Hydrologie et dynamique hydroécologique des cours d'eau

La dynamique écologique des cours d'eau est fortement liée à leur régime hydrologique qui en façonne la structure morphologique à l'occasion de crues caractéristiques mais qui en rythme également l'habitat physique quotidien. L'hydrologie joue aussi un rôle majeur dans la modulation saisonnière des caractéristiques thermiques et chimiques, autres paramètres abiotiques fondamentaux.Deux exemples concrets pris dans un cours d'eau alpin, la Séveraisse, démontrent l'intérêt d'une étroite connexion entre l'hydrologie et l'hydroécologie.La quantification de l'habitat des poissons repose sur la méthode des microhabitats dont les principes ont été définis par l'US Fish and Wildlife Service (Instream Flow Incremental Melhodology, USA, Fort Collins, Colorado). Cette méthodologie combine une description détaillée de stations représentatives du cours d'eau par mesure puis modélisation hydraulique des paramètres de l'habitat tels que la hauteur d'eau, la vitesse du courant et le substrat avec des modèles de préférence de localisation des poissons à différents stades vitaux. Des valeurs d'habitat potentiel par stade vital pour les différentes espèces étudiées (ici la truite Fano, Salmo frutta fario) sont calculées pour différents débits.Des chroniques hydrologiques de qualité sont par conséquent nécessaires pour analyser la dynamique de l'habitat et en reconstituer l'historique.Les faibles débits lors des étiages estivaux correspondent souvent à un habitat limitant pour l'adulte de truite.D'autres épisodes hydrauliques critiques peuvent aussi exister. Ce fut le cas d'une crue sévère de 7D m3/s sur la Séveraisse dont l'effet biologique a pu être évalué : iode diminution de la densité et de la biomasse de truite, structure de taille désorganisée.Ces deux exemples soulignent l'importance des données hydrologiques en hydroécologie. Les évènements exceptionnels, les épisodes structurants, les étiages, le rythme saisonnier des débits définissent la variabilité spatiale et temporelle de l'environnement aquatique, qu'il faut ensuite relier à la dynamique biologique des hydrosystèmes.Hydrobiology studies deal more often with pollution problems in running waters than with those concerning stream regulation or deterioration of physical integrity of streams and rivers.It is more and more obvious that running water ecology is strongly related to hydrological characteristics which structure aquatic habitats.This latter challenge requieres a better understanding of the relationships between physical and biological parameters in particular in natural sites.We have summarized basic knowledge on the role of hydrological characteristics in aquatic systems :- Hydrology structures the morphology of the river bed and banks : bankfull discharge is often considered as responsible for hydraulic geometry of river channels in association with sediment load. The channel forming flows correspond to the flood discharges of frequency 1.5 to 2.0 years in most stream types.- Hydrology punctuates the dynamic of habitat available for aquatic biota. Physical habitat is discribed as a combination of spatial attributes : depth, current velocity, which are directly dependent on instantaneous discharge, and substrate and cover, resulting from the morphology discribed above. For example fish need different habitat for each physiological function to achieve a whole life cycle : reproduction and incubation of embryos, nutrition, test, and hiding. For the biologists, it is essential to develop knowledge on the autoecological requirements of species, in particular fishes in original ecological conditions.