Hérit'AGES Atlas des paléoenvironnements
et de l'anthopisation (aménagements historiques)
des plaines alluviales du bassin de la Loire


PROGRAMME AGES



Programme soutenu au titre du Plan Loire 3 par l’Agence de l’Eau Loire Bretagne, l’Etablissement Public Loire et l’Europe (Fonds Féder).

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Programme labélisé par la Zone Atelier Loire, labellisée et soutenue par l’Institut National de l’Ecologie et de L’Environnement (INEE) du CNRS et membre du LTER Europe et du ILTER pour l’international.

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Programme réalisé par 26 chercheurs et enseignants-chercheurs basés dans 8 laboratoires de recherche et 6 universités et leurs collaborateurs scientifiques et documentaires.

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L’équipe de recherche du programme AGES :

Responsabilité scientifique et technique du programme

  • Cyril Castanet
    Maître de Conférences à l’Université Paris VIII et au sein de l’UMR CNRS 8591 Laboratoire de Géographie Physique : Environnements Quaternaires et Actuels.

Responsabilités scientifiques et techniques des travaux des équipes partenaires du programme

  • Rémy Arthuis
    INRAP Pays de Loire
  • Christèle Ballut
    UMR CNRS 7041 Archéologies et Sciences de l’Antiquité
  • Jean-Gabriel Bréheret
    Université de Tours – E.A 6293 GéHCO - GéoHydrosytèmes Continentaux
  • Nathalie Carcaud
    Agrocampus Ouest Angers, Unité Paysage
  • Cyril Castanet
    Université Paris VIII, UMR CNRS 8591 Laboratoire de Géographie Physique : Environnements Quaternaires et Actuels.
  • Hervé Cubizolle
    Université Jean Monnet de Saint-Etienne et Centre de recherche ISTHME "EVS" - UMR CNRS 5600
  • Annie Dumont
    DRASM, UMR CNRS 5594 ARTeHIS Archéologie-Terre-Histoire-Sociétés
  • Jean-Pierre Garcia
    Université de Bourgogne - UMR CNRS/uB/Culture 5594 ARTeHIS Archéologie-Terre-Histoire-Sociétés
  • Emmanuelle Gautier
    Université Paris I - UMR CNRS 8591 Laboratoire de Géographie Physique : Environnements Quaternaires et Actuels
  • Philippe Gardère
    INRAP Centre, UMR CNRS CITERES LAT
  • Jean-Jacques Macaire
    Université de Tours – E.A 6293 GéHCO - GéoHydrosytèmes Continentaux
  • Julienne Piana
    Université d’Angers - UMR CNRS 6590 ESO
  • Frédéric Trément
    Université de Clermont-Ferrand, Centre d’Histoire « Espaces et Cultures » CHEC-EA 1001
  • Anaëlle Vayssière
    Université Paris I - UMR CNRS 8591 Laboratoire de Géographie Physique : Environnements Quaternaires et Actuels


Résumé

La directive européenne sur l’eau (DCE du 23 octobre 2000), la loi sur l’eau et les milieux aquatiques (Loi n° 2006-1772 du 30 décembre 2006) et la loi sur l’évaluation et la gestion du risque d’inondation (directive 2007/60/CE du 23 octobre 2007) posent un cadre qui invite les chercheurs et les gestionnaires à caractériser et à prendre en compte les différentes échelles spatiales et temporelles de la dynamique des hydrosystèmes fluviaux. Au niveau du bassin versant de la Loire, le schéma directeur d’aménagement et de gestion des eaux (Sdage) du bassin Loire-Bretagne 2010-2015 fixe les objectifs qualitatifs et quantitatifs, pour un bon état de l’eau à l’horizon 2015, notamment pour repenser les aménagements des cours d’eau et pour réduire le risque d’inondation par les cours d’eau.

Dans les plaines alluviales, les sédiments (nature, géométrie, stock, âge) constituent la mémoire des dynamiques hydrosédimentaires passées. Ils interfèrent avec les dynamiques fluviales actuelles et joueront un rôle dans les dynamiques futures. Il a donc été donc proposé de lancer dans le cadre du programme de recherche AGES une évaluation des évolutions hydro-géomorphologiques anciennes de l’hydrosystème ligérien reposant sur l’étude du sédiment. Les principaux objectifs de cette évaluation sont :

  • d’identifier les réponses fluviales aux changements climatiques, environnementaux et sociétaux de nature et d’ampleur différentes de celles perçues par l’étude des seules séries hydrologiques (XIXe et XXe s.) et des bases de données des sources écrites et iconographiques ;
  • d’établir des modèles de construction des plaines alluviales du bassin de la Loire, en intégrant les dynamiques des flux hydro-sédimentaires et des aménagements hydrauliques lourds comme celles des endiguements ;
  • d’acquérir des données nouvelles sur l’histoire de l’anthropisation des cours d’eau, des aléas liés aux dynamiques fluviales et des vulnérabilités sociétales dans le cadre de la caractérisation de l’évolution des risques d’origine fluviale (plusieurs états de référence des cours d’eau et des plaines alluviales pour divers niveaux de contraintes anthropiques) ;
  • de réaliser un atlas du paléoenvironnement et de l’anthropisation (aménagements historiques) des vallées du bassin de la Loire et de monter une plate-forme de web mapping, permettant l’accès et l’exploitation de ces données par les acteurs du bassin de la Loire.

Les méthodologies mises en œuvre ont reposé tout d’abord sur l’implantation d’un réseau de fenêtres, les « tronçons pilotes », à trois niveaux hiérarchiques différents et complémentaires pour l’observation des dynamiques passées de l’hydrosystème ligérien:

  1. la vallée de la Loire (sections amont, moyenne et aval)
  2. les principaux organismes fluviaux (vallées du Loir, du Cher et de la Creuse)
  3. les têtes de bassin (haut bassin amont ouest et est).

Les protocoles ont été définis de façon concertée, à l’échelle du réseau de tronçons pilotes, de façon à favoriser des comparaisons intersites. Ils ont reposé sur des approches intégrées, croisant des travaux en hydro-géomorphologie, en sédimentologie, en géochimie, en géophysique, en paléo-écologie, en géochronologie, en géomatique et en archéologie.

