Dynamique et discontinuité hydro-morphosédimentaire d'un continuum fluvial, le cas de la Garonne amont

Hydro-morphosedimentary dynamics and disruptions along a fluvial continuum, the case of the Upper Garonne River (Central Pyrenees, Spain-France)

• Auteur / Autrice : Théo Bulteau
• Direction : Hervé Piégay, Ramon J. Batalla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géographie - Géomorphologie fluviale
• Date : Soutenance le 09/06/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure en cotutelle avec Universitat de Lleida
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences sociales (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnement, ville, société (Lyon ; 1995-....) - Fluvial Dynamics Research Group
• Jury : Président / Présidente : Gilles Arnaud-Fassetta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Arnaud-Fassetta, Stéphane Rodrigues, Askoa Ibisate, Gabriel Melun, Anne-Julia Rollet, Damià Vericat Querol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Arnaud-Fassetta, Stéphane Rodrigues

Mots clés

Mots clés contrôlés

Barrages -- France

Garonne (cours d'eau)

Dynamique hydro-sédimentaire

Mots clés libres

Diagnostic géomorphologique

Analyse géohistorique

Colmatage interstitiel

Garonne amont

Transport solide

Barrage au fil de l'eau

Geomorphic diagnosis

Geohistoric analysis

Riverbed clogging

Upper Garonne

Sediment transport

Run-of-river dam

Résumé

Au cours du 20ème siècle, de nombreux changements d’origine naturelle et anthropique ont profondément modifié le régime hydro-sédimentaire de la Garonne amont (Pyrénées Centrales), et engendré de multiples pertes de services écosystémiques. Afin de proposer d’éventuelles mesures visant à résorber les dégâts déjà causés et à limiter l’impact des pressions actuelles, ce travail de thèse a pour objectif d’établir un diagnostic du fonctionnement hydro-sédimentaire de la Garonne amont, à plusieurs échelles spatio-temporelles imbriquées. Pour conduire ce diagnostic, des données historiques ont été collectées et ré-interprétées, puis couplées à une approche de géomorphologie expérimentale visant à mieux comprendre le fonctionnement actuel du cours d’eau et notamment les interactions entre flux solides, flux liquides, et barrages, à partir notamment de techniques RFID et de suivi du remplissage interstitiel couplé à une acquisition thermographique aéroportée. L’approche historique a permis de mettre en évidence la simplification du tracé en plan du cours d’eau, son incision, et le développement d’un pavage de surface sur les secteurs en aval immédiat des barrages. Cette réponse morphologique classiquement observée dans les hydrosystèmes intra-montagnards en Europe est cependant très contrastée selon les secteurs. Chaque sous-tronçon a connu une trajectoire spécifique, fonction de (1) son potentiel initial d’ajustement, (2) la nature, l’intensité, et la temporalité des pressions anthropiques qui sont venus se superposer aux changements naturels. L’approche expérimentale a notamment permis de lever le voile sur le rôle du barrage du Plan d’Arem dans les dégradations observées. Nous avons ainsi pu mettre en évidence son rôle de perturbateur des flux hydro-sédimentaires entre sa construction en 1970, mais également l’efficacité de son mode de gestion actuelle pour restaurer une hydrologie de crue naturelle et préserver un transit sédimentaire fonctionnel, avec in fine un secteur aval aujourd’hui très fonctionnel malgré la présence du barrage. Le déficit sédimentaire structurel du bassin amont, couplé à une hydrologie de crue préservée en aval des différents barrages espagnols et français, tendent aujourd’hui à induire une inéluctable dégradation et un retour à des conditions dégradées similaires aux conditions antérieures à la crue centennale du juin 2013 si aucune action n’est entreprise en faveur d’une gestion patrimoniale des apports sédimentaires. Un premier scénario de gestion pointe donc vers l’arrêt de toute forme d’extractions de matériaux en amont du Plan d’Arem, l’optimisation de la gestion du Plan d’Arem afin que les sédiments stockés dans la retenue tamponnent le déficit amont le plus longtemps possible, et la ré-injection des matériaux stockés dans les ouvrages de correction torrentiels de la Pique amont. Une fois ces leviers épuisés, il s’agira d’identifier de nouvelles sources de sédiments et de quantifier leur pouvoir tampon vis-à-vis du déficit.