- Hydrology influences the thermal regime determining the oxygen concentration and several associated physico-chemical processes. Severe abiotic conditions could exist in periods of prolonged low flows.In a second part, we demonstrate the interest of a close collaboration between hydrological and hydroecological sciences with two concrete examples in an alpine stream, Severaisse (Hautes-Alpes).We use a quantitative methodology derived from the Instream Flow Incremental Methodoly (IFIM) of the Fish and Wildife Service (USA, Fort-Collins).One of the hypothesis of this methodology is that physical habitat plays a major rate in structuring fish populations, certain habitats acting as « bottlenecks ».In Severaisse, a representative study reach was chosen in a braided part of the stream, including each identified geomorphotogical unit.The physical characteristics are described on perpendicular transects (2 or 3 transects per unit). On representing homogeneous area, on each transect different measurements of depth, current velocity and substrate type are taken at irregular internals, with more points in heterogeneous portions. These points divide the represented area in cells. Topographic data complement the description and are necessary for hydraulic simulation at different discharges.The physical characteristics of the reaches are illustrated on maps, thus it is possible to follow the evolution of one parameter or a combination of them with changes in discharge (500 ls-1, 1 m3 s-1, 2 m3 s-1, 10 m3 s-1).Fish habitat requirements are obtained from preference curves for each physical parameter and life stage. The studied species is the brown trout (Salmo truffa Fario, L., 1759).The available habitat is then calculated cell by cell by converting physical data into suitability criteria. The resulting Wheighted Usable Area (WUA) for brown trout is then computed versus discharge.Adult WUA increases quickly between 0.5 and 1.0 m3 s-1 and is quite linear up to 10 m3 s-1 and a rapid decrease up to 4 m3 s-1.In Severaisse the low discharge is in winter with a monthly average stream flow of 2 m3 s-1 (period 1959-1985). This value corresponds to the maximum WUA (120 m2) for adult and to a medium WUA (300 m2 for a maximum of 450 m2 at 0.5 m3 s-1) for alevins and juveniles. The lower values for adult are often encountered.The summer average discharges, when fish are more physiologically active and in a period of active growth, give also good WUA (10 m3 s-1, 100 m2 for adult). When the hydrological events are close to the mean average interannual pattern, brown trout population tends to an equilibrium with a number of adults defined by the minimum WUA. This type of population structure has been observed in September 1986.This first example shows the importance of hydrological data which can be translated into habitat values for fish in two ways : real date by chronics or statistical approach (variability between years).The second example consist in a biological assessment of trout population before and after a sever flood (70 m3 s-1) in the same stream. The number of fish was depleted and the site structure severely impacted with no more fish greather than 240 mm (total lenght) and a drastic loss in 1 + year class.The flood resulted also in a morphological modification with displacement of the channel. During the flood, it was not possible to measure current velocities but it could be assumed that they were to high for fish to maintain. Fish might have drifted downstream with no recolonisation after 9 months.These two examples have emphasized the importance of hydrology in aquatic ecology. Flood regime pattern can be translated in potential habitat values for fish or other biota.This new habitat methodology can also improve the quality of impact studies, in particular chose dealing with stream regulation.Therefore stream flow variability and predictability are essential to define temporal and spatial patterns of lotic environments