Le volume et la qualité des travaux projetés a reposé sur une équipe de 26 chercheurs et enseignants-chercheurs basés essentiellement dans 8 laboratoires de recherche et 6 universités [dont 4 universités et 5 laboratoires CNRS et leurs plateformes techniques implantés dans le bassin versant de la Loire) ainsi que des collaborations scientifiques et documentaires avec 35 partenaires institutionnels (22 collaborations scientifiques et 13 collaborations documentaires).

Les travaux ont été réalisés en deux temps. Le premier a été consacré à la synthèse des travaux antérieurs et à l’acquisition de nouvelles données de terrain (carottages sédimentaires, prospections géophysiques, système d’information géographique, …). Le second temps a été consacré aux analyses en laboratoires puis aux synthèses des résultats (au niveau de chaque tronçon pilote et au niveau du réseau de tronçons pilotes).

La finalisation des travaux permet la restitution d’une base de données numériques et physiques des sédiments alluviaux (conservation des carottes de référence en laboratoire), de données quantifiées sur les flux et les stocks alluviaux des plaines alluviales, de modèles de construction des plaines alluviales et des dynamiques fluviales à moyen terme et à long terme des cours d’eau du bassin de la Loire, un Système d’Information Géographique et une plate-forme de web mapping des paléo-environnements et de l’anthropisation (aménagements historiques) des vallées du bassin de la Loire (Atlas) ajout lien html vers la page atlas), des rapports, des mémoires de recherche, des publications scientifiques et grand public ainsi que des réunions scientifiques entre chercheurs et gestionnaires et des réunions destinées à un large public.

Mots clés :

Réponses fluviales ; risques d’origine fluviale ; échelles de référence spatio-temporelles ; résiliences ; héritages ; morphogenèse des plaines d’inondation ; atlas des paléo-environnements et de l’anthropisation (aménagements historiques) ; réseau de tronçons pilotes ; sédiment ; interdisciplinarité ; géosciences et archéologie, reconstitutions et modélisations ; recherche et gestion.

Lien téléchargement de la plaquette

http://projets.plan-loire.fr/37202/631?plateforme=rdi

Contexte

Le changement global actuel, climatique, environnemental et sociétal, implique des développements en recherche et en gestion sur les dynamiques environnementales et socio-environnementales en cours, notamment dans les zones très actives sur les plans hydro-géomorphologiques et sociétaux comme le sont les plaines alluviales. Comprendre les dynamiques actuelles des milieux fluviatiles et des interactions sociétés – cours d’eau, ainsi que prévoir leur évolution future, nécessite d’avoir conscience de leurs trajectoires à divers pas de temps. Seule la connaissance des interactions qui se sont jouées dans le passé (dernières années et décennies, derniers siècles et millénaires) entre les cours d’eau, le climat, l’environnement et les sociétés permet d’identifier pleinement ces dynamiques et leurs enjeux.

Depuis une quinzaine d’années, la prise en compte des échelles temporelles emboîtées, auxquelles évoluent les dynamiques hydro-sédimentaires et les milieux des plaines alluviales (jours, saisons, années, décennies, siècles, millénaires), constitue un enjeu croissant pour les chercheurs et pour les gestionnaires.

  • La directive européenne 2007/60/CE du 23 octobre 2007 relative à l’évaluation et à la gestion du risque d’inondation pose un cadre visant à « réduire les conséquences négatives pour la santé humaine, l’environnement, le patrimoine culturel et l’activité économique associées aux inondations dans la Communauté ». Dans ce cadre, les gestionnaires et les chercheurs de chaque état membre doivent intégrer dans leurs travaux les différentes échelles spatiales et temporelles des dynamiques en jeu dans les plaines alluviales, et cela au niveau des trois composantes principales de la directive (Martini, 2010). Pour une évaluation préliminaire du risque d’inondation, il faut décrire les inondations survenues dans le passé et les processus associés. Pour les territoires concernés, il est nécessaire d’établir des cartes de surfaces inondables qui présentent l’enveloppe des submersions pour trois périodes de retour : forte probabilité, moyenne probabilité (au moins centennale) et événements exceptionnels. La conception des plans de gestion des risques d’inondation (première réalisation attendue pour le 22 décembre 2015) doit ensuite intégrer le diagnostic composé de l’évaluation préliminaire du risque d’inondation et des cartes des inondations. Parmi les orientations méthodologiques de la mise en œuvre de cette directive en France, l’évaluation préliminaire des risques d’inondation se base donc en particulier sur les inondations survenues dans le passé. Une démarche visant à concentrer les informations historiques disponibles en France est engagée. La systématisation du recueil des données historiques facilitera les révisions à venir des évaluations préliminaires des risques d’inondation (Martini, 2010).
  • La directive-cadre européenne sur l’eau (DCE) du 23 octobre 2000 fixe comme objectif à tous les états membres d’atteindre à l’horizon 2015 le bon état écologique et chimique des eaux et des milieux aquatiques. Parmi les enjeux de recherche et de gestion liés à cet objectif de la directive se trouvent la prise en compte du bon état (bon fonctionnement, état de référence) et donc l’intégration d’approches permettant,
    • d’évaluer, aux échelles pertinentes d’espace et de temps, les perturbations des processus fonctionnels (3 grandes catégories de processus : physiques, biogéochimiques et écologiques, Roche et al., 2005). Roche et al. rappellent que les cours d’eau sont caractérisés par leur dynamique – l’état stable étant une exception ou une altération – et par leur résilience ;
    • de reconstituer les conditions de référence de certains types de milieux pour lesquels aucun site non impacté par l’anthropisation n’est disponible (Roche et al., 2005), comme le sont les cours d’eau et leur plaine alluviale, en ayant recours à des données historiques ou paléo-écologiques. L’état (ou les conditions) de référence constitue une situation repère correspondant à un niveau d’anthropisation suffisamment faible pour que l’impact anthropique au niveau de l’écosystème soit négligeable (car difficilement discernable de la variabilité naturelle, ou très localisé).
  • La loi 2006-1772 du 30 décembre 2006 sur l’Eau et les Milieux Aquatiques fournit un cadre pour un plan de gestion du transport solide dans les cours d’eau (Art.L.215-15). Dans ce cas de figure aussi, avant toute restauration, il est nécessaire d’identifier préalablement un dysfonctionnement. Pour cela, il faut avoir connaissance d’un état de référence pour chaque cours d’eau et/ou tronçon de vallée faisant l’objet du diagnostic. Les concepts, les outils et les méthodes mobilisés pour ces investigations sans largement ancrés dans les dimensions spatio-temporelles des dynamiques des cours appréhendés par les approches hydrogéomorphologiques.
  • Au niveau du bassin versant de la Loire, le schéma directeur d’aménagement et de gestion des eaux (Sdage) du bassin Loire-Bretagne 2010-2015, adopté par le comité de bassin Loire-Bretagne le 15 octobre 2009 et arrêté par le Préfet coordonnateur le 18 novembre 2009, fixe ainsi les objectifs qualitatifs et quantitatifs pour un bon état de l’eau à l’horizon 2015, notamment sur les thèmes de la protection des milieux aquatiques et de la gestion du risque d’inondation. La prise en compte des différentes échelles temporelles auxquelles évoluent les dynamiques hydro-sédimentaires et les milieux des plaines alluviales (jours, saisons, années, décennies, siècles, millénaires) se révèle indispensable lorsqu’il s’agit 1/, de « Repenser les aménagements de cours d’eau » et particulièrement de « Restaurer la qualité physique et fonctionnelle des cours d’eau » (Chapitre 1 des orientations fondamentales et dispositions du Sdage du bassin Loire-Bretagne 2010-2015) et 2/, de « Réduire le risque d’inondation par les cours d’eau » (Chapitre 12 du même Sdage). Des schémas d’aménagement de gestion des eaux (Sage), d’initiative locale et réalisés pour mettre en œuvre le Sdage, présentent actuellement divers états d’avancement au sein du bassin de la Loire (phase d’émergence, instruction, phase d’élaboration, en instance d’approbation, mise en œuvre, fig. 9).