Since the beginning of the 20th century, numerous natural and human disturbances have profoundly affected the Upper Garonne (Central Pyrenees) hydro-sedimentary regime, resulting in multiple ecosystem services losses. Prior to potential actions that would tend at past degradation resorption and current pressures impacts limitation, the work conducted in this PhD aims at achieving a robust diagnosis of the Upper Garonne hydro-sedimentary functioning at multiple spatial and temporal imbricated scales. To conduct this diagnosis, historical data were collected and re-interpreted, afterwards coupled with an experimental geomorphology approach in order to better understand current river functioning, and notably the interactions between sediment transport, flood regime, and dams. The historical approach allowed for a detailed characterisation of river morphological trajectory, consisting mainly in channel planform simplification, bed incision, and coarsening. This response, very common in European mountainous hydrosystems, is nevertheless very contrasted depending on given sub-reaches. Each sub-reach adjusted differently, according to (1) its initial conditions, and (2) the nature, magnitude, and temporality of anthropisation factors which overlapped with natural evolution. The experimental approach has notably shed light on the role of the Plan d’Arem dam in overall observed degradations. From one side, we show its contribution in disturbing hydro-sedimentary dynamics since its construction in 1970, but from the other, we state on the real efficiency of the current management in restoring natural flood hydrology and preserving minimal sediment transport, resulting in good functionality of the downstream reach despite the presence of the dam. The structural sediment deficit of the uppermost catchment, associated with a relatively natural flood hydrology downstream from the set of dams, are likely to induce inevitable degradation of current state and return to conditions similar to the ones before the 100-yr flood occurred in June 2013, if no actions are taken in favour of sustainable sediment management. Therefore, a first management scenario relies on the preservation of all sediment inputs from the upper catchment, the optimisation of Plan d’Arem dam management to parsimoniously route the sediments stored within the reservoir, and the re-injection of sediments stored within check-dams of the Upper Pique catchment. Once these levers exhausted, new sediment sources will have to be identified and quantified to assess their potential for buffering sediment deficit of the whole catchment.

Desde principios del siglo XX, el régimen hidrosedimentario del Alto Garona (Pirineo Central) se ha visto alterado por diversas perturbaciones naturales y antrópicas, dando lugar a la pérdida de numerosos servicios ecosistémicos. Como paso previo a la implementación de acciones para revertir la degradación pasada del medio fluvial y limitar las presiones actuales, el trabajorealizado en este doctorado tiene como objetivo realizar un diagnóstico sólido del funcionamiento hidrosedimentario del Alto Garona a múltiples escalas espaciales y temporales. Para llevar a cabo este diagnóstico, se han obtenido y reinterpretado datos históricos, que después se han combinado con un enfoque de geomorfología experimental para entender mejor el funcionamiento actual del río, y sobre todo de las interacciones entre el transporte de sedimentos, el régimen fluvial (crecidas)y las presas. El enfoque histórico ha permitido una caracterización detallada de la trayectoria morfológica del río, que ha consistido principalmente en la simplificación de la forma del cauce, combinado con incisión y acorazamiento. Esta respuesta, muy frecuente en cuencas de drenaje de montaña europeas, es sin embargo diversa según el sector fluvial estudiado. Cada sector se ha ido ajustando de forma diferente, según (1) sus condiciones iniciales y (2) la naturaleza, magnitud y temporalidadde los impactos antrópicos, que se han ido solapando con la evolución natural del río. El enfoque experimental ha aportado nuevo conocimiento sobre el papel de la presa de Plan de Arem en el conjunto de impactos observados. Por un lado, el trabajo muestra el papel de la presa en la degradación de la dinámica hidrosedimentaria del río desde su construcción en 1970; pero, por otro, es importante remarcar la eficacia de la gestión actual a la hora de preservar la hidrología natural de las riadas y asegurar una mínima transferencia de sedimentos, que se traduce en una buena funcionalidad del tramo aguas abajo, pese a la presencia de la presa. El déficit estructural de sedimentos de la cabecera de la cuenca, asociado a un régimen de crecidas relativamente natural aguas abajo, es probable que lleve a una degradación continuada del estado actual del río y lo vuelva a condiciones similares a las anteriores a la inundación de 100 años de 2013, si no se llevan a cabo acciones destinadas a una gestión más sostenible de los sedimentos. Por tanto, un primer escenario de gestión se basa en la preservación de todas las aportaciones de sedimentos desde la cabecera de la cuenca, la optimización de la gestión de la presa del Plan de Arem para transferir progresivamente los sedimentos almacenados dentro del embalse, y la reinyección de sedimentos retenidos en los diques de la cabecera del Alto Pique. Una vez agotadas estas fuentes, será necesario identificar y cuantificar nuevas fuentes de materiales para evaluar su potencial de reducir el déficit de sedimentos del conjunto de la cuenca.