Bilan des exportations de matières en suspension du bassin versant de...

Bilan des exportations de matières en suspension du bassin versant

de l'Hérault à la Méditerranée Rapport final

Programme Environnement Vie et Société

Bilan des exportations de matières en suspension du bassin versant de

l'Hérault à la Méditerranée Rapport final

BRGM/RP-53983-FR Juillet 2005

Étude réalisée dans le cadre des projets de Recherche du BRGM 2005 PDR05EAU04

E. Petelet-Giraud Avec la collaboration de

J. Cubizolles, J.C. Foucher et M. Brach

Vérificateur : Date : 16/08/05

Original signé par

Négrel Ph.

Approbateur : Date : 26/01/06

Original signé par

Pennequin D.

Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000.

Programme Environnement Vie et Société

Mots clés : Matières en suspension, MES, Flux solide, Hérault. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Petelet-Giraud, E., Cubizolles, J., Foucher, J-C. et Brach, M. (2005). Bilan des exportations de matières en suspension du bassin versant de l'Hérault à la Méditerranée. Rapport BRGM/RP-53983-FR, 32p. © BRGM, 2005, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.

Exportations des MES du bassin versant de l'Hérault à la Méditerranée

BRGM/RP-53983-FR – Rapport final 3

Synthèse

La quantification des exportations solides d’une rivière est un exercice délicat, en particulier en domaine méditerranéen où les phénomènes de crue-éclair (crue violente et de courte durée) rendent les prélèvements difficiles. Le but du présent rapport est d’essayer d’établir un bilan des exportations de matières en suspension (MES) du bassin versant de l’Hérault vers la Méditerranée. Après le Rhône, l'Hérault est le second fleuve côtier français en terme d'apport liquide à la Méditerranée, l'estimation des quantités de matières en suspension exportées par ce fleuve est donc importante en terme de bilan des exportations globales à la Méditerranée et de taux d'érosion à l'échelle du bassin versant.

Pour cela, les différentes données existantes ont été collectées, en particulier les données du Réseau des données sur l'eau du bassin Rhône-Méditerranée-Corse. De nouvelles données ont aussi été acquises dans le cadre du projet ORME (Observatoire de Recherche Méditerranéen sur l'Environnement, Zone Atelier du CNRS) et du programme de recherche BRGM – PDR05EAU04 (CRUES).

Les couples concentration en MES et débit ainsi obtenus sont utilisés pour définir une relation générale entre ces deux paramètres. Les données sont traitées par la méthode de Ferguson qui permet de corriger le biais statistique lié à l'utilisation des moyennes géométriques et non arithmétiques dans les relations de type Log. Après correction, cette relation peut être extrapolée pour établir un bilan moyen des exportation de MES et en déduire un taux d’érosion mécanique à l’échelle du bassin.

Avec un flux moyen de 171 718 T/an de MES exportées (soit un flux spécifique de 67.3 T/km²/an), l'Hérault se situe dans la moyenne européenne et présente des ordres de grandeur tout à fait comparables aux autres fleuves méditerranéens français.

Le fleuve Hérault est caractérisé par des crue-éclair (violentes et de courte durée). Cette caractéristique impacte fortement les exportations de MES, ainsi, les flux de MES présentent une variabilité saisonnière et annuelle très importante. En effet, l'essentiel des MES sont exportées au cours des crues violentes de courte durée. Ainsi, sur l'Hérault au cours de la période 1971-2004, 65% des MES exportées l'ont été en 1.1% du temps, avec des années extrêmes comme 1989, où en 3 jours ce sont 83% des MES totales de l’année qui ont été exportées.

Dans cette étude, nous avons rappelé l'importance de concentrer les mesures de MES en période de crues, en particulier pendant les évènements extrêmes où se font l'essentiel des transports solides. Nous avons ainsi vu que les estimations antérieures étaient d'un ordre de grandeur inférieur à celle de cette étude, pour les raisons suivantes : (1) trop peu de quantification de MES lors des très forts débits, (2) utilisation du débit moyen annuel comme référence qui sous-représente fortement les épisodes de crue-éclair, et (3) la non correction des données par la méthode de Ferguson.


4 BRGM/RP-53983-FR – Rapport final



Sommaire

1. Introduction...............................................................................................................7 2. Zone d’étude : le bassin versant de l’Hérault ........................................................9

2.1. LOCALISATION...................................................................................................9 2.2. CONTEXTE GEOLOGIQUE SOMMAIRE .........................................................10 2.3. LE FLEUVE HERAULT......................................................................................10

3. Les données utilisées ............................................................................................13 3.1. LES DONNEES EXISTANTES..........................................................................13 3.2. LES DONNEES ACQUISES AU COURS DU PROJET ....................................14

3.2.1. Choix du site d'échantillonnage et installation du matériel .......................14 3.2.2. Prélèvements manuels sur un cycle hydrologique ...................................18

4. Résultats et interprétations ...................................................................................19 4.1. DESCRIPTION DES DONNEES .......................................................................19

4.1.1. Les données anciennes............................................................................19 4.1.2. Les nouvelles données.............................................................................20

4.2. CORRECTION DES DONNEES PAR LA METHODE DE FERGUSON ...........22 4.2.1. Principe.....................................................................................................22 4.2.2. Application à l'exutoire du bassin de l'Hérault ..........................................23