Dans le bassin ligérien, des travaux de recherche et de gestion ont donc été engagés en ce sens depuis une quinzaine d’années par les acteurs du programme de recherche interdisciplinaire de la Zone Atelier Loire (ZAL), programme soutenu par l'Institut Ecologie et Environnement (INEE) du CNRS (Garcin et al., 1999, Carcaud et al., 2003, Burnouf et al., 2001, Castanet, 2008, Piana et al., 2010, Cubizolle et al., 2003, Macaire et al., 2006), de l’Etablissement Public Loire et de l’Agence de l’Eau Loire Bretagne. Le 5ème rendez-vous organisé entre la communauté scientifique et les gestionnaires du bassin de la Loire et ses affluents du 6 juillet 2011 à Orléans sur le thème « Echelles de référence spatio-temporelles : la contribution des jeunes chercheurs à leur intégration opérationnelle », et plus récemment, le séminaire technique du 24 novembre 2011 à Vierzon sur le thème « Le transport sédimentaire : principes et expériences sur le bassin ligérien » témoignent de cette collaboration entre les chercheurs et les gestionnaires sur la question de la prise en compte des échelles de temps et d’espace dans les travaux réalisés.

Les travaux du programme AGES « Evolutions géomorphologiques anciennes de l’hydrosystème ligérien » s’inscrivent donc dans le cadre d’une gestion des milieux fluviatiles des vallées du bassin de la Loire et des risques d’origine fluviale qui y sont en jeu. Ils visent à répondre aux attentes des gestionnaires en joignant leur questionnement aux problématiques scientifiques. Ils portent particulièrement sur les questions suivantes.

  • Quelles sont les réponses fluviales aux changements climatiques, environnementaux et sociétaux ? Processus (hydrographie, hydraulique, hydrologie), espace et temporalités (réponse instantanée, différée) ;
  • Quelles sont les modalités de construction des plaines alluviales ? Processus, modèles, héritages : stocks sédimentaires, stockage et déstockage alluviaux (charge de fond, dépôts d’inondation), interactions entre processus géodynamiques et anthropiques ;
  • Quels sont les risques d’origine fluviale entre aléa hydro-climatique et vulnérabilité sociétale ? Processus, Espaces et temporalités (résilience), héritages hydro-géomorphologiques et sociétaux, retour sur expériences à divers pas de temps.

Notre connaissance de la dynamique des cours d’eau, des milieux fluviatiles et des risques d’origine fluviale repose largement sur le potentiel de l’enregistrement sédimentaire pour établir les reconstitutions. Le potentiel des archives sédimentaires fluviatiles pour ces travaux a été démontré dans les grands bassins européens par Starkel, Bravard, Macklin, Grégory, Arnaud-Fassetta. Dans les vallées du bassin de la Loire, il a été mis en évidence notamment grâce aux travaux de Macaire (1981), Garcin (1999), Cubizolle (2003), Carcaud (2004), Castanet (2008), Piana (2010) et Morin (2010).

Malgré les premiers modèles établis, le bassin de la Loire accuse un déficit de connaissance de la dynamique hydrosédimentaire, par rapport à d’autres grands bassins comme par exemple celui du Rhône ou du Rhin, notamment aux diverses échelles spatiales et temporelles de l’hydrosystème. Ces lacunes contraignent le travail des gestionnaires du bassin de la Loire qui posent aujourd’hui les questions suivantes (cf. document stratégique du réseau OSLA).

