Analyse par bilan ligneux de la dynamique des bois morts à multiples échelles spatiales

DYNAMIQUE DU BOIS MORT EN RIVIERE: PERSPECTIVES ET QUESTIONS DE RECHERCHE

Au Québec, il y a émergence des méthodes hydrogéomorphologiques pour la gestion des rivières depuis la dernière décennie alors que la recherche focalise davantage sur des approches appliquées et à l’échelle du système fluvial (Roy, 2012). Récemment, plusieurs études originales portant sur la géomorphologie fluviale appliquée, avec un intérêt marqué pour l’étude des systèmes fluviaux dans leur ensemble ont été publiées (ex.: Aubry et al., 2013; Demers et al., 2014; Biron et al., 2014; Buffin-Bélanger et al., 2015; Dugdale et al., 2015; Lagadec et al., 2015; Morin et al., 2015). Les recherches portent sur une multitude de thèmes, par exemple: le transport des sédiments, les bilans sédimentaires, les risques d’inondation, l’érosion des berges, ou encore le concept d’espace de liberté. Cependant, avant cette thèse, peu d’études avaient abordé la dynamique du bois mort (BM) dans les cours d’eau québécois et de régions froides. Du côté de la gestion des cours d’eau, plusieurs outils ont été développés en France et ailleurs afin d’optimiser la gestion des cours d’eau avec BM (Le Lay et Piégay, 2007). Les connaissances sur la dynamique et la gestion des BM au Québec sont encore limitées (Boivin et Buffin-Bélanger, 2010b; Denis et al., 2013, Boivin et al., 2015; Massé et Buffin-Bélanger, 2016). Il existe très peu d’outils pour promouvoir une gestion éclairée, saine et durable du BM en rivière et avant nos travaux, le seul document disponible pour les gestionnaires de cours d’eau portait uniquement sur le démantèlement d’embâcles (Thérien, 1997). De plus, les bois en rivière sont avant tout perçus comme une source de nuisance par la population (Le Lay et Piégay, 2007; Chin et al., 2008; Chin et al., 2014), alors même que de nombreuses études soulignent les bénéfices écosystémiques qu’ils procurent (ex.: Mossop et Bradford, 2004; Thévenet, 1998). L’un des principaux problèmes est lié à leur mobilité (Piégay et al., 2015) qui peut engendrer un 2 risque pour l’exercice de certains usages et pour la sécurité publique. Ils peuvent être introduits dans des secteurs à faible risque, mais parcourir des distances importantes et faire obstacle à l’écoulement dans des secteurs aval plus sensibles. Ainsi, lorsqu’il y a présence de bois mort dans un chenal, des impacts positifs et/ou négatifs peuvent survenir et cette réalité est méconnue et peu prise en compte dans la gestion des cours d’eau au Québec. En partant des principes que « toute municipalité régionale de comté (MRC) doit réaliser les travaux requis pour rétablir l’écoulement normal des eaux d’un cours d’eau lorsqu’elle est informée de la présence d’une obstruction qui menace la sécurité des personnes ou des biens » (Loi sur les compétences municipales, 2005), il est nécessaire maintenant de considérer la dynamique des bois en rivière dans nos analyses de la dynamique fluviale. Au cours des dernières années, plusieurs problématiques liées à la présence du bois mort ont été étudiées par des approches hydrogéomorphologiques au Québec (Boivin et BuffinBélanger, 2010b; Denis et al., 2013; Massé, 2014), mais le manque de connaissance concernant la dynamique des BM à l’échelle du bassin versant persiste, tant au niveau national qu’international. À l’échelle internationale, l’étude de la dynamique du bois mort est aussi relativement nouvelle en géomorphologie fluviale (Montgomery et Piégay, 2003), datant de la fin des années 1970 (ex., Keller et Tally, 1979; Bilby et Likens, 1980). Les bois morts peuvent avoir des effets significatifs sur la structure des écoulements (Abbe et Montgomery, 1996), le transport des sédiments (Assani et Petit, 1995; Cadol et Wohl, 2011), l’organisation des formes fluviales (Keller et Tally, 1979; Nakamura et Swanson, 1993; Lisle, 1995; Montgomery et al., 1995) et le style fluvial (Keller et Swanson, 1979; Hickin, 1984; Piégay, 1993; Piégay et Marston, 1998; Sear et al., 2010). Les boisements sont fréquents sur les berges des cours d’eau et les bois morts font partie de la dynamique naturelle des rivières (Montgomery et Piégay, 2003). La dynamique des BM fait l’objet d’étude dans plusieurs pays au cours des quarante dernières années (Montgomery et Piégay, 2003). Les études portant sur les caractéristiques et les fonctions des BM en rivières ont été initiées dans le nord-ouest des États-Unis durant les années 1970 (par exemple, Keller et Tally, 1979; Bilby et Likens, 1980), avec des exemples récents au Japon (Seo et al., 2008; Seo et Nakamura, 2009); aux États-Unis (Wohl et Jaeger, 2009; Moulin et al., 2011; Wohl, 2011); dans le nord-ouest du Canada (Kramer et Wohl, 2014); en Australie (Kitchingman et al., 2015); au Chili (Ulloa et al., 2015); et en Europe (Wyżga et Zawiejska, 2005; RuizVillanueva et al., 2014; Lucía et al., 2015; Osei et al., 2015). D’un point de vue scientifique, le développement de bilans ligneux à l’échelle de bassins versants et de tronçons fluviaux est novateur au niveau mondial (Moulin, 2005; Benda et al., 2003). Seo et Nakamura (2009) et Seo et al. (2010) ont souligné l’importance d’analyser la dynamique du bois mort à différentes échelles spatiales, mais aussi les difficultés liées à l’acquisition de données à l’échelle de long corridor et de bassin versant. La littérature est multiple en ce qui a trait à l’influence du BM sur les processus et les formes dans un système fluvial, mais très peu d’articles ont quantifié les flux de bois mort à l’échelle de bassins versants (Wohl et Jeager, 2009). Compte tenu des nouveaux enjeux pratiques et des avancées technologiques récentes, l’étude des flux de bois et l’établissement de budget ligneux à l’échelle de bassins versants sont des créneaux novateurs pour la recherche au Québec et dans le monde. Le calcul de bilan ligneux à l’échelle d’un bassin versant ouvrira la voie à l’analyse des facteurs contrôlant ces flux et à la quantification de la variabilité géographique et temporelle. Cela viendra combler une grande lacune pour la gestion des rivières québécoises et répondra à plusieurs questions de recherches actuelles. À plus long terme, ces éléments permettront également de formuler des recommandations pour gérer ces flux, voire des protocoles d’intervention et de gestion au long terme.

Le cas des embâcles de la rivière Saint-Jean

La problématique des embâcles de bois mort (EBM) sur la rivière Saint-Jean (RSJ) a commencé à l’été 2009 et 2010 où 150 saumons ont été retrouvés morts durant l’été (Wadham-Gagnon and Castilloux, 2010) le long du corridor fluvial de la RSJ. Les premières études ont émis l’hypothèse que le problème pouvait être lié à la montaison au travers d’embâcles de bois immenses créant un stress physique sur les saumons (Dallaire, 2009; Wadham-Gagnon and Castilloux, 2010; GÉNIVAR, 2011). Le BM en rivière est actuellement considéré par les gestionnaires, comme ayant un impact négatif sur la faune aquatique et comme un facteur de risques hydrauliques (érosion, inondation, déstabilisation des infrastructures…), mais les données scientifiques sont manquantes. Les embâcles de la RSJ ont fait l’objet d’un suivi médiatique important depuis 2009, ceux-ci étant souvent présentés de manière négative en lien avec la perception que les gestionnaires se faisaient de ces embâcles (Figure 1). Depuis les années 1990, la Société de gestion des rivières de Gaspé (SGRG) désire effectuer des travaux afin de faciliter la montaison du saumon, ce qui implique le démantèlement partiel ou total de ces embâcles. Figure 1. Grands titres d’articles de journaux et de reportages télévisuels réalisés sur les embâcles de la rivière Saint-Jean depuis l’été 2009. Sources: Graffici (A); Radio-Canada, 2015 (B); Le Soleil, 2014 (C) et; Journal de Québec, 2015 (D). Les embâcles de bois dans le delta de la RSJ sont parmi les plus gros