4.3. FLUX DE « MES » EXPORTEES A L’EXUTOIRE DU BASSIN DE L’HERAULT24 4.3.1. Calcul des exportations de MES ..............................................................24 4.3.2. Mise en évidence de l’influence des crues dans l’exportation des «MES»25

4.4. COMPARAISON DE L’HERAULT AVEC D’AUTRES FLEUVES ......................27 5. Conclusion ..............................................................................................................29 6. Bibliographie...........................................................................................................31

Liste des illustrations

Illustration 1 : Profil en long du fleuve Hérault (d’après Rougé, 1959) ..........................................9

llustration 2 : Carte géologique simplifiée du bassin versant de l’Hérault (extrait de la carte géologique de la France au 1/1000000, edition BRGM).....................................................11

Illustration 3 : Localisation du seuil de Bladier par rapport à la station de pompage de Filliols-Pouilles et de la station débimétrique de l’Hérault à Florensac........................................13

Illustration 4 : Site de prélèvement sur l'Hérault : seuil de Bladier...............................................14

Illustration 5 : Dispositif de prélèvement automatique à Bladier ..................................................15

Illustration 6 : Local technique en bordure du fleuve où sont installés le préleveur et le programmateur.............................................................................................................................16

Illustration 7 : Détail de la programmation du préleveur automatique .........................................17



Illustration 8 : Hydrogramme de l’Hérault à la station de Florensac sur la période septembre 1998 à juin 2000 (Données DIREN-LRO). Représentation du débit seuil de déclenchement du préleveur automatique à 35 m3/s. ................................................................. 17

Illustration 9 : Données issues du réseau des données sur l'eau du bassin Rhône-Méditerranée-Corse pour la période 1971-2001. ........................................................................ 19

Illustration 10 : Données issues du réseau des données sur l'eau du bassin Rhône-Méditerranée-Corse pour la période 1971-2001 et données nouvelles (2001-2002). ................ 20

Illustration 11 : Relation Log(Q)-Log(MES) des nouvelles données de la période 2001-2002............................................................................................................................................. 21

Illustration 12 : Application de la correction de Ferguson aux données récentes de l’exutoire du bassin de l’Hérault. Facteur de correction de 1.658. .............................................. 23

Illustration 13 : Variabilité annuelle des flux de MES à l’exutoire du bassin de l'Hérault entre 1971 et 2004 (hors années incomplètes)........................................................................... 24

Illustration 14 : Hydrogramme à l'exutoire du bassin de l'Hérault, valeur du débit moyen annuel sur la période considérée (hors années incomplètes), valeur seuil du débit de crue (400 m3/s) ............................................................................................................................ 25

Illustration 15 : Flux annuel de MES exportées sur la période 1971-2004 comparées au flux exporté en crue (Q>400m3/s)................................................................................................ 26

Illustration 16 : Pourcentage de MES exportées en crue (Q > 400 m3/s) et nombre de jours où le débit est supérieur à 400 m3/s. .................................................................................. 27

Illustration 17 : Taux d'érosion mécanique (T/km²/an) dans quelques fleuves et rivières........... 28



1. Introduction

Les ruisseaux et rivières collectent les particules qui proviennent du lessivage atmosphérique, de l'érosion des sols par les eaux de ruissellement, de l'érosion des berges, mais aussi des apports anthropiques directs. Le transfert de l'ensemble de ces particules constitue le transport solide (Ouillon, 1998). Les impacts de l'activité humaine sont difficiles à quantifier, certains types d'activités ont pourtant un impact majeur : l'aménagement des cours d'eau (barrage, endiguement), le déboisement, le draguage des cours d'eau …

Les apports de sédiments à la Méditerranée, en plus des apports de nutriments et de matière organique, ont un impact direct sur le fonctionnement de l'écosystème marin. La contribution des fleuves de la côte nord méditerranéenne est plus que jamais importante à connaître et à quantifier depuis la construction du barrage d'Assouan sur le Nil, fleuve qui était le principal pourvoyeur de matières solides à la mer.

La quantification des exportations solides d’une rivière est un exercice délicat, en particulier en domaine méditerranéen où les phénomènes de crue-éclair (crue violente et de courte durée) rendent les prélèvements difficiles.

Le but du présent rapport est d’essayer d’établir un bilan des exportations de matières en suspension (MES) du bassin versant de l’Hérault vers la Méditerranée. Pour cela, les différentes données existantes ont été collectées, en particulier les données du réseau des données sur l'eau du bassin Rhône-Méditerranée-Corse. De nouvelles données ont aussi été acquises dans le cadre du projet ORME (Observatoire de Recherche Méditerranéen sur l'Environnement, Zone Atelier du CNRS) et du programme de recherche BRGM – PDR05EAU04 (CRUES). Les couples concentration en MES et Débit ainsi obtenus sont utilisés pour définir une relation générale entre ces deux paramètres. Cette relation peut ensuite être extrapolée pour établir un bilan moyen des exportation de MES et en déduire un taux d’érosion mécanique à l’échelle du bassin.



2. Zone d’étude : le bassin versant de l’Hérault

2.1. LOCALISATION

Le bassin versant de l’Hérault, d’une superficie de 2 500 km2 et d’une altitude moyenne de 400 m, se situe à une cinquantaine de kilomètres à l’ouest de Montpellier (synthèse globale dans Petelet, 1998). Il prend sa source sur le flanc sud du Mont Aigoual, à 1288 m d’altitude, et se jette dans la mer Méditerranée après un parcours de 151 km au cours duquel, le fleuve traverse trois domaines géologiques bien distincts :

− le domaine de socle au nord, d'une superficie de 300 km2 ; − le domaine karstique au centre, d'une superficie de 700 km2 ; − le domaine alluvial dans la basse vallée d'une superficie de 1 500 km2.