Document stratégique du réseau OSLA
Fig. 1 : Holocene fluvial activity of the middle and lower Loire River (in Arnaud-Fassetta et al., 2010). Studied sites: Orléans vale (c, Castanet, 2008), Triple vale, and Authion vale (d, Carcaud et al., 2002; e, Carcaud, 2004). Correlation with the upper Loire River vegetation cover (Reille and Beaulieu, 1988; Argant and Cubizolle, 2005). Note that in the Orleans vale, Holocene fluvial dynamics are characterised by multi-centennial to millennium scales episodes.
  • Quel est le fonctionnement « naturel » de la Loire, de son estuaire et ses affluents ?
  • Comment sont mobilisées les alluvions ?
  • Peut-on caractériser l’érosion des versants ?
  • Quelle est l’épaisseur des alluvions encore disponible au-dessus du substratum ?
  • Comment caractériser et spatialiser les stocks alluviaux présents dans les réseaux hydrographiques affluents, pour comprendre leurs origines ?
  • Peut-on estimer les stocks sédimentaires disponibles dans les plaines alluviales ?
  • Quel est l’impact de l’anthropisation des vallées ?
  • Peut-on identifier l’ensemble des tronçons de cours d’eau potentiellement mobiles dans un objectif de meilleure gestion du stock sédimentaire des plaines alluviales ?
  • Quels sont les impacts du transport sédimentaire sur les ouvrages ?
  • Comment mettre à disposition des gestionnaires ou d’un large public les connaissances relatives aux sédiments du bassin de la Loire ?
Chronologie et modalités des aménagements hydrauliques de la Loire et de la variabilité de l’activité fluviale
Fig. 2 : Chronologie et modalités des aménagements hydrauliques de la Loire et de la variabilité de l’activité fluviale (Castanet, 2008).

Ce constat de la connaissance actuelle des évolutions hydro-géomorphologiques fluviales anciennes dans le bassin de la Loire et des méthodes de travail dans ce domaine révèle plusieurs problématiques de recherche d’actualité, concernant spécifiquement les plaines alluviales du bassin de la Loire et, souvent, celles des principaux hydrosystèmes européens.

Elles se répartissent autour des quatre thèmes suivants :

  • la dynamique des cours d’eau et des milieux fluviatiles du bassin de la Loire en réponse aux changements climatiques, environnementaux et sociétaux durant le dernier glaciaire et l’Holocène : auto-cyclicité, allo-cyclicités, variabilité spatio-temporelle ;
  • la morphogenèse des plaines alluviales de la Loire et de ses affluents (entre variabilité des flux hydrosédimentaires et aménagements) : processus, modèles, héritages ;
  • les interactions entre les systèmes fluviaux et sociaux du bassin de la Loire sur la longue durée : enregistrements sédimentaires, dynamiques socio-environnementales, risques d’origine fluviale ;
  • l’analyse spatiale et la cartographie des paléoenvironnements et de l’anthropisation (aménagements historiques) des plaines alluviales du bassin de la Loire : Système d’Information Géographique, plate-forme de web mapping (atlas en ligne).

Les travaux de recherche du projet AGES « Evolutions géomorphologiques anciennes de l’hydrosystème ligérien » sont orientés selon ces quatre directions. Les questions identifiées dans ces quatre thèmes sont souvent liées entre elles.

Le programme AGES se justifie donc au titre des enjeux de sociétés (enjeux environnementaux et socio-environnementaux, enjeux de gestion) et au titre des stratégies de recherches scientifiques et techniques (production de connaissances scientifiques). Il répond à trois niveaux de besoins qui sont des besoins scientifiques (accroissement de la connaissance de phénomènes complexes inscrits dans la longue durée des milieux fluviatiles et des sociétés), méthodologiques (travaux interdisciplinaires, approche systémique, approche multi-scalaire, approche bottom-up, recherche et action) et finalisés (transfert des connaissances fondamentales pour une meilleure gestion des milieux très actifs sur les plans hydrogéomorphologiques et sociétaux).

Objectifs

Les objectifs du programme AGES « Evolutions géomorphologiques anciennes de l’hydrosystème ligérien » s’articulent autour de quatre thèmes complémentaires mis en œuvre de façon intégrée au niveau des principaux organismes fluviaux du bassin de la Loire. Les observations réalisées permettent une analyse systémique et multi-scalaire des cours d’eau et des plaines alluviales.

objectifs du programme AGES
Fig. 3 : Répartition des objectifs du programme AGES « Evolutions géomorphologiques anciennes de l’hydrosystème ligérien » selon quatre thèmes complémentaires mis en œuvre de façon intégrée au niveau des principaux organismes fluviaux du bassin de la Loire.

Thème 1 – Dynamiques des cours d’eau et des milieux fluviatiles du bassin de la Loire en réponse aux changements climatiques, environnementaux et sociétaux durant le dernier glaciaire et l’Holocène : auto- et allo-cyclicités, variabilité spatio-temporelle

Dans le contexte actuel de changement global, climatique, environnemental et sociétal, comprendre la complexité des réponses fluviales aux divers facteurs de contrôle de leur évolution (forçage climatique, environnemental, anthropique ; dynamique autocyclique ; résilience ; variabilité spatio-temporelle) permettra 1/ une meilleure compréhension de la dynamique des hydrosystèmes fluviaux du bassin ligérien et 2/ de replacer les dynamiques actuelles dans une trajectoire à plus long terme que celle indiquée par les seules séries hydrologiques et les cartes anciennes ne retraçant que le dernier ou les deux derniers siècles au maximum. Ce thème comprend les sous-thèmes suivants.

  • Dynamiques fluviales et fluvio-éoliennes, paléomilieux et cyclicité climatique durant le dernier glaciaire (Weichsélien)
  • Paléomilieux et variabilité spatio-temporelle des réponses fluviales aux forçages climatiques et anthropiques au cours de l’Holocène.
Réponses fluviales aux changements climatiques, environnementaux et sociétaux survenus durant le dernier glaciaire et l’Holocène
Fig. 4 : Réponses fluviales aux changements climatiques, environnementaux et sociétaux survenus durant le dernier glaciaire et l’Holocène. À gauche, l’évolution de la température mesurée à partir du δ18O de la glace dans la carotte de GISP2 (Groenland) au cours des 100000 dernières années (Grootes et al., 1993). À droite, l’évolution δ18O des précipitations reconstruit à partir du δ18O des ostracodes dans le Lac Ammersee depuis 15000 ans comparée avec la courbe isotopique de GRIP au Groenland (d’après Von Grafenstein et al., 1999).

Thème 2 – Morphogenèse des plaines alluviales de la Loire et de ses affluents entre variabilité des flux hydrosédimentaires et aménagements : processus, modèles, héritages.

