Le mouvement des sédiments par les systèmes fluviaux est l'un des processus les plus fondamentaux qui façonnent la surface de la Terre. Au fil des temps géologiques, l'entraînement, le transport et le dépôt continus de particules solides caressent les vallées, construisent des plaines inondables et créent des formes terrestres complexes qui définissent les paysages.

Les fondamentaux du transport des sédiments

Le transport des sédiments dans les rivières se réfère au mouvement des matériaux granulaires – de l'argile et du limon au sable, au gravier et aux blocs – entraîné par l'eau courante. Le processus est régi par l'équilibre entre les forces exercées par l'écoulement et les forces de résistance des particules. Les particules commencent à se déplacer lorsque la contrainte de cisaillement exercée par l'eau dépasse un seuil critique, connu sous le nom de contrainte de cisaillement critique ou . Ce seuil dépend de la taille, de la forme, de la densité et de l'emballage des particules.

Les sédiments se déplacent en trois modes primaires, chacun caractérisé par des dimensions de particules distinctes et des mécanismes de transport:

  • Suspension: Les particules fines (généralement limon et argile) sont élevées dans la colonne d'eau et transportées par des tourbillons turbulents. Ces particules restent en altitude tant que les forces turbulentes en hausse dépassent leur vitesse de décantation.
  • Panneaux de seau (sable, gravier, galets) enroulement, glissement ou rebondissement le long du lit de la rivière. Le transport de la charge de lit se produit lorsque la contrainte de cisaillement du lit est suffisamment élevée pour déloger les particules mais pas suffisante pour les soulever à grande hauteur dans le flux. Ce mode est responsable de la formation du lit de canal et de la formation de barres.
  • Saltation: Les particules de taille intermédiaire (sable fin à moyen) se déplacent dans une série de courts houblons. Une particule est brièvement soulevée par des forces turbulentes, transportée à courte distance en aval, puis retombe au lit, où elle peut déloger d'autres particules. La salatation fait le pont entre la suspension et la charge de lit et est un mécanisme dominant dans de nombreux cours d'eau à lit de gravier.

La courbe Hjulström classique (ou diagramme Shields) illustre la relation entre la taille du grain et la vitesse critique de l'écoulement nécessaire pour l'érosion, le transport et le dépôt. Elle montre que les sédiments cohésifs (argiles) nécessitent des vitesses plus élevées pour s'éroder que les sables non cohésifs du fait de la liaison entre les particules, alors qu'une fois en transport, ils se déposent à des vitesses très faibles.

Quantification du transport des sédiments

Les ingénieurs et les scientifiques utilisent une gamme de formules empiriques pour prédire les taux de transport des sédiments.L'équation Meyer-Peter et Müller est largement appliquée pour le transport de la charge de lit dans les rivières à lit de gravier, tandis que l'équation Einstein-Brown gère une plus grande gamme de particules.

Facteurs clés régissant le transport des sédiments

Le transport des sédiments n'est pas un processus constant, il varie considérablement selon les conditions hydrauliques et géomorphiques. Plusieurs facteurs interdépendants déterminent le taux, la capacité et le mode de transport dans une certaine rivière.

Vitesse de débit et décharge

La vitesse est le moteur le plus direct du transport des sédiments. Au fur et à mesure que la puissance du courant (produit du rejet et de la pente) augmente, la capacité de transport des sédiments augmente fortement. Pendant les inondations, les rivières peuvent transporter des ordres de grandeur plus de sédiments que pendant le débit de base, remodelant les canaux en heures. La compétence d'une rivière fait référence à la plus grande taille de particules qu'elle peut déplacer, tandis que capacité[ fait référence au volume total de sédiments qu'elle peut transporter.

Taille et tri des particules

Les sédiments fins (argile et limon) sont facilement entraînés et restent en suspension sur de longues distances. Les sables et les graviers nécessitent des vitesses plus élevées mais aussi se déposent rapidement lorsque le flux s'écoule. La distribution granulométrique du matériau du lit détermine la disponibilité de différents modes de transport.