La pente du fleuve est forte dans la haute vallée (de 5 à 2 %), puis diminue dans la plaine alluviale (0.08 %) pour atteindre sa valeur la plus faible à l’embouchure (0.02 %), (Illustration 1).

Illustration 1 : Profil en long du fleuve Hérault (d’après Rougé, 1959)

Les principaux affluents du fleuve sont, de l'amont vers l'aval :

• En rive droite : L’Arre bassin versant 181 km² La Vis " 316 km² La Buège " 53 km² La Lergue " 518 km²

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0255075100125150Distance en km

altitude en m

Terrains mésozoïques

(Karst)

Terrains paléo-

zoïques

Plaine alluviale

l'Arre

la Vis

la Buège

le Lamalou

la Lergue

la Dourbie

la Boynela P

eyne

la Thongue

Mont AigoualMer Méditerranée



La Dourbie " 43 km² La Boyne " 89 km² La Peyne " 122 km² La Thongue " 156 km²

• En rive gauche : Le Rieutord " 58 km² Le Lamalou " 121 km²

2.2. CONTEXTE GEOLOGIQUE SOMMAIRE

L’amont du bassin est constitué du batholite de St-Guiral (330 Ma) qui se présente essentiellement sous forme d’un granite porphyroïde à gros cristaux de feldspath potassique. Il mesure 35 x 10 km et est allongé Est-Ouest. Ce batholite est entouré des séries schisto-gréseuses su Cambrien (

llustration 2), (Petelet, 1998).

La partie centrale du bassin est constituée des séries sédimentaires d’âge secondaire et tertiaire. Elles sont essentiellement composées de calcaires et calcaires dolomitiques avec des passées argilo-marneuses. Ces séries sont fortement karstifiées.

La partie aval du bassin est composée de terrains essentiellement quaternaires, composés d’alluvions plus ou moins récents étagés en terrasses de part et d’autre du fleuve.

On notera la présence du bassin permien de Lodève constitué de près de 3 000 m de sédiments laguno-détritiques très fins : pelites (grises à rouges), grès et argiles, situé en rive droite de l’Hérault et drainé par la Lergue.

2.3. LE FLEUVE HERAULT

L’Hérault est soumis à de fortes variations de débit entre les périodes de hautes et de basses eaux. En décembre, le débit moyen mensuel mesuré à Montagnac est de 104 m3/s, il n’est plus que de 9 m3/s au même endroit pour le mois d’août. Le débit moyen annuel du fleuve sur la période 1931-1973 est de 47 m3/s à l’exutoire.

Les stations de jaugeage du cours d'eau de l'Hérault sont gérées par la DIREN Languedoc-Roussillon. Dans la partie alluviale du fleuve, les stations actuellement utilisées sont celles de Gignac, Aspiran et Agde (Bassin-rond).

Les débits et hauteurs d'eau du fleuve ont été influencés au cours du temps par les diverses modifications anthropiques entreprises sur le cours d'eau, à savoir les aménagements agricoles et hydroélectriques du bassin supérieur de l'Hérault, et les divers seuils érigés tout au long de son trajet.



llustration 2 : Carte géologique simplifiée du bassin versant de l’Hérault (extrait de la carte géologique de la France au 1/1000000, edition BRGM).



La vallée de l’Hérault est soumise à un climat de type méditerranéen, caractérisé par des irrégularités dans son régime pluviométrique, avec notamment une période de sécheresse en été et une prépondérance des pluies d’automne et de printemps. Souvent, les précipitations présentent un caractère catastrophique avec d’importantes quantités d’eau tombées en des temps très courts. On note cependant de grands contrastes du Nord au Sud en raison des différences d’altitude du bassin versant. Ces dernières n’étant pas significatives dans le domaine alluvial, elles n’ont pas d’effet notable sur la pluviométrie de la basse plaine mais le comportement hydrologique du fleuve dans sa partie alluviale est logiquement influencé par les fortes variations pluviométriques constatées en amont du bassin versant.



Station de pompage AEP

Station de mesure du Débit

(DIREN)

Site de prélèvementSeuil de Bladier

3. Les données utilisées

3.1. LES DONNEES EXISTANTES

Les données de mesure de la quantité de matières en suspension (MES) sont issues de la base de données du Réseau des données sur l'eau du bassin Rhône-Méditerranée-Corse. Nous avons utilisé les données de la station la plus proche de l’exutoire qui contenait le plus de données historiques disponibles. Il s’agit de la station de Florensac (Illustration 3).

Illustration 3 : Localisation du seuil de Bladier par rapport à la station de pompage de Filliols-Pouilles et de la station débimétrique de l’Hérault à Florensac.

La base données est téléchargeable sur le site du Réseau de bassin RMC (http://rdb.eaurmc.fr/eaux-superficielles/index.php) dans la section qualité des cours d’eau, il s’agit des données brutes à la station de Florensac (code station : 184000).

Cette base de données contient, entre autres, toutes les mesures de MES réalisées entre 1971 et 2001, auxquelles sont associés les débits correspondants. Un nombre de 249 couples MES-débit est ainsi disponible. Le plus fort débit qui ait été prélevé est de 548 m3/s.