Les processus et les dynamiques hydrosédimentaires à l’origine du façonnement des plaines alluviales sont multiples. Que les classifications des plaines alluviales soient morphologiques ou génétiques, « l’intégration des héritages fluviatiles comme variables discriminantes des classifications reste délicate » (Salvador, 2005). En effet, nombreuses sont les plaines alluviales dont les caractéristiques morphologiques et sédimentologiques sont héritées des dynamiques survenues durant l’Holocène et le Weichsélien. La quantification des flux et des stocks sédimentaires permettant d’évaluer les vitesses d’évolution morphologique, la modélisation conceptuelle de la construction des plaines alluviales et la caractérisation des rôles joués par les héritages morpho-sédimentaires et anthropiques (weichséliens et holocènes) sur les dynamiques subactuelles - actuelles des milieux fluviatiles (lit mineur, lit endigué, lit majeur) constituent donc un champ de recherche susceptible de favoriser la compréhension des dynamiques actuelles, et cela dans une perspective de meilleure gestion des espaces fluviaux. Ce thème comprend les sous-thèmes suivants.

  • Modélisation conceptuelle de la construction des plaines alluviales au sein du continuum fluvial du bassin ligérien.
  • Modélisation spatiale des corps sédimentaires alluviaux et quantification des stocks alluviaux.
  • Rôles des héritages morpho-sédimentaires et anthropiques (weichséliens et holocènes) sur les dynamiques subactuelles - actuelles des milieux fluviatiles (lit mineur, lit endigué, lit majeur).
Réponses fluviales aux changements climatiques, environnementaux et sociétaux survenus durant le dernier glaciaire et l’Holocène
Fig. 5 : Formes et dépôts associés aux plaines alluviales de cours d’eau à méandres. Modèle de plaine alluviale édifiée par un cours d’eau à méandres (Allen 1970, modifié par Brown, 1997).

Thème 3 – Interactions entre les systèmes fluviaux et sociaux du bassin de la Loire sur la longue durée : enregistrements sédimentaires, dynamiques socio-environnementales, risques d’origine fluviale.

Les facteurs de causalités impliqués dans les dynamiques des milieux sont multiples (pression agro-pastorale, détérioration climatique et dégradation végétale). Il est couramment démontré que la simultanéité des ces trois facteurs entraîne une réponse quasi-instantanée des dynamiques hydrosédimentaires. Cependant, tous les autres cas de figures sont souvent sujets à discussion (Macklin et al., 1992, 2006 ; van der Leeuw, 1995, 2003 ; Bravard, 1997 ; Pastre et al., 2002, 2003 ; Berger in van der Leeuw, 2003 ; Burnouf et Leveau, 2004). Les reconstitutions du canevas environnemental et du tissu archéologique en contextes fluviatiles apparaissent donc nécessaires à la compréhension de la dynamique du système fluvial. De plus ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives de recherches relatives à l’évaluation des risques d’origine fluviale passés (Bravard, 2004 ; Burnouf et Leveau, 2004 ; Grégory et al., 2006). Durant ces dernières décennies, deux conceptions nouvelles relatives à l’aléa dans les risques d’origine fluviale ont émergées. D’une part, le principe de non stationnarité hydroclimatique tend à se substituer à celui de la stationnarité hydroclimatique (Bravard, 2004). Ainsi, l’évaluation de l’aléa potentiel ne peut pas s’inscrire dans une logique purement statistique obtenue par des lois d’ajustement. D’autre part, la variable hydrologique n’est plus perçue comme la seule à jouer un rôle. Elle apparaît indissociable de la composante morphodynamique. « L’aléa inondation dépend directement des facteurs pluviométriques et hydrologiques, mais (…) il est aussi contrôlé par un facteur interne au système fluvial qui est l’état des lits fluviaux » (Bravard, 2004). Les modèles d’évolution des aléas et des vulnérabilités sur la longue durée établis au sein des vallées du bassin de la Loire doivent être mieux contraints de façon à affiner leurs résolutions spatiale et temporelle. Ce thème comprend les sous-thèmes suivants.

  • Dynamiques socio-environnementales en milieux fluviatiles du Paléolithique supérieur à l’Actuel.
  • Evolution des risques d’origine fluviale sur la longue durée : entre paléo-aléa hydroclimatique et paléo-vulnérabilité sociétale.
Anthroposystème
Fig. 6 : Représentation schématique du concept d’anthroposystème (d’après Muxart, 2006).
Brèches historiques
Fig. 7 : Gravures d’une brèche formée dans une levée de la Loire et du val inondé durant l’époque moderne.

Thème 4 – Analyse spatiale et cartographie des paléoenvironnements et de l’anthropisation (aménagements historiques) des plaines alluviales du bassin de la Loire : Système d’Information Géographique, plate-forme de web mapping (atlas en ligne)

La cartographie « hydromorphologique » des zones inondables créée en 1983 par le ministère de l’Equipement (Bravard et al., 2008). La méthode hydromorphologique donne une signification en termes d’aléa inondation aux unités géomorphologiques. Elle est particulièrement appliquée dans le sud de la France ou dans le bassin de la Marne (Ballais et al., 2006 ; Chave et al., 2006 ; Marre et al., 2006). « Elle sert de support à la prévention des inondations car elle contribue à l’élaboration des plans de prévention des risques inondation » (Bravard et al., 2008). Plus récemment, une nouvelle méthode fondée sur des concepts adaptés à la vallée du Rhône et plus largement aux grands cours d’eau a été développée par J.-P. Bravard et ses collaborateurs (Bravard et al., 2008). De ces travaux a résulté un atlas du paléoenvironnement établi pour la plaine alluviale du Rhône, de la frontière suisse à la mer, sous la maîtrise d’ouvrage de la DIREN-Rhône-Alpes, et avec l’assistance du CETE-Méditerranée (Fig. 8). Les travaux de cet axe de recherche (thème 4) visent l’élaboration d’un atlas du paléoenvironnement et de l’anthropisation (aménagements historiques) des plaines alluviales du bassin de la Loire.

