Les rivières sont les artères de la Terre. L'eau, les sédiments et les nutriments s'auto-organisent en canaux dynamiques diverses lorsqu'ils voyagent des montagnes à la mer. Certaines rivières se taillent une seule voie, tandis que d'autres se divisent en plusieurs fils entrelacés. Ces modèles de canaux façonnent les risques d'inondation, les risques d'érosion et les services écosystémiques pour plus de trois milliards de personnes qui vivent le long des couloirs fluviaux dans le monde.
Comprendre pourquoi certaines voies navigables forment des canaux uniques, tandis que d'autres se divisent en de nombreux fils, a perplexe les chercheurs depuis plus d'un siècle. Les géographes de l'UC Santa Barbara ont récemment cartographié la dynamique du fil le long de 84 rivières avec 36 ans d'images satellites mondiales pour déterminer ce qui dicte cet aspect du comportement fluvial.
« Nous avons constaté que les rivières développeront plusieurs canaux s'ils érodent leurs banques plus rapidement qu'ils ne déposeront des sédiments sur leurs banques opposées.
Les résultats, publiés dans la revue Sciencerésolvez un dilemme de longue date dans la science des rivières. Ils donnent également un aperçu des risques naturels et des efforts de restauration des rivières.
Deux types de rivières
Les scientifiques de la Terre ont longtemps divisé les rivières en catégories uniques et multicanaux et étudient généralement les deux séparément. Bien qu'aucun des deux types ne soit clairement en dehors de l'autre, la plupart des plus grandes rivières du monde sont multiples. L'exception notable est la rivière Mississippi à canal unique, aux États-Unis, où de nombreuses recherches fluviales se sont produites.
La plupart des recherches sur le terrain se sont concentrées sur les rivières à thread unique, en partie parce qu'elles sont plus simples. Pendant ce temps, les travaux expérimentaux se sont concentrés sur les rivières multi-thread en raison des défis de recréer des canaux à thread unique dans des expériences de chariots de laboratoire.
C'est en travaillant sur l'une de ces expériences de chars au laboratoire St. Anthony Falls de l'Université du Minnesota que Chadwick a obtenu l'inspiration pour cette étude. Tout en examinant les rivières multicanaux dans le laboratoire, il a remarqué qu'ils s'élargissaient et se séparaient constamment.
« Je me cognais la tête sur le mur parce que je n'arrêtais pas de mesurer plus d'érosion que de dépôt. Et ce n'était pas ce que nous avons enseigné à l'école », se souvient-il. « Cela m'a amené à lire de vieux livres du Corps de l'armée et d'autres sources sur des exemples où il y a plus d'érosion bancaire que de dépôt. » Finalement, il est devenu curieux de savoir si cela s'est produit dans la nature.
C'était un exemple classique de la méthode scientifique: « Vous générez une hypothèse en laboratoire, puis vous pouvez le tester dans la nature », a déclaré le co-auteur Evan Greenberg, un ancien doctorant à l'UCSB qui a reçu le Lancaster Award pour la meilleure dissertation.
Données à long terme à 2 300 000 pieds
L'équipe a mis à profit les données Landsat hébergées au Google Earth Engine Repository, en se concentrant sur 84 rivières dans différentes régions du globe. Ils ont suivi l'érosion et le dépôt sur les rives de chaque rivière à l'aide d'un algorithme de traitement d'image appelé vélocimétrie de l'image des particules. Les auteurs ont adapté cet algorithme – conçu en originalement pour suivre le mouvement des particules dans les photos de laboratoire d'un liquide – pour suivre la position du canal dans les images satellites de leurs plaines inondables.
Dans les rivières monomodées, l'érosion et le dépôt sont équilibrés. En conséquence, la largeur du canal reste constante, permettant à ces rivières de se pencher dans leurs virages et de former des voies larges et sinueuses à travers le paysage. En revanche, l'érosion bancaire a dépassé le dépôt dans les rivières multicanaux, provoquant un élargissement d'un canal donné au fil du temps jusqu'à ce qu'il se divise en deux. En conséquence, les rivières multicanaux remanièrent leurs chaînes avant de pouvoir serpenter trop loin dans la plaine inondable.
Chacune de ces dynamiques se produit pendant qu'une rivière est en état d'équilibre (ni en croissance ni en rétrécissement).
« Ce n'est pas comme si des rivières multi-thread gagnent en moyenne de l'eau. Ils transmettent toujours la même quantité d'eau dans le temps, mais ils le font en mélangeant constamment la taille des fils individuels », a expliqué Vamsi Ganti, un auteur principal, professeur agrégé de géographie à l'UCSB.
Lorsque les auteurs disent que l'érosion dépasse les dépôts, ils font référence aux rives du fleuve. Pour les rivières multicanaux, les sédiments supplémentaires érodés des rives sont redéposés sur le fond de la rivière, formant finalement les îles et les barres qui séparent les différents canaux.
Les chercheurs ont compté quelques exceptions à la tendance à la dépôt d'érosion, mais ils ont découvert que chacun d'eux coïncidait avec des changements apparents dans le bassin versant qui ont forcé la rivière hors de son état d'équilibre naturel. Par exemple, la rivière Sao Francisco au Brésil n'a pas montré d'érosion excessive comme les autres rivières multicanaux parce que la rivière s'est rétrécie en réponse au sortant de ses eaux d'amont et à l'extraction de l'eau pour l'irrigation.