3.2. LES DONNEES ACQUISES AU COURS DU PROJET

Les données de MES ont été acquises manuellement à un pas de 2 échantillons par mois sur un cycle hydrologique (2001-2002) ainsi que de manière automatique lors des crues. Ainsi, 65 nouvelles données ont été acquises.

3.2.1. Choix du site d'échantillonnage et installation du matériel

Le site de prélèvement retenu devait satisfaire à plusieurs critères : • Accès aisé y compris en période de crue, • Situé à proximité d'une station de mesure du débit de manière à pouvoir

quantifier de façon précise les flux de matières transportées, • Situé le plus proche possible de l'exutoire du bassin dans la Méditerranée

de manière à collecter toutes les exportations, sans pour autant être sous l'influence d'intrusion d'eau salée dans le fleuve lors des fortes tempêtes de secteur sud en particulier,

• Possibilité d'une installation "sécurisée" du matériel de prélèvement automatique, à la fois pour limiter le vandalisme et pour préserver le matériel lors des très forts épisodes de crue.

Le site retenu se situe sur la commune de Florensac, en aval de la station de pompage AEP de Filliols-Pouilles (Illustration 3 et Illustration 4).

Illustration 4 : Site de prélèvement sur l'Hérault : seuil de Bladier

Le seuil de Bladier est un seuil mobile qui est ajustable pour maintenir un niveau d'eau suffisant dans l'Hérault au droit de la station de pompage AEP durant les mois d'étiage,



ce site étant soumis à d'importants pompages : 1 500 m3/h en moyenne annuelle, atteignant 3 500 m3/h en pointe.

Ainsi, le seuil est remonté de l'ordre de 70 cm en juillet et août. Nous verrons par la suite que la mobilité de ce seuil n'a pas d'incidence sur les prélèvements effectués au cours de cette étude.

Sur ce site, la présence d’un pont permet le prélèvement au milieu du cours d’eau (Illustration 4). Il existe aussi un abri fermé permettant une installation sécurisée du matériel de prélèvement automatique (Illustration 6), cet abri est d’autre part hors d’eau en cas de forte crue. Le dispositif a été installé avec l’aimable autorisation de M. Aragon de la Société de Distributions d'Eaux Intercommunales basée à Marseillan.

Ce dispositif de prélèvement automatique a pour but de suivre les épisodes de crue qui, par définition en contexte méditerranéen, sont très violentes et rapides.

Il fallait donc s’assurer d’une mise en œuvre du matériel suivant les contraintes techniques suivantes :

• Déclenchement automatique du préleveur en début de crue, • Prélèvement autonome durant l’épisode de crue, • Préservation des équipements et des échantillons collectés durant tout

l’épisode de crue.

La principale contrainte technique est liée à la conception même des systèmes de prélèvement automatique. Il est en effet impossible de prélever de l’eau à une distance de plus de 7 m du préleveur (distance + dénivelée) pour des raisons de perte de charge, et ce quelque soit le type de matériel retenu.

La configuration du site retenu, mais surtout le caractère particulièrement violent des crues qui peuvent s’y produire, rendait impossible la mise en place de ce seul matériel sous peine de le voir emporté par la première crue.

Illustration 5 : Dispositif de prélèvement automatique à Bladier



Illustration 6 : Local technique en bordure du fleuve où sont installés le préleveur et le programmateur.

La solution retenue a donc consisté à installer une première pompe immergée qui amène l’eau jusqu’à un bac intermédiaire dans lequel vient ensuite puiser le préleveur automatique (Illustration 5).

Afin de permettre le suivi d’un épisode de crue dans sa totalité, nous avons retenu la solution d’un déclenchement automatique du préleveur à une hauteur d’eau déterminée avec ensuite des prélèvements à pas de temps préprogrammés.

Le déclenchement du préleveur est asservi au niveau d’eau de la rivière. Celui-ci a été déterminé, en fonction de l’hydrogramme des années précédentes, à 35 m3/s, soit une hauteur NGF de 4 m (Illustration 8).

Lorsque le niveau de la rivière dépasse la cote de 4 m NGF, la sonde de niveau déclenche un programmateur « semainier » gérant la mise en marche de la pompe immergée qui assure le remplissage du bac intermédiaire ainsi que l’alimentation et le démarrage de l’échantillonneur automatique.

Le préleveur automatique de type SYGMA® 900P est équipé de 24 flacons de 1 litre en polyéthylène. Le préleveur a été programmé, suivant un mode temps à intervalle variable (Illustration 7), en fonction du déclenchement de la pompe immergée par la montée du niveau d’eau de la rivière. A chaque prélèvement, deux flacons de 1 litre sont échantillonnés de manière à disposer d’une quantité de matière en suspension suffisante pour une bonne quantification.



Prélèvement N°

Intervalle de prélèvement Commentaires

1 20 min T = 0 : 20min après déclenchement de la pompe immergée : purge circuit + remplissage bac intermédiaire.