Extrait de l’atlas du paléoenvironnement de la plaine alluviale du Rhône
Fig. 8 : Extrait de la plateforme de web mapping de l’atlas du paléoenvironnement de la plaine alluviale du Rhône : zoom sur le secteur lyonnais.
www.planrhone.fr

Mise en œuvre

Méthodologies

Les méthodologies mises en œuvre dans le cadre de l’action « Evolutions géomorphologiques anciennes » reposent sur des observations menées,

  • au niveau d’un réseau de fenêtres d’étude qui constituent chacune un « tronçon pilote » des plaines alluviales du bassin de la Loire au sein du réseau OSLA ;
  • selon des protocoles définis en commun et favorables aux comparaisons inter-fenêtres ;
  • selon des approches interdisciplinaires, systémiques et multi-scalaires, assurées par 26 chercheurs et enseignants-chercheurs basés essentiellement dans 8 laboratoires de recherche et 6 universités ;
  • en partenariats avec divers acteurs (chercheurs et gestionnaires) du bassin versant de la Loire : 22 collaborations scientifiques et 13 collaborations documentaires.

Mise en place d’un réseau de fenêtres d’étude, les « tronçons pilotes », à l’échelle de l’ensemble du bassin versant de la Loire

Les limites inhérentes à l’élaboration des canevas paléoenvironnementaux et des tissus archéologiques sont largement tributaires des discontinuités spatiales et temporelles des dynamiques reconstituées et des enregistrements. La discontinuité des enregistrements rend les approches situationnelles non opérationnelles pour caractériser des dynamiques environnementales et socio-environnementales, ces dynamiques étant sujettes à des relais de processus dans l’espace et dans le temps et à des phénomènes d’ajustement et de résilience. Dans le cadre de la réalisation du projet AGES « Evolution géomorphologiques anciennes de l’hydrosystème ligérien », nous tenterons d’apporter une continuité spatiale aux dynamiques hydrosédimentaires et socio-environnementales et d’affiner la résolution chronologique de leur reconstitution. Pour cela, nous mènerons une approche multi-scalaire au sein du continuum fluvial et du continuum versants – plaines alluviales.

La distribution spatiale des différents tronçons des plaines alluviales sélectionnés pour réaliser le projet « Evolutions géomorphologiques anciennes de l’hydrosystème ligérien» répond donc

  1. aux objectifs d’une approche systémique et multi-scalaire,
  2. à la diversité des enjeux environnementaux et socio-environnementaux rencontrés dans les plaines du bassin de la Loire
  3. à la préexistence de tronçons ayant déjà faits l’objet d’études et devenant des « sites pilotes ou sites laboratoires » dans le cadre de cette action et
  4. à des opportunités d’étudier certaines formations alluviales découvertes à l’occasion de grands travaux d’aménagement récents et futurs dans les plaines alluviales du bassin de la Loire (horizon 2012-2014). La répartition des fenêtres d’étude intègre à la fois le continuum fluvial de la vallée de la Loire (sections amont, médiane et aval), certains organismes fluviaux majeurs du bassin (vallée du Loir, vallée du Cher, vallée de la Creuse) et des têtes de bassin (cours d’eau de rang 1 et 2 en Loire amont et en Allier amont). Cette distribution des espaces étudiés au sein du bassin de la Loire apparait tout à fait favorable à une meilleure identification des effets liés aux échelles spatiales et temporelles, des transferts amont-aval de matière (eau et alluvions) et de la résilience du système fluvial dans le cadre des évolutions géomorphologiques anciennes. Les fenêtres d’études implantées dans le cadre du projet AGES « Evolution géomorphologiques anciennes de l’hydrosystème ligérien » sont les suivantes.
Carte des sites pilotes du programme AGES
Fig. 9 : Carte des sites pilotes du programme AGES.

Vallée de la Loire (sections amont, médiane et aval)

  • Équipe Loire bourguignone (entre Roanne et Nevers) - Équipe coord. : Dumont , Garcia et al.
  • Équipe Loire moyenne - Vals de Loire orléanais - Équipe coord. : Castanet, Carcaud et al.
  • Équipe Loire moyenne - Vallée de la Loire/Cher à Tours - Équipe coord. : Gardère et al.
  • Équipe Loire aval - Val d’Authion - Équipe coord. : Carcaud, Castanet et al.
  • Équipe Loire aval - val de la Loire armoricaine - Équipe coord. : Arthuis et al.

Vallée de quelques principaux organismes fluviaux du bassin (Loir, Cher et Creuse)

  • Équipe vallée du Loir - Équipe coord. : Piana, Castanet, Carcaud et al.
  • Équipe vallée du Cher - Équipe coord. : Castanet, Gautier, Vayssière et al.
  • Équipe vallée de la Creuse - Équipe coord. : Bréheret, Macaire et al.

Têtes de bassins (cours d’eau de rangs 1 et 2)

  • Équipe Bassin amont de la Loire Est, tête de bassin - Équipe coord. : Cubizolle et al.
  • Équipe Bassin amont de la Loire Ouest, tête de bassin- Équipe coord. : Trément et al.

Développement d’approches intégrées géomorphologiques, sédimentologiques, géochimiques, géophysiques, paléo-écologiques, géochronologiques, géomatiques et archéologiques.

Le positionnement à plusieurs échelles spatio-temporelles emboîtées est doublé de développements méthodologiques spatialement intégrants et favorables à un affinement des résolutions spatiale et chronologique des reconstitutions (croisement de séries sédimentaires longues peu dilatées et de séries courtes dilatées ; marqueurs chronologiques multiples : 14C, OSL, biochronologie et archéologie). Les méthodologies élaborées reposeront sur des approches intégrées géomorphologique, sédimentologique, géophysique, paléoécologique et géomatique visant à identifier, à caractériser, à spatialiser et à dater les principaux corps sédimentaires. Parmi les approches mises en œuvre au sein des fenêtres d’étude, nous trouverons notamment,

  • l’élaboration de modèles de plaine alluviale à n couches d’alluvions reposant sur un substratum, à l’aide de travaux de modélisation spatiale avec analyse géostatistique (données BRGM, CETE et carottages réalisés dans le cadre de cette action, …) ;
  • la caractérisation litho-stratigraphique et morpho-stratigraphique fine des dépôts selon des coupes transversales et longitudinales des vallées : réalisation de carottages ; mise en œuvre de méthodes géophysiques reproductibles, spatialement intégrantes et non intrusives (Gourry et al., 2002 ; Castanet et al., 2007 ;) ;
  • la quantification des flux et des stocks sédimentaires permettant d’évaluer les vitesses d’évolution morphologique (Macaire et al. 1997, 2002, 2006, 2010) ;
  • l’analyse du modelé du relief des plaines alluviales à l’aide de Modèles Numériques de Terrain (MNT BD_Alti (IGN) et MNT de haute résolution LIght Detection And Ranging, LiDAR) ;
  • la caractérisation des paléosols.