Spatio-temporal patterns of fish assemblages in a large regulated alluvial river

1. The River Durance, the last alpine tributary of the River Rhone, is a large, braided alluvial hydrosystem. Following large-scale regulation, flow downstream of the Serre-Poncon dam has been maintained at 1⁄40th of previous annual mean discharge. To assess the effects of historical disturbances, fish assemblages and habitat use were analysed during five summers in a representative reach of the middle Durance. 2. Habitat availability and use were assessed with a multi-scale approach including the variables water depth, current velocity, roughness height of substratum, amount of woody debris and lateral⁄longitudinal location. Eighteen fish species were sampled by electrofishing in 289 habitat sample units. 3. Partial least square (PLS) regression showed that taxa were mainly distributed according to relationships between their total length and water depth⁄velocity variables. Fish assemblage composition was also related to roughness height as well as distance from the bank or to the nearest large woody debris. However, PLS regression revealed no significant differences in habitat selection between two periods of varying hydromorphological stability. 4. Fish distribution patterns and density were related to proximity to the bank and cover, indicating that local scale variables need to be considered in conservation and restoration programmes

Typologie des faciès d'écoulement ou unités morphodynamiques des cours d'eau à haute énergie

La méthode des microhabitats développée au CEMAGREF de LYON permet actuellement d'obtenir une bonne Image de la capacité d'accueil d'un cours d'eau salmonlcole à Salmo truffa fario. Elle consiste à coupler sur une station d'étude représentative d'une partie du linéaire de celui ci, d'une part un modèle biologique traduisant les relations entre la présence et la densité relative d'un stade donné d'une espèce de poisson (ici la truite) et les valeurs des trois variables physiques caractéristiques de son habitat (la profondeur, la vitesse du courant et la granulométrie du lit). d'autre part un modèle hydraulique permettant à partir d'une campagne de mesure, de reconstituer pour différents débits, les valeurs des variables hydrodynamiques retenues. Pour sectoriser un cours d'eau, le typer et choisir les stations qui permettront d'en donner une image fiable à un moindre coût, il est nécessaire de bien connaître les différents types de faciès d'écoulement que l'on peut y rencontrer. L'identification de ces unités se fera sur le terrain au moyen de critères simples tels que la hauteur d'eau, la vitesse, la granulométrie. la forme des profils en travers et en long, la localisation et le tracé en plan. Elle sera si possible réalisée en période d'étiage moyen de façon à observer des conditions d'écoulement variées ce qui n'est plus le cas lorsque le débit augmente et "lisse" la surface libre

Sédiments et barrages hydroélectriques : Aléas, enjeux et risques associés

Dans le cadre des activités de production hydroélectrique d'EDF, l'évaluation des risques engendrés par les processus sédimentaires et leur gestion au niveau des ouvrages est réalisée à partir d'un classement par aléa décliné ensuite par enjeux. La gestion sédimentaire, à l'échelle des barrages mais plus largement à l'échelle des cours d'eau, fait appel à des connaissances scientifiques qui sont encore très largement du domaine de la recherche. C'est le cas notamment de la mesure et de la modélisation fine des processus de transit des sédiments dans les retenues et dans les rivières

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La méthode des microhabitats développée au CEMAGREF de LYON permet actuellement d'obtenir une bonne Image de la capacité d'accueil d'un cours d'eau salmonlcole à Salmo truffa fario. Elle consiste à coupler sur une station d'étude représentative d'une partie du linéaire de celui ci, d'une part un modèle biologique traduisant les relations entre la présence et la densité relative d'un stade donné d'une espèce de poisson (ici la truite) et les valeurs des trois variables physiques caractéristiques de son habitat (la profondeur, la vitesse du courant et la granulométrie du lit). d'autre part un modèle hydraulique permettant à partir d'une campagne de mesure, de reconstituer pour différents débits, les valeurs des variables hydrodynamiques retenues. Pour sectoriser un cours d'eau, le typer et choisir les stations qui permettront d'en donner une image fiable à un moindre coût, il est nécessaire de bien connaître les différents types de faciès d'écoulement que l'on peut y rencontrer. L'identification de ces unités se fera sur le terrain au moyen de critères simples tels que la hauteur d'eau, la vitesse, la granulométrie. la forme des profils en travers et en long, la localisation et le tracé en plan. Elle sera si possible réalisée en période d'étiage moyen de façon à observer des conditions d'écoulement variées ce qui n'est plus le cas lorsque le débit augmente et "lisse" la surface libre

Arasement et dérasement de seuils. Aide à la définition de Cahiers des charges pour les études de faisabilité. Compartiments hydromorphologie et hydroécologie

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]QUASAREUn projet d'arasement ou de dérasement de seuil doit s'accompagner, en fonction de sa situation et des enjeux concernés, d'une étude de faisabilité permettant de passer en revue les conséquences potentielles de cette opération et de vérifier si le projet est techniquement réalisable. Un certain nombre d'éléments doivent être pris en compte qui permettront de déterminer les avantages et les inconvénients du projet considéré, que ce soit au niveau du fonctionnement hydromorphologique et écologique du cours d'eau, mais également du point de vue sociétal et des services rendus par les écosystèmes. Le présent rapport dresse un inventaire des éléments à prendre en compte préalablement à une opération d'arasement ou de dérasement

Sédiments et barrages hydroélectriques : Aléas, enjeux et risques associés

Dans le cadre des activités de production hydroélectrique d'EDF, l'évaluation des risques engendrés par les processus sédimentaires et leur gestion au niveau des ouvrages est réalisée à partir d'un classement par aléa décliné ensuite par enjeux. La gestion sédimentaire, à l'échelle des barrages mais plus largement à l'échelle des cours d'eau, fait appel à des connaissances scientifiques qui sont encore très largement du domaine de la recherche. C'est le cas notamment de la mesure et de la modélisation fine des processus de transit des sédiments dans les retenues et dans les rivières