2 360 + 20 min T + 6 heures 3 360 + 20 min T + 12 heures 4 360 + 20 min T + 18 heures 5 360 + 20 min T + 24 heures 6 360 + 20 min T + 30 heures 7 720 + 20 min T + 42 heures 8 600 + 20 min T + 52 heures 9 1200 + 20 min T + 3 jours

10 1440 + 20 min T + 4 jours 11 2880 + 20 min T + 6 jours

Illustration 7 : Détail de la programmation du préleveur automatique

Illustration 8 : Hydrogramme de l’Hérault à la station de Florensac sur la période septembre 1998 à juin 2000 (Données DIREN-LRO). Représentation du débit seuil de déclenchement du préleveur automatique à 35 m3/s.

Aug-98Sep-98

Oct-98Nov-98

Dec-98Jan-99

Feb-99Mar-99

Apr-99May-99

Jun-99Jul-99

Aug-99Sep-99

Oct-99Nov-99

Dec-99Jan-00

Feb-00Mar-00

Apr-00May-00

Jun-00

Date

0

200

400

600

800

Déb

it (m

3 /s)

Débit de déclenchementdu préleveurQ = 35 m3/s

Hydrogramme de l'HéraultStation de Florensac

Sept-98 à Juin-00



3.2.2. Prélèvements manuels sur un cycle hydrologique

En parallèle à la mise en place du dispositif de prélèvement automatique, nous avons réalisé un suivi manuel des exportations particulaires à l’exutoire du bassin versant.

Les prélèvements ont été réalisés durant un cycle hydrologique entre avril 2001 et avril 2002 au pas de temps bimensuel, soit 24 échantillons collectés.

Le site de prélèvement est identique à celui utilisé pour l’échantillonnage automatique au seuil de Bladier.

Les prélèvements sont réalisés au milieu du fleuve, à environ 1 mètre de profondeur sous la surface. Avant l’installation du dispositif d’échantillonnage automatique, les prélèvements ont été réalisés à l’aide d’une pompe de surface thermique dont le tuyau a été lesté. Dans un second temps, l’échantillonnage a été fait avec la pompe immergée servant à alimenter le bac intermédiaire en amont du préleveur.

A chaque prélèvement, 1 litre d’eau a été filtré sur des filtres en acétate de cellulose prépesés. Le filtre prépesé est ensuite séché avant d’être à nouveau pesé, la quantité de matière en suspension par litre d’eau est ensuite obtenue par différence.

A chaque prélèvement est associé le débit instantané issu de la Banque nationale des données pour l'Hydrométrie et l'Hydrologie (MEDD).

Dans le but d’extrapoler les données ponctuelles mesurées, à l’ensemble de la période 1971-2002, nous avons utilisé les données de débits journaliers de la Banque Hydro.



4. Résultats et interprétations

4.1. DESCRIPTION DES DONNEES

Nous disposons au total de 245 données issues du Réseau de bassin RMC et de 65 nouvelles données.

D’une manière générale, la relation entre le débit du fleuve et la teneur en matières en suspension transportées (MES) présente une corrélation positive de pente variée suivant le régime hydrologique du fleuve, et suit une courbe d’hystérésis plus ou moins prononcée (Milliman and Meade, 1983; Meybeck, 1985; Olivry et al., 1988; Picouet et al., 2002). En contexte méditerranéen, la quantification du flux de MES transporté est rendue d’autant plus difficile que les phénomènes de crues sont rapides et violents, rendant peu aisés les prélèvements.

4.1.1. Les données anciennes

Illustration 9 : Données issues du réseau des données sur l'eau du bassin Rhône-Méditerranée-Corse pour la période 1971-2001.

0 1 2 3log [Discharge (m3/s)]

-1

0

1

2

3

4

log

[SPM

(mg/

l)]

100 m3/s



Les données issues du réseau des données sur l'eau du bassin Rhône-Méditerranée-Corse (Illustration 9) sont au nombre de 245. Seules 10 d’entre elles correspondent à un débit supérieur à 100 m3/s (soit environ 2 fois le débit moyen annuel). De plus, il n’y a pas de relation claire entre le débit et la concentration en MES : R²=0.14 pour une relation polynomiale d’ordre 2.

L’acquisition de nouvelles données, en particulier en crue, prend tout son sens afin de pouvoir réaliser un bilan.

4.1.2. Les nouvelles données

Illustration 10 : Données issues du Réseau des données sur l'eau du bassin Rhône-Méditerranée-Corse pour la période 1971-2001 et données nouvelles (2001-2002).

Durant cette étude, 65 nouvelles données ont été acquises dont 31 correspondant à un débit supérieur à 100 m3/s et 2 à un débit de plus de 1 000 m3/s. L’ajout de ces nouvelles données de fort débit conduit à améliorer la corrélation R²=0.52 pour une régression polynomiale d’ordre 2 (Illustration 10).

On note aussi qu’entre 5 et 30 m3/s, le taux de MES issu des nouvelles données est inférieur aux données antérieures. Une des explications possibles pourrait être des

y = 0.4632x2 - 0.8686x + 1.1833R2 = 0.52

Débit moyenannuel

0 1 2 3log [Discharge (m3/s)]

-1

0

1

2

3

4

log

[SPM

(mg/

l)]

Données Reseau RMCDonnées nouvelles



modifications de l’aménagement de la rivière, cependant le principal ouvrage réalisé depuis 1971 est le barrage des Olivettes en amont de la rivière Peyne qui ne concentre les eaux que de 29.5 km² par rapport aux 2 550 km² du bassin de l’Hérault.