Géométrie des canaux et dureté

La forme du chenal fluvial, sa largeur, sa profondeur et sa sinuosité, affectent les modes d'écoulement. Un chenal étroit et profond concentre l'énergie de l'écoulement, augmentant la contrainte de cisaillement du lit et la capacité de transport. En revanche, un canal large et peu profond dissipe l'énergie par friction avec les rives. La rugosité du chenal, causée par les formes de lit, la végétation et le bois, crée des turbulences qui améliorent la suspension mais réduisent également la vitesse du lit proche.

Pente et dégradé

Les pentes de la steppe accélèrent le débit et augmentent la capacité de transport des sédiments. Les cours d'eau de montagne à gradient élevé peuvent mobiliser de grands blocs et découper des gorges profondes.

Végétation et stabilité des banques

Les racines renforcent les sols des berges, réduisent l'érosion et limitent l'approvisionnement en sédiments. Les tiges et les feuilles augmentent la rugosité des berges, ralentissent les vitesses de près des berges et favorisent les dépôts. Cependant, pendant les berges élevées, la végétation peut être déracinée, ajoutant des débris ligneux qui modifient la morphologie des canaux.

L'interaction de l'érosion et du dépôt

Les rivières sont constamment en état de réglage, érodant le matériel de certains endroits et le déposant dans d'autres. Cette boucle de rétroaction est le moteur de l'évolution du paysage.

Procédés érosifs

L'érosion des rives se produit par action hydraulique (pression directe de l'eau), par abrasion (basse de l'eau chargée de sédiments) et par érosion massive (glissement de sols saturés). L'érosion ou la dégradation du lit abaisse le fond du chenal, exposant souvent le substrat sous-jacent ou les matériaux grossiers. L'érosion vers le bas provoque une expansion des réseaux de chenal en amont au fil du temps.

Processus de dépôt

Lorsque la vitesse du flux diminue, en raison de la diminution de la pente, de l'élargissement du chenal ou d'une obstruction, la capacité de transport de la rivière diminue et les sédiments s'installent. Les barres de points[ se forment à l'intérieur des virages de méandre où la vitesse est la plus faible. ]Les barres de canaux moyens[ se développent dans des îles plus larges, plus peu profondes et peuvent évoluer.

Équilibre dynamique

Les rivières tendent vers un état d'équilibre dynamique, où l'érosion et les dépôts sont équilibrés au fil des années à des décennies. Les changements du niveau de base (niveau de la mer ou niveau du lac), du climat ou de l'utilisation des terres peuvent perturber cet équilibre, déclencher des ajustements.

Formes de la rivière Formes de la rivière

L'interaction entre l'érosion et les dépôts produit une suite remarquable de formes de terre qui caractérisent les paysages fluviaux. Ci-dessous sont les caractéristiques les plus importantes, chacune reflétant des processus spécifiques de transport des sédiments.

Lacs-Méniers et lacs-biche

Les méandres sont des virages sinueux qui se développent dans les rivières alluviales avec des pentes douces. L'érosion sur la rive extérieure (banque coupée) et le dépôt sur la rive intérieure (barre de point) font migrer latéralement au fil du temps. Ce processus peut créer des cicatrices de méandre sur la plaine inondable. Lorsqu'une boucle de méandre devient très sinueuse, la rivière peut couper à travers le cou étroit pendant une crue, abandonnant la boucle comme un lac de oxbow.

Deltas

Lorsqu'une rivière entre dans un plan d'eau permanent (lac, mer ou océan), sa vitesse chute brusquement et les sédiments se déposent dans une plaine subaérienne en forme de ventilateur delta.Les deltas sont construits à partir de trois éléments : le ]topset (plat, plaine subaérienne), le forset (dépôt de sédiments à l'embouchure de la rivière), et le bottomset (sédiments fins installés plus loin au large du large). Les deltas sont des milieux dynamiques, avec des canaux distributaires qui se déplacent au fil du temps.