« La question de ce qui fait que une rivière est unique ou multithread est à peu près aussi ancienne que le domaine de la géomorphologie », a déclaré Ganti.
Généralement, les géographes ont compris la dynamique de la rivière en termes de myriades de variables, y compris la pente en aval, le débit d'eau, le type de sédiments et la stabilité bancaire. Le nouveau modèle explique le type de rivière uniquement en termes d'équilibre entre le dépôt et l'érosion. Les différents facteurs géographiques affectent cet équilibre, expliquant pourquoi des environnements spécifiques ont tendance à favoriser certains types de rivières.
Donner de l'espace des rivières pour couler
Le 20e siècle a vu de nombreuses rivières en boîte à canaux étroits déconnectés de leurs plaines inondables historiques. Cela récupére plus de terres pour la colonie et atténue certains des dangers inhérents à la vie près d'une rivière. Cependant, cela est désastreux pour les écosystèmes riveraines et peut même exacerber les risques à long terme. Couper une rivière de sa plaine inondable signifie que les sédiments s'installent sur le lit de la rivière, élevant la rivière par rapport à la plaine inondable voisine et affamée de sédiments. Cela rend plus susceptible de sauter ses banques en cas d'inondation ou de défaillance de la digue, un phénomène que l'équipe a étudié en profondeur.
« Considérez l'ouragan Katrina », a déclaré Chadwick. « Lorsque la digue s'est cassée, il y a eu des inondations généralisées en partie parce que la plaine inondable avait été coupée du Mississippi pendant si longtemps qu'elle avait coulé par rapport à la rivière, permettant aux eaux de crue de s'y étonner. »
Il y a un effort croissant pour reconnecter les rivières canalisées avec leurs plaines inondables et leur donner plus d'espace pour se déplacer. Les efforts de restauration basés sur la nature nécessitent de déterminer la largeur du couloir d'une rivière donnée pour retourner à son état naturel, ainsi que la durée de le faire.
Avec leur nouvelle compréhension de la dynamique de la rivière, l'équipe a conçu une formule pour cela, qui comprend des variables comme la durée d'une rivière pour abandonner un canal. La formule décrit également si une rivière revient à un état unique ou multicanal. Ils ont calculé les largeurs et les temps de restauration pour divers types de rivières en fonction de leurs observations satellites.
Chadwick, Ganti et Greenberg ont constaté que le temps et l'espace dont une rivière a besoin pour rétablir son comportement naturel variait considérablement entre les rivières uniques et multi-thread. Une rivière unique nécessite environ dix fois plus d'espace et de temps pour se rétablir en tant que rivière multi-thread de la même puissance du ruisseau, qui est la quantité d'énergie que le ruisseau doit éroder et déplacer les sédiments.
Les informations du document peuvent guider les projets d'infrastructure et de revitalisation. La formule développée par les auteurs permet aux ingénieurs et aux scientifiques d'estimer la largeur dont un projet de restauration aura besoin, un facteur décisif dans la faisabilité et le coût d'un projet. L'analyse peut également aider les décideurs politiques à prioriser les candidats à la récupération. La recherche, la restauration et l'atténuation des risques se sont historiquement concentrés sur les canaux à thread unique, mais se déplacer vers des projets sur les voies navigables multiples pourrait produire des rendements plus élevés pour des coûts plus bas.
En fait, les résultats de l'équipe suggèrent que la restauration de la rivière peut être moins coûteuse que prévu. Il est de plus en plus reconnu que de nombreuses rivières à thread unique étaient historiquement multipliées avant l'intervention humaine, en particulier dans l'ouest des États-Unis, par exemple, des photos de la rivière Los Angeles des années 30, avant qu'elle ne soit canalisée, le montrent avec plusieurs fils. Un projet actuellement considéré comme prohibitif ou coûteux peut être abordable si une rivière était mal classée, a expliqué Chadwick.
Le laboratoire de Ganti étudie actuellement l'accélération et la décélération des rivières, ainsi que des changements dans le nombre de fils d'une rivière au fil du temps. « Ces tendances temporelles sont probablement des signatures de la façon dont le changement climatique et les interférences humaines affectent la dynamique des rivières », a-t-il déclaré.
Chadwick est toujours curieux de savoir pourquoi l'érosion dépasse le dépôt dans certaines rivières. Il prévoit d'étudier plus en détail la diversité des rivières multi-thread en tant que chercheur postdoctoral à l'Observatoire de la Terre Lamont-Doherty de l'Université Columbia, avec un intérêt particulier pour la façon dont ils se forment. Pendant ce temps, Greenberg, maintenant au Jet Propulsion Laboratory (JPL), utilise la télédétection pour mesurer le transport des sédiments dans les rivières. Il termine également les travaux en examinant comment les barrages influencent la forme de la rivière au fil du temps et le développement du couloir de la rivière.
Les rivières ont joué un rôle important dans l'histoire humaine. Ils irriguent les récoltes que nous cultivons sur leurs plaines fertiles et transmettons nos marchandises et venaient. Mais ils inondent également nos villes et abandonnent soudainement des canaux bien usés. En savoir plus sur les rivières nous permettra de mieux coexister avec ces caractéristiques naturelles mercurielles en une période de changement sans précédent.