Une première approche simpliste d’estimation des flux transportés peut être faite à partir du débit moyen annuel de la rivière (46 m3/s) et de la relation polynomiale d’ordre 2 décrivant les données. Cette estimation conduit à un flux solide de 15 200 T/an soit un taux d’érosion mécanique de 6.1 T/km²/an. Cette valeur est relativement faible par rapport aux valeurs de la littérature, où les taux inférieurs à 10 T/km²/an sont rares (Milliman et Meade, 1983 ; Berner et Berner, 1987 ; Ludwig et Probst, 1998 ; Picouet et al., 2002).

Le modèle décrivant le mieux la distribution de l‘ensemble des données est une régression polynomiale d’ordre 2, cependant le coefficient de corrélation n’est pas très satisfaisant (R² = 0.52), en particulier à cause de la forte dispersion des données pour les faibles valeurs de débit. A des fins de comparaison, le même exercice a été fait sur les seules données récentes (Illustration 11).

Illustration 11 : Relation Log(Q)-Log(MES) des nouvelles données de la période 2001-2002.

Les données peuvent être décrites par une régression polynomiale d’ordre 2 ou une régression linéaire, ces deux modèles donnant le même coefficient de corrélation (R² =

1 2 3log [Discharge (m3/s)]

-1

0

1

2

3

log

[SPM

(mg/

l)]

Y = 1.1960 * X - 0.9112R² = 0.79

Y = 0.0505 X2 +1.0096 X - 0.7635R2 = 0.79

Débit moyenannuel



0.79) bien meilleur que celui calculé pour l’ensemble des données de la période 1971-2002.

Dans ces conditions, le même calcul simpliste à partir du débit moyen annuel conduit à un taux d’érosion mécanique moyen est de 7 T/km²/an.

Il est reconnu que les crues jouent un rôle majeur pour l’exportation des MES (Serrat et al., 2001), la plupart des teneurs en MES mesurées en période de crue ayant été acquises lors de cette étude, et ces données présentant un coefficient de corrélation bien meilleur que celui correspondant à l’ensemble des données, les calculs suivants seront réalisés sur la base de ces seules nouvelles données. Nous retiendrons la régression de type linéaire, relation la plus simple décrivant bien les données :

log(MES) = 1.1960 log(Q) – 0.9112 (R²=0.79)

avec MES en mg/l et Q en m3/s.

4.2. CORRECTION DES DONNEES PAR LA METHODE DE FERGUSON

4.2.1. Principe

Le calcul de taux de dénudation mécanique (ou chimique) se fait la plupart du temps en estimant la charge transportée par la rivière à partir de données continues de débit et de données intermittentes de concentration en MES (ou solutés) (Ferguson, 1986). Le relation entre le débit et la teneur en MES est de type :

log(cMES) = a log(Q) + b; log(cMES) = a log(Q)2 + b log(Q) + c; … (log base 10)

avec cMES : concentration en MES (mg/l) Q : débit (m3/s)

Pour retrouver la concentration associée à un débit, la relation devient :

cMES = 10aQb

C'est lors de cette transformation mathématique que le biais statistique apparaît. En effet, la concentration en MES (cMES) prédite par la relation ci-dessus correspond à la moyenne géométrique et non arithmétique. La moyenne géométrique est nécessairement inférieure à la moyenne arithmétique ce qui conduit à une sous-estimation des flux de MES. Le biais augmente de plus en plus en fonction du degré de dispersion des points autour de la régression.

Ce biais peut être corrigé en déterminant tout d'abord la déviation standard résiduelle

(s2) : ( ) ( )[ ]∑

= −−

=n

i

mii

ncMEScMES

s1

22

2loglog



Avec cMESi = mesure de la concentration MES cMESmi = concentration MES modélisée

Le facteur de correction cf s'écrit : cf = exp(2.651 × s2)

Le flux est ensuite corrigé selon : FMESc = FMES × cf

4.2.2. Application à l'exutoire du bassin de l'Hérault

Nous avons montré dans le § 4.1.2 que seules les données nouvellement acquises couvrent la gamme des forts débits de crue et que la régression linéaire (ou polynomiale d'ordre 2) au sein de ces seules données conduit à un R² bien meilleur qu'en y associant les données anciennes. Les calculs suivants sont donc réalisés en prenant en compte le modèle linéaire suivant (Illustration 11) :

log(MES) = 1.1960 log(Q) – 0.9112 (R²=0.79), avec MES en mg/l et Q en m3/s

Ainsi, la déviation standard résiduelle s2 = 1.91, le facteur de correction Cf = 1.658. L’application de la correction de Ferguson sur la série de données est montrée dans l’Illustration 12.

Illustration 12 : Application de la correction de Ferguson aux données récentes de l’exutoire du bassin de l’Hérault. Facteur de correction de 1.658.

y = 1.196x - 0.9112R2 = 0.79

Correction de Ferguson, cf = 1.658y = 1.196x - 0.6916

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5Log (Q)

Log

(MES

)



4.3. FLUX DE « MES » EXPORTEES A L’EXUTOIRE DU BASSIN DE L’HERAULT

4.3.1. Calcul des exportations de MES

Si l'on considère qu'un même événement produit les mêmes effets, toute chose égale par ailleurs, et dans le but d’extrapoler nos observations, on peut appliquer le modèle MES = fct (Q) corrigé par la méthode de Ferguson (logMES = 1.196 logQ – 0.6916) à une période hydrologique plus longue que celle qui a servi à acquérir ces données de MES (2 ans).