recensés au monde (Figure 2A). Il s’agit d’un site d’étude unique pour documenter la formation d’embâcle et pour le développement de bilan ligneux à l’échelle d’un bassin versant. Le cas de ces embâcles dans la RSJ est un exemple concret où la gestion mérite d’être davantage éclairée. Ce cas peut en outre servir de base pour formuler un protocole de gestion qui soit applicable plus largement aux cours d’eau du Québec et de régions froides. Les gestionnaires de la SGRG ont finalement opté pour un démantèlement complet de l’embâcle présent dans le chenal principal à l’hiver 2015 (Figure 2B). Les changements environnementaux (augmentation des précipitations liquides et solides, augmentation des redoux hivernaux…) observés actuellement en Gaspésie (Bernatchez et al., 2008) risquent notamment d’influencer le recrutement et le transport du BM et, par conséquent, de compromettre les investissements effectués pour dégager le chenal si l’embâcle se reforme 6 rapidement suite au démantèlement. Il devient nécessaire d’estimer les quantités de bois disponibles dans le cours d’eau et susceptibles d’y être introduits dans les prochaines années afin d’estimer les coûts annuels d’intervention, mais surtout, pérenniser les actions entreprises sur cet embâcle, lors de son démantèlement partiel en 2015.

La notion de bilan ligneux

Cette section présente la dynamique du bois mort selon la formulation d’un bilan ligneux. Un bilan ligneux constitue une méthode systémique pour modéliser et pour quantifier la dynamique du BM à différentes échelles spatio-temporelles. Un tel budget représente un bilan de masse qui considère les entrées, les accumulations et les exports de BM. Keller et Swanson (1979) ont été les premiers à conceptualiser la dynamique du BM dans un cadre de budget ligneux en y présentant les différentes composantes et la grande variabilité des processus en lien avec la dynamique du BM en rivière. Les analyses par bilan ligneux sont relativement récentes et le tableau 1 présente les principales études recensées dans ce domaine. Un des premiers cadres d’analyse (Figure 3) fut développé par Martin et Benda (2001) afin de calculer un bilan ligneux dans un petit bassin versant du Nord-Ouest américain (132 km²) où la hauteur des arbres est supérieure à la largeur du chenal, limitant la mobilité des BM. Au même titre qu’un bilan sédimentaire, le bilan ligneux fait référence à la quantification des intrants de bois mort par rapport au volume de bois stocké dans le système, au volume accumulé sur la plaine alluviale ou en transit dans un corridor fluvial et au volume expulsé du système (Benda et Sias., 2003; Montgomery et al., 2003). Il est calculé à partir des intrants (input), des extrants (output) et 8 de la décomposition/fragmentation (decay) des bois morts dans un système fluvial (Figure 3). Benda et Sias (2003) ont été les premiers à proposer une formulation mathématique (Tableau 1) permettant d’estimer un bilan ligneux et distinguant les différentes caractéristiques de la dynamique du bois mort. Figure 3. Modèle conceptuel d’analyse par bilan ligneux (A) et de la dynamique du transport de BM (B) à l’échelle d’un tronçon fluvial (cellule hydromorphologique) (adaptée de Martin et Benda, 2001) Boivin et Buffin-Bélanger (2010b) ont proposé une autre équation pour répondre à une demande des gestionnaires de la RSJ afin d’estimer les volumes de BM produits, accumulés et exportés du bassin versant entre 1963 et 2004. À l’inverse d’un bilan ligneux ou sédimentaire traditionnel où l’équation est basée sur la quantification des stocks accumulés dans un système, cette méthode de quantification a permis de valider et de quantifier le flux total produit sur une période de temps donnée, afin d’estimer les coûts d’entretien annuel de la gestion des BM à l’échelle d’un bassin versant. Cette méthode d’application est similaire à une approche par bilan hydrique où l’objectif est de quantifier un flux (débit liquide) en un point