Les changements hydrographiques, hydrauliques et hydrologiques sont les principales manifestations de l’ajustement des systèmes fluviaux et des paléomilieux fluviatiles au changement des forçages climatiques, environnementaux et sociétaux. De plus, ces trois manifestations ne peuvent être appréhendées, sur un plan génétique, qu’en regard les unes des autres. Dans les tronçons de plaine alluviale étudiés, les reconstitutions établies reposeront donc sur l’une ou l’ensemble des approches paléo-hydrographique, paléo-hydraulique et paléo-hydrologique.

Des protocoles d’échantillonnages multidisciplinaires sont réalisés sur les carottes sédimentaires et les coupes stratigraphiques. Cela permet de mener une approche interdisciplinaire (géomorphologues, sédimentologistes, géochimistes, paléoécologues, géoarchéologues, géochronologues) sur la base d’archives prélevées en contextes hors-sites et intra-sites archéologiques.

Le cadre chronostratigraphique élaboré repose sur des éléments de chronologie relative (morphostratigraphie, biochronologie, unités archéologiques), de datations par le radiocarbone (14C) et OSL (Optically Stimuled Luminescence).

Une base de données des inondations des plaines alluviales du bassin de la Loire recensées durant les périodes historiques dans les sources écrites est réalisée pour certaines fenêtres d’étude de cette action.

Les protocoles mis en œuvre sont établis pour répondre à une double attente. D’une part, ils sont prioritairement adaptés au contexte géomorphologique et à la qualité des archives sédimentaires fluviatiles étudiées au sein de chaque tronçon-pilote étudié. Mais, ils doivent d’autre part favoriser la comparaison entre les différentes fenêtres d’étude implantées à divers niveaux du bassin versant de la Loire. En effet, les résolutions spatiales et temporelles des reconstitutions établies dans divers compartiments du bassin de la Loire restent encore trop hétérogènes ce qui limite les possibilités d’exploitation de l’ensemble des travaux réalisés (Carcaud et al., 2004, Cubizolle, ce projet, Castanet 2008). Il s’agit là d’un aspect méthodologique crucial de ce projet. Sa bonne prise en compte favorise les comparaisons visées entre les diverses sections (amont/médiane/aval) du cours de la Loire et de ses affluents.

Mise en œuvre d’approches systémiques et interdisciplinaires, ancrées dans les SHS et les STU.

Au-delà des approches visant à caractériser les dynamiques des cours d’eau et des milieux fluviatiles (cf. supra), des développements méthodologiques complémentaires permettent la caractérisation et l’analyse des interactions socio-environnementales en milieux fluviatiles. Cette approche systémique nécessite des approches croisées faisant appel aux SHS (Sciences de l’Homme et de la Société) et aux STU (Sciences de la Terre et de l’Univers). Les différentes approches indiquées ci-après sont menées, parfois isolément ou plus souvent de façon intégrée dans un même tronçon de plaine alluviale.

  • Caractérisation et analyse de l’hétérogénéité du potentiel archéologique à l’échelle de la plaine alluviale. La connaissance des principaux processus et temps associés à la construction du tronçon de la plaine alluviale étudiée (cf. supra Thème2) permettra 1/ d’estimer l’hétérogénéité du potentiel archéologique, et 2/ de tenter de prendre en compte les processus taphonomiques intervenus à une petite échelle spatiale (processus liés à l’activité du fleuve) dans l’interprétation des cartes archéologiques établies.
  • Cela permet une analyse spatiale et diachronique de l’occupation, de l’exploitation et de l’aménagement des milieux fluviatiles, à l’échelle du site archéologique, de son environnement immédiat (unité de paysage fluvial) puis à l’échelle de la plaine alluviale. En complément des observations et des relevés de terrain, des cartes archéologiques pour les diverses périodes étudiées seront établies. Ces cartes seront hybrides, elles intègreront à la fois les données archéologiques, géomorphologiques et géologiques.

La connaissance des aménagements et des usages du fleuve revêt un caractère majeur car leur dynamique exprime, en partie, l’évolution des rapports entretenus entre les sociétés, la plaine et le fleuve. Les modalités des endiguements représentent en effet des indicateurs du rapport des sociétés riveraines du fleuve au risque d’inondation et cela, notamment, en fonction des systèmes techniques de ces dernières et des conditions hydroclimatiques survenues au niveau du bassin versant. La caractérisation des aménagements hydrauliques du fleuve reposera notamment sur l’étude de l’implantation, de l’âge et de la surélévation des digues des cours d’eau comme la Loire. La cartographie des générations de digues et la caractérisation de leur rehaussement seront affinées et appuyées sur le croisement de sources écrites, de l’analyse d’un MNT LiDAR et de sections radar GPR des digues. De nouveaux éléments chronologiques permettront de préciser les âges et localisation des digues médiévales de la Loire (Burnouf et al, 2001 ; Carcaud, 2004 ; Castanet, 2008).

Travaux de collaboration scientifique entre chercheurs et gestionnaires du bassin versant de la Loire

Le volume et la qualité des travaux projetés reposent sur une équipe de 26 chercheurs et enseignants-chercheurs basés essentiellement dans 8 laboratoires de recherche et 6 universités [dont 4 universités et 5 laboratoires CNRS et leurs plateformes techniques implantés dans le bassin versant de la Loire) ainsi que des collaborations scientifiques et documentaires avec 35 partenaires institutionnels (22 collaborations scientifiques et 13 collaborations documentaires).