Ce modèle est appliqué à la période 1971-2004 sur la base des débits journaliers à l'exutoire du bassin de l'Hérault. Sur cette période, certaines données de débit sont manquantes sur des périodes plus ou moins longues de l’année (1977-1978-1986-1993-1995 et 1996). Dans le but de ne pas fausser les bilans annuels d’exportation, ces années ont été retirées du calcul.

Le modèle MES = fct (Q) corrigé par la méthode de Ferguson a été appliqué au débit journalier de chaque jour de la période considérée. Le tableau ci-dessous (Illustration 13) récapitule les flux annuels de MES en tonnes.

Illustration 13 : Variabilité annuelle des flux de MES à l’exutoire du bassin de l'Hérault entre

1971 et 2004 (hors années incomplètes).

Sur la période 1971-2004 (hors années manquantes), le débit moyen annuel est de 40.8 m3/s, il varie de 15.5 m3/s en 1998 à 92.1 m3/s en 1972.

1971 1972 1973 1974 1975 1976 1979 1980MES (tonnes) 197 901 591 211 153 827 120 063 43 056 320 920 389 764 53 513 T/km² 77.61 231.85 60.32 47.08 16.88 125.85 152.85 20.99Qm (m3/s) 55.0 92.1 34.3 49.4 26.5 68.9 61.5 29.1NbJ > 400m3/s 6 19 5 1 0 9 9 0Flux crue (T) 90 480 403 697 88 634 10 505 - 178 257 296 583 -MES: %crue/total année 46% 68% 58% 9% - 56% 76% -

1981 1982 1983 1984 1985 1987 1988 1989MES (tonnes) 39 496 212 031 39 829 228 367 9 112 280 420 146 031 112 915 T/km² 15.49 83.15 15.62 89.56 3.57 109.97 57.27 44.28Qm (m3/s) 23.8 41.2 24.8 45.1 16.6 57.1 43.0 21.0NbJ > 400m3/s 1 3 0 6 0 8 3 3Flux crue (T) 12 489 148 732 - 148 013 - 180 156 59 325 94 275 MES: %crue/total année 32% 70% - 65% - 64% 41% 83%

1990 1991 1992 1994 1997 1998 1999 2000MES (tonnes) 61 197 49 609 60 557 424 013 444 890 9 005 136 062 23 413 T/km² 24.00 19.45 23.75 166.28 174.47 3.53 53.36 9.18Qm (m3/s) 19.3 23.4 29.2 63.2 54.0 15.5 32.4 20.0NbJ > 400m3/s 2 1 2 8 10 0 4 0Flux crue (T) 41 491 11 220 21 151 347 682 358 892 - 82 529 -MES: %crue/total année 68% 23% 35% 82% 81% - 61% -

2001 2002 2003 2004MES (tonnes) 34 411 182 564 359 243 84 679 T/km² 13.49 71.59 140.88 33.21Qm (m3/s) 21.2 27.7 42.0 30.9NbJ > 400m3/s 1 4 9 3Flux crue (T) 14 403 153 432 326 602 55 194 MES: %crue/total année 42% 84% 91% 65%



Sur cette même période, le flux minimal de MES est de 9 000 T pour l’année 1998 pour un débit moyen annuel de 15.5 m3/s alors que le flux maximal de MES correspond à l’année 1972 avec 591 000 T pour un débit moyen annuel de 92.1 m3/s; soit un rapport de 1 à 65 pour le flux de MES, pour un rapport de 1 à presque 6 pour le débit moyen annuel.

Le flux moyen annuel d'exportation de MES sur la période 1971-2004 (hors années incomplètes) est de 171 718 T/an, ce qui, rapporté à la surface du bassin versant de l'Hérault correspond à un flux spécifique de 67.3 T/km²/an.

Cette valeur de flux spécifique est d'un ordre de grandeur supérieure à celle estimée précédemment en se basant sur le débit moyen annuel de 47 m3/s (période 1952-1995) (Petelet-Giraud et al., 2003). Cette estimation basée sur le débit moyen annuel ne donne pas un poids suffisant aux épisodes de crues. En effet, ces crues méditerranéennes (très violentes mais de courte durée) ne sont que peu traduites dans le débit moyen annuel.

Le paragraphe suivant met en exergue le rôle prépondérant des crues dans les bilans d'exportation des matières en suspension à l'exutoire du bassin versant de l'Hérault.

4.3.2. Mise en évidence de l’influence des crues dans l’exportation des « MES »

Pour définir la quantité de matières en suspension exportée lors des épisodes de crue, le seuil de 400 m3/s a été retenu, ce débit correspond à 10 fois le débit moyen annuel de la période considérée (Serrat et al., 2001), Illustration 14.

Illustration 14 : Hydrogramme à l'exutoire du bassin de l'Hérault, valeur du débit moyen annuel sur la période considérée (hors années incomplètes), valeur seuil du débit de crue (400 m3/s)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1971 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Déb

it (m

3 /s)

Qmoy = 40



L’Illustration 13, récapitule le nombre de jours de l’année où le débit est supérieur à 400 m3/s, celui-ci est compris entre 0 (pas de crue avec un Q > 400 m3/s) et 19 en 1972. Le nombre total de jour de crue sur la période considérée (hors années incomplètes) est de 117, soit environ 1.1% du temps.

Les flux de MES transportées durant les périodes de crue (Q > 400 m3/s) ont été calculés (Illustration 13) et sont reportés sur l'Illustration 15 où ils sont comparés au flux total de l'année considérée.