donné et pour une période donnée. Wohl (2011) propose une adaptation de l’équation de bilan ligneux de Benda et Sias (2003) pour y intégrer les volumes de bois stockés dans les barrages de castors. Wohl (2011) met en avant que chaque variable n’a pas le même poids, selon le milieu d’étude. Une proposition d’ajustement de l’équation est appliquée afin de refléter l’importance relative plus élevée de certaines variables dans des tronçons fluviaux selon sa dynamique (par exemple: importance plus élevé pour Li et ΔSc pour les sections confinées comparativement à une importance plus grande pour Lo et B pour les sections non confinées) Une troisième équation, fondée sur le nombre de BM dans un corridor fluvial a été développée avec des données d’accumulation in situ et à l’aide d’un modèle de probabilité Monte-Carlo dans deux environnements différents du parc national de Yellowstone aux ÉU: 1) bassin versant sans feu de forêt; et 2) bassin versant ayant subi des feux de forêt (Marcus et al., 2011). Ces auteurs ont cartographié la distribution des accumulations de BM dans plusieurs tronçons fluviaux totalisant une longueur de 73.4 km pour le développement d’un modèle de prédiction pour la production, le transport et les accumulations de BM dans un système fluvial. À l’échelle du tronçon fluvial, le modèle de prédiction a montré une faible relation entre le nombre de BM et la largeur du chenal et aucune relation entre le nombre de BM et les variations morphologiques ou encore avec la présence ou absence de feu de forêt (Marcus et al., 2011). Récemment, Benda et Bigelow (2014) ont testé l’équation proposée par Benda et Sias (2003) avec des données in situ de recrutement, d’accumulation et de transport de BM dans 4 cours d’eau (bassin versant ˂ 30 km²) en Californie. Ces auteurs ont montré que la différence dans les volumes en BM dans un cours d’eau est influencée principalement par trois conditions locales: les taux d’érosion, la mortalité de la forêt et la présence de mouvements de masse.La quantité et le type de bois entré, accumulé et exporté d’un système fluvial sont influencés par la morphologie, les paramètres hydroclimatiques et les caractéristiques de la végétation riveraine d’un cours d’eau (Keller et Swanson, 1979). La quantité et la configuration des embâcles de bois mort dans un tronçon fluvial sont contrôlées par l’équilibre entre le volume de bois entrant et le volume sortant du système (Keller et Swanson, 1979). La présence de nombreux embâcles de bois dans un cours d’eau est généralement le reflet d’un déséquilibre dans les composantes du bilan ligneux et de la dynamique fluviale (Montgomery et al., 2003). Si le volume de bois produit et en transit dans le système fluvial est supérieur à celui annuellement évacué, la concentration d’EBM est généralement importante (Montgomery et al., 2003) et une augmentation de ces volumes sera constante dans le temps. Les variations spatio-temporelles du bilan ligneux peuvent occasionner des bouleversements hydrogéomorphologiques comparables aux modifications du bilan sédimentaire ou du débit dans une rivière (Montgomery et al., 2003). La variation des volumes de BM dans un système dépend principalement des taux de production de BM, de la quantité de BM en transition dans le système et des évènements hydroclimatiques permettant d’initier leur transport. Les avancées en termes de bilan ligneux sont significatives depuis les 10 dernières années, mais le développement dans des contextes environnementaux variés est nécessaire, car il s’agit d’une composante essentielle afin d’estimer les avantages écosystémiques potentiels versus les désavantages liés aux risques associés aux BM en rivière (Gurnell, 2013). Afin d’améliorer les approches par bilan ligneux, il est nécessaire d’augmenter nos connaissances sur les différentes composantes, d’incorporer la dynamique fluviale dans les modèles et d’acquérir des données de terrain pour valider cette approche (Gurnell, 2013)