Reconsidérer les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge de fond et la morphologie en rivière à lit de graviers : approches, échelles et analyses

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements.

Le processus de thermo-érosion du pergélisol dans la zone de pergélisol continu

Les polygones à coin de glace sont très répandus dans la zone du pergélisol continu. Lorsque le ruissellement d’eau de fonte nivale s’infiltre de façon concentrée dans une cavité, il peut initier le processus de thermo-érosion du pergélisol (notamment des coins de glace) pouvant mener à la formation de ravins. Dans la vallée de Qalikturvik sur l’Ile Bylot (NU, Canada), le développement de ravins de thermo-érosion dans un milieu de polygones à coins de glace entraîne comme impact : i. la réorganisation des réseaux de drainage impliquant un assèchement des milieux humides en marge des chenaux d’érosion, ii. des variations dans le régime thermique et de l’humidité de proche-surface et iii. la prise en charge et le déplacement des sédiments vers l’extérieur du bassin-versant. L’objectif de cette thèse vise à approfondir les connaissances géomorphologiques propres au ravinement par thermo-érosion, d’examiner, caractériser et quantifier les impacts du ravinement (tel que sus-mentionné en i. ii. iii.) et le rôle de celui-ci dans une optique d’évolution du paysage périglaciaire à l’échelle temporelle de l’année à la décennie. Les ravins sont dynamiques : un ravin en particulier déclenché en 1999 et étudié depuis s’érodait à une vitesse de 38 à 50 m/a durant sa première décennie d’existence, pour atteindre une longueur totale de ~750 m et une surface érodée de ~25 000 m² en 2009. Des puits sont localisés près des zones de ravinement actives ; des levées alluviale, mares et polygones effondrés dans les zones stabilisées post-perturbation. Sur la terrasse de polygones recouvrant le plancher de la vallée au site à l’étude, 35 ravins furent identifiés et 1401 polygones furent perturbés avec 200 000 m³ de sols transportés. Une amélioration du drainage, une dégradation de la capacité de rétention de l’humidité, une transition d’un écoulement de ruissellement vers un écoulement canalisé caractérise les aires ravinées et leurs environs. Les polygones intacts sont homogènes d’un à l’autre et dans leurs centres ; les polygones perturbés ont une réponse hétérogène (flore, humidité et régime thermique). Les milieux érodés hétérogènes succèdent aux milieux homogènes et deviennent le nouvel état d’équilibre pour plusieurs décennies.

Structure et évolution du pergélisol depuis le Pléistocène Tardif, Beaver Creek, Yukon

Le site routier expérimental de Beaver Creek (62º 20’ 20’’ N – 140º 50’ 10’’ O) est sis sur la moraine de Beaver Creek pré datant le Dernier Maximum Glaciaire. Dans un périmètre d’un kilomètre carré, son relief, sa végétation, son sol et sa cryostratigraphie ont été étudiés avec une perspective géosystémique, afin d’en détailler la catena et sa structure. Ensuite, la cryostratigraphie a été interprétée pour suggérer un modèle d’évolution du paysage. Enfin, les changements récents y ont été intégrés en vue d’actualiser la tendance évolutive du géosystème. Il ressort de cet ouvrage que la durabilité du pergélisol est fortement appuyée par la présence des milieux humides dans les replats. Quelques affleurements de la moraine sont toujours visibles, quoique faiblement exprimés. Ils contiennent peu de glace et leur teneur en matière organique est mince. Quant aux dépressions, elles sont peu profondes et étendues. Non seulement elles ont hérité des sédiments érodés des crêtes, mais elles ont aussi fixé une quantité importante de glace et de matière organique par le truchement d’un pergélisol syngénétique (>15 m) généré par le climat et protégé par l’écosystème. Au moins un évènement de thermo-érosion est survenu avant le dernier stade d’aggradation syngénétique (Holocène), mais il n’a été que partiel. L’actuel réchauffement climatique menace d’engager un autre épisode de dégradation à l’échelle du bassin versant. Contrairement au changement climatique, l’utilisation du territoire provoque déjà la dégradation du pergélisol, mais de manière localisée seulement.