Certaines collaborations scientifiques entre chercheurs et gestionnaires portent sur des enjeux relatifs aux gestions des risques d’origine fluviale et des milieux aquatiques (risques liés aux inondations, transport solide dans les cours d’eau). Organismes gestionnaires partenaires : Etablissement Public Loire, Agence de l’Eau Loire Bretagne, Directions Régionales de l’Environnement de l’Aménagement et du Logement, Centres d’Etudes Techniques de l’Equipement.

D’autres collaborations chercheurs – gestionnaires sont centrées sur des enjeux relatifs à l’aménagement et au patrimoine dans les plaines d’inondation du bassin de la Loire (risque archéologique, patrimonialisation). Organismes partenaires : Services Régionaux Archéologiques (SRA), Institut National des Recherches Archéologiques Préventives (INRAP), Services archéologiques départementaux et communaux, Projets Collectifs de Recherche (Ministère de la Culture).

Ce projet s’inscrit parallèlement au sein du programme de recherche interdisciplinaire Zone Atelier Loire ZAL (S. Servain-Courant et S. Greulich) http://www.za-loire.org/ (CNRS, Institut Ecologie et Environnement INEE, http://www.za-inee.org/). La ZAL a pour spécificité l’observation dans le long terme (derniers 15 000 ans) d’un Anthroposystème complexe. Elle doit fournir des éléments de réponse aux attentes sociales, économiques et politiques, ainsi que des clés permettant d’avoir une démarche prospective pertinente. Le projet AGES constitue une action du projet de Réseau d’Observation des Sédiments de la Loire et de ses Affluents [le réseau OSLA (coord. M. Desmet) qui est un projet structurant de la ZAL], au sein de l’axe 1 « Transport solide et évolutions géomorphologiques » du réseau. Il contribuera aussi à la réalisation de l’action INFO-Séd Banque de données et cartographie dynamique de l’axe 4 « Gestion des sédiments : outils et valorisation » du réseau.

Extrait de l’atlas du paléoenvironnement de la plaine alluviale du Rhône
Fig. 10 : Structuration thématique du réseau d’Observation des Sédiments de la Loire et de ses Affluents [le réseau OSLA (coord. M. Desmet) (Document de travail, juin 2011)

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Données cartographiques thématiques

Les données cartographiques du programme AGES sont organisées par thématiques (Fig.11). Le catalogue de données de l'atlas reprend cette organisation thématiques

Illustration des thématiques du programme
Fig.11 : Illustration des thématiques du programme.
  • Les deux thématiques cartographiques au coeur du programmes sont :
    • -la représentation des paléoformes de la plaine alluviale (thématique 1) et
    • les aménagements d'origine anthropique (thématique 2).
  • Trois thématiques secondaires viennent enrichir l'atlas et de nombreux fonds de carte sont à disposition :
    • les inondations historiques (thématique 3),
    • les zones de protection de la nature (thématique 4),
    • les zonages administratifs(thématique 5).

Lors de l'initialisation de l'application, les couches des thématiques 1 et 2 et le fond de carte orthophotographique sont affichés par défaut.

Toutes des autres couches de données et fonds de cartes sont accessibles dans le catalogue de données du visualiseur.

Échelles spatiales du programme

Illustration des échelles spatiales du programme
Fig.12 : Illustration des échelles spatiales du programme.

Les données cartographiques du programme AGES couvrent l'ensemble du linéaire de la Loire à l'échelle de la plaine alluviale (Fig.12).

Certaines zones d'études sont également situées sur les affluents de la Loire : Le Cher, le Loir et la Dore.

La fenêtre de navigation interactive du visualiseur permet de zoomer directement sur les sites pilotes les mieux renseignés.

Unité spatiale de représentation géographique

L'unité géographique d'étude sur le linéaire est la plaine alluviale (ou lit majeur).

Illustration : Unités géographiques du programme
Fig.13 : Unités géographiques du programme.

Il faut bien distinguer (Fig.13) les différentes unités spatiales de l'hydrosystème ligérien :

  • la bande active de la Loire actuelle,
  • le lit endigué (époque moderne),
  • la plaine alluviale (holocène, env. -10.000 ans).
Illustration : Bande active de la Loire au niveau de Pouilly-sur-Loire
Fig.14 : Bande active de la Loire au niveau de Pouilly-sur-Loire.
Photo: GRIVEL, GAUTIER, 2012

-La bande active de la Loire actuelle (ou "lit moyen", Fig.14) est constituée de bancs alluviaux peu ou pas végétalisés, remaniés et rajeunis par des crues de fréquence moyenne à forte -entre la crue annuelle et la crue biennale environ-.

Illustration : Unités géographiques du programme
Fig.15 : Unités géographiques du programme
  • -le lit endigué est l'espace de liberté du cours d'eau restreint depuis le Moyen-Âge par son corset de digues,
  • -la plaine alluviale (ou lit majeur) est inondée lors de crues de fréquence moyenne à rare (la plaine alluviale correspond sensiblement à l’emprise de la crue centennale).

L'analyse microtopographique (MNT LiDAR, Fig.15) permet de distinguer au sein de la plaine alluviale les formes fluviales anciennes (notamment antérieures à l'endiguement de la plaine), témoins et indices de l'activité dynamique passée du cours d'eau, tels que les anciens chenaux.

Ces unités spatiales sont généralement interconnectées par le réseau hydraulique de surface ou par l’écoulement souterrain et sont réactivées lors des épisodes de crues majeures.

Les aménagements historiques

L'atlas en ligne du programme AGES cartographie également les aménagements historiques d'origine anthropique (digues, ponts, épis de navigation, dhuis et chevrettes... Fig. 16) lorsque ceux-ci influencent l'écoulement de la Loire.

Photographie des aménagements de la Loire à Ingrandes
Fig.16 : Aménagements de la Loire à Ingrandes.
© Région des Pays de la Loire – PB. Fourny
Programme AGES / Cartographie, développement, webdesign : Vincent Choffrut, Laboratoire de Géographie Physique UMR CNRS 8591