obtenir les volumes érodés et déposés. Les fonds des « mouilles » (véritables pièges à sédiments), où la collecte de données était difficile du fait de la présence d'eau, ont été exclus de ces calculs. Les volumes estimés à partir de ces grilles sont (1) le volume relatif à la surface inondée entre deux levés consécutifs ou volume différentiel total (VDT), (2) le volume calculé sur la surface systématiquement inondée lors de la connexion amont–aval, qui exclut les berges et la zone végétalisée ZV2 ; c'est un volume calculé sur une iso-surface (VIS).

4.1 Évolution longitudinale des volumes érodés et déposés par section

4.2 Définition et quantification des zones d'érosion et de dépôt

Les VES suivent la même tendance entre crues modérées et importantes, alors que les VDS sont différents selon le type d'événement. Pour les crues modérées survenues avant L3, les faibles valeurs de VDS entre ST1 et 7 deviennent importantes entre ST9 et ST12 (Fig. 4a). Lors des crues importantes (après L4), les VDS d'environ 12 m³ à l'amont traduisent le dépôt massif de sédiments en provenance du chenal principal. Les volumes remaniés rapportés à la largeur sont, pour l'ensemble des crues considérées, importants à l'amont et entre ST8 et ST11 (Fig. 4b). Dans ces zones, le bilan sédimentaire est déficitaire : l'érosion survient dans le sous-chenal de vidange (SC3), alors que les dépôts (plus faibles) surviennent dans les zones végétalisées. Les sédiments déposés dans ces aires constituent un gain sédimentaire lent, inéluctable, et difficilement remobilisable, du fait de leur fixation par la végétation [8] et de la réduction des vitesses d'écoulement qu'elle induit [11]. Au contraire, les volumes plus importants remaniés dans SC3 reflètent le transit. Ainsi, malgré un bilan sédimentaire faiblement positif à l'échelle décennale (entre L1 et L4), la géométrie des formes du chenal évolue.

Les crues modérées favorisent la retouche des sédiments stockés sur les seuils 1 et 2 et le remaniement des sédiments du sous-chenal de vidange (SC3). En revanche, les zones végétalisées, non inondées, ne sont affectées par aucun remaniement sédimentaire. Les crues modérées entretiennent donc la morphologie asymétrique du chenal secondaire. Les crues importantes favorisent le remaniement des réserves de sédiments constituées par les seuils et la barre de convexité. Dans la zone aval, elles se traduisent par un dépôt dans les zones végétalisées (ZV2) et par la chasse dans SC3. Elles contribuent donc également au développement d'une morphologie asymétrique du chenal.

Dans la zone centrale, la végétation qui fixe les sédiments en rive gauche semble influencer les remaniements dans SC3 par déflexion des courants vers ce sous-chenal. Dans la zone aval, la fixation des sédiments par l'importante surface végétalisée explique les faibles valeurs du rapport volume remanié total sur largeur (Fig. 4b). En rétroaction, le stockage sédimentaire dans cette zone favorise son exhaussement vis-à-vis du sous-chenal de vidange SC3 et module les flux liquides et particulaires par une déflexion de plus en plus marquée des écoulements et par une réduction de leur vitesse (Rodrigues et al., en préparation). Cette évolution, qui rappelle les phases de rétrécissement des chenaux décrits dans d'autres contextes alluviaux [3], devrait aboutir au rattachement de la zone végétalisée ZV2 à la berge de rive gauche ou à la naissance d'une île.

Cette étude constitue une avancée vers l'identification et la quantification des volumes sédimentaires érodés et déposés au sein des chenaux secondaires de la Loire lors des crues. Elle montre (1) la variabilité du processus de comblement de ces annexes hydrauliques selon l'échelle de temps considérée (annuelle et pluriannuelle) ; (2) que les crues, modérées ou importantes, renforcent la morphologie asymétrique du chenal, phénomène modulé par les paramètres intensité, durée et fréquence des épisodes de crues ; (3) que la végétation implantée sur les zones surélevées favorise le dépôt et l'archivage sédimentaire, alors que les sous-chenaux, qui sont sujets à des remaniements systématiques survenant lors des crues, constituent des « gouttières » d'évacuation préférentielle des flux liquides et solides.