Eventails alluviaux

Lorsqu'un ruisseau de montagne escarpé émerge sur un fond plat de vallée, son gradient chute fortement, provoquant un dépôt rapide de sédiments grossiers dans un ventilateur alluvial en forme de cône . Les ventilateurs sont communs dans les régions arides et semi-arides, où les inondations éclairs transportent d'énormes volumes de débris. La surface du ventilateur est souvent disséquée par des canaux en mouvement.

Terrasses fluviales

Les terrasses sont des reliefs qui ressemblent à des pas et qui longent de nombreuses vallées. Elles représentent d'anciennes surfaces de plaine inondable abandonnées à mesure que le fleuve incise son chenal, souvent en raison de l'automne de base ou de changements climatiques.

Bars et îles

Dans le chenal actif, l'accumulation de sédiments crée des barres —caractéristiques temporaires ou semi-permanentes qui peuvent devenir des îles stables si elles sont colonisées par la végétation. Les barres longitudinales s'alignent sur le débit, les barres transversales s'étendent sur le chenal, et les barres latérales se forment le long des rives.

Impacts humains sur le transport des sédiments

Les activités humaines ont profondément modifié le transport des sédiments dans les rivières du monde entier, ce qui a souvent eu des conséquences imprévues sur la stabilité géomorphique et la santé des écosystèmes.

Barrages et réservoirs

Les barrages piègent les sédiments dans les réservoirs, les portions en aval affamées du sable, de la limon et du gravier nécessaires pour maintenir la forme du chenal et le budget des sédiments côtiers. Ce déficit de sédiments entraîne une dégradation du lit en aval (approfondissement du chenal), une érosion des rives et la perte de connectivité des plaines inondables.

Canalisation et dragage

Le dragage élimine les sédiments des ports et des canaux de navigation, mais l'élimination peut étouffer les habitats benthiques. La canalisation réduit également la capacité de la rivière à stocker les sédiments dans les plaines inondables, à concentrer le transport et à causer souvent des problèmes de sédimentation en aval.

Urbanisation et changement d'affectation des terres

Les sites de construction fournissent une source massive de sédiments lâches qui peuvent étouffer les rivières avec des matériaux fins. Inversement, la déforestation pour l'agriculture peut augmenter les taux d'érosion par ordre de grandeur, tandis que le boisement peut réduire les rendements sédimentaires. Des études ont montré que le changement d'affectation des terres est un facteur dominant du flux de sédiments dans de nombreuses régions.

changements climatiques

À mesure que les températures s'élèvent, les changements dans les modèles de précipitations et la fonte des glaciers modifient la dynamique du transport des sédiments. Les précipitations plus intenses augmentent l'érosion et les inondations, tandis que la réduction de la quantité de neige peut réduire les faibles débits et la capacité de transport des sédiments.

Conclusion

Le transport des sédiments est le moteur de l'évolution du paysage fluvial.De l'entraînement microscopique d'une particule d'argile à la migration d'une ceinture de méandres sur des millénaires, la physique du déplacement de l'eau et des sédiments crée les diverses formes de terre qui façonnent la surface de notre planète. Une compréhension approfondie des processus, des contrôles et des influences humaines sur le transport des sédiments est essentielle pour une gestion efficace des rivières, une réduction des risques d'inondation et la conservation des écosystèmes.

Pour plus de détails sur les fondamentaux du transport des sédiments, voir la page USGS Sediment Transport[. La référence classique sur la morphologie des rivières est Processus de flottaison sur Wikipedia. Le thème ScienceDirect Sediment Transport offre un aperçu académique. Enfin, la ressource Earth Systems Education offre des diagrammes interactifs de la courbe Hjulström.