Illustration 15 : Flux annuels de MES exportées sur la période 1971-2004 comparés au flux exportés en crue (Q>400m3/s)

Sur ce graphique, on notera que la plupart des exportations se font durant les épisodes de crue (Q > 400 m3/s). Ainsi, en moyenne, les quantités de MES exportées pendant les crues représentent 65 % du total exporté lors de la période considérée. Ceci peut se traduire en disant que 65 % de la quantité totale de MES exportée l'a été en environ 1.1% de temps.

Durant les années de faible hydraulicité, la quantité de MES exportée est relativement faible et répartie de façon quasi homogène tout au long de l’année. Lors des années de forte hydraulicité, la quantité de MES exportées devient considérable et augmente fortement avec la violence et l’intensité des crues. Ainsi, en 1989, en 3 jours ce sont 83 % des MES totales de l’année qui sont exportées ; en 2004, 84 % en 4 jours (Illustration 16).

-

100 000

200 000

300 000

400 000

500 000

600 000

1971

1973

1975

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

2001

2003

Flux

de

MES

(T/a

n)

Flux annuelFlux en crue (Q>400m3/s)



Illustration 16 : Pourcentage de MES exportées en crue (Q>400m3/s) et nombre de jours où le

débit est supérieur à 400 m3/s.

L’une des particularités du climat méditerranéen est de produire des crues-éclairs (crues violentes et de courte durée) durant lesquelles la plus grande partie des exportations sédimentaires se produisent, 65 % des MES exportées en 1.1% du temps dans le cas de l’Hérault.

4.4. COMPARAISON DE L’HERAULT AVEC D’AUTRES FLEUVES

L'estimation des flux exportés de MES à l'exutoire du bassin versant de l'Hérault est de 171 718 T/an, ce qui rapporté à la surface du bassin correspond à un flux spécifique de 67.3 T/km²/an.

Cette valeur est proche de la valeur moyenne en Europe (Illustration 17, Milliman et Meade, 1983). Par comparaison aux grands fleuves français, l'Hérault présente un flux spécifique du même ordre de grandeur que celui du Rhône et de la Garonne au niveau de leur embouchure. Par comparaison à d'autres fleuves côtiers méditerranéens, l'Hérault présente un flux spécifique comparable à celui de l'Agly (103 T/km²/an, Serrat, 1999, 2000) et de la Têt (40 T/km²/an, Serrat et al., 2001).

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1971

1973

1975

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

2001

2003

% M

ES e

xpor

té e

n cr

ue (Q

>400

m3/

s)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Nb

de jo

urs

avec

Q>4

00m

3/s



Bassin considéré Flux spécifique de MES (T/km²/an) Référence

Moyenne mondiale 150 Berner et Berner, 1987 Moyenne européenne 50 Milliman et Meade, 1983

Amazone 152 Probst et Sigha, 1989 Congo 8 Gaillardet et al., 1995 Niger 4 - 8 Picouet et al., 2002 Rhône (Beaucaire) 295 Ritter, 1973 (embouchure) 50 Rochefort, 1969; Probst et Sigha, 1989 Seine 17 Fournier, 1960; Migniot, 1977 Durance 364 Alary, 1998 Loire 9 - 23 Négrel et Grobois, 1999 Agly 103 Serrat, 1999 Garonne (supérieure) 147 Probst et Bazerbachi, 1986 (inférieure) 37 Maneux, 1998 Vène (sud France) 7.3 Ben Othman et al., 1997 Têt 40 Serrat et al., 2001

Illustration 17: Taux d'érosion mécanique (T/km²/an) dans quelques fleuves et rivières



5. Conclusion

Après le Rhône, l'Hérault est le second fleuve côtier français en terme d'apport liquide à la Méditerranée, l'estimation des quantités de matières en suspension exportées par ce fleuve est donc importante en terme de bilan des exportations globales à la Méditerranée.

Avec un flux moyen de 171 718 T/an de MES exportées (soit un flux spécifique de 67.3 T/km²/an), l'Hérault se situe dans la moyenne européenne et présente des ordres de grandeur tout à fait comparables aux autres fleuves méditerranéens français.

Le fleuve Hérault, à l'image des autres fleuves soumis à un climat de type méditerranéen, est caractérisé par des crues-éclairs (violentes et de courte durée). Cette caractéristique impacte fortement les exportations de MES, ainsi, les flux de MES présentent une variabilité saisonnière et annuelle très importante. En effet, l'essentiel des MES sont exportées au cours des crues violentes de courte durée. Ainsi, sur l'Hérault au cours de la période 1971-2004, 65 % des MES exportées l'ont été en 1.1 % du temps, avec des années extrêmes comme 1989, où en 3 jours ce sont 83 % des MES totales de l’année qui ont été exportées.

Dans cette étude, nous avons rappelé l'importance de concentrer les mesures de MES en période de crue, en particulier pendant les évènements extrêmes où se fait l'essentiel des transports solides. Nous avons ainsi vu que les estimations antérieures étaient d'un ordre de grandeur inférieur à celle de cette étude, pour les raisons suivantes : (1) trop peu de quantification de MES lors des très forts débits, (2) utilisation du débit moyen annuel comme référence qui sous-représente fortement les épisodes de crue-éclair, et (3) la non correction des données par la méthode de Ferguson.



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