Première compilation mondiale des avulsions fluviales

Les humains ont toujours eu une relation complexe avec les rivières, qui ont à la fois favorisé et menacé les civilisations à travers l’histoire. Rappelez-vous simplement Osiris, l’ancien dieu égyptien de la mort et de la renaissance, qui était inextricablement lié à l’inondation annuelle du Nil.

De grandes inondations obligent parfois une rivière à changer de cap et à se frayer un nouveau chemin à travers le paysage, lors d’événements rares et catastrophiques connus sous le nom d’avulsions de rivière. Ces événements peuvent anéantir des villes entières le long des plus grandes voies navigables, mais ils créent également les deltas fertiles qui ont nourri de nombreuses sociétés.

Une équipe de scientifiques dirigée par l’UC Santa Barbara vient de publier la première compilation mondiale des avulsions de rivière dans la revue Science. L’étude corrobore environ une décennie de travaux théoriques et expérimentaux du groupe, qui ont étoffé les avulsions de ce qui avait été une curiosité sous-étudiée.

« Cet ensemble de données fournit le premier test sans ambiguïté de la théorie, qui démontre qu’il existe trois régimes distincts d’avulsions sur les ventilateurs et les deltas », a déclaré le co-auteur Vamsi Ganti, professeur adjoint au département de géographie de l’UCSB. « C’est loin de là où nous avons commencé », a-t-il ajouté. « Il y a dix ans, on pensait que les avulsions étaient ces événements chaotiques et stochastiques qui n’étaient pas très prévisibles. »

La rareté et le caractère insaisissable des avulsions avaient pour la plupart gardé les chercheurs dans l’ignorance. Avant cet article, les scientifiques n’en avaient observé qu’une poignée. À partir de ces quelques études de cas, ils ont commencé à élaborer une théorie sur l’endroit où les avulsions se produisent à l’aide d’expériences et de modèles informatiques.

Une rivière peut ne changer de cap qu’une fois par décennie, une fois par siècle, voire moins. Les scientifiques doivent donc surveiller une rivière pendant longtemps pour obtenir des données utiles. Cependant, l’imagerie satellite a permis à l’équipe d’échanger de grandes périodes de temps contre de grandes étendues d’espace.

« Bien que les avulsions soient très rares, lorsque vous examinez pratiquement tous les deltas de la Terre, vous aurez de la chance sur quelques-uns d’entre eux », a déclaré le co-auteur Austin Chadwick, chercheur postdoctoral à l’Université du Minnesota. L’équipe a eu de la chance 113 fois en combinant les données satellites de 1973 à 2020 et les cartes historiques. « Au lieu d’avoir ces quelques sites profondément étudiés, nous avons maintenant un échantillon représentatif de partout sur Terre au cours des 50 dernières années. »

Avulsions de ventilateur

Le comportement d’avulsion tombait en trois régimes. L’équipe a trouvé 33 cas où les rivières ont changé de cap lorsqu’elles sont passées de canaux escarpés et confinés à une topographie plus plate. Ces ventilateurs se produisaient souvent au pied des montagnes, là où une rivière sort du canyon vers des vallées non confinées ou des océans ouverts. Les avulsions de ce type nécessitaient au moins une rupture de 3 fois la pente de la vallée fluviale, avec une médiane de 6,5.

Avulsions du delta à l’échelle des remous

Dans le second régime, les avulsions étaient limitées à la zone de remous d’une rivière. « En termes simples, la zone de remous est la partie de la rivière qui coule différemment en raison des effets du niveau de la mer à l’extrémité aval », a expliqué Chadwick. Cette région peut s’étendre étonnamment loin à l’intérieur des terres : environ 300 milles pour le fleuve Mississippi, par exemple.

Ce deuxième groupe couvrait 50 des avulsions de l’ensemble de données. Ces avulsions se trouvent sur des deltas à faible pente le long de certaines des plus grandes voies navigables du monde, comme les fleuves Orénoque, Jaune, Nil et Mississippi. La plupart des études de cas précédentes du groupe entrent dans cette catégorie.

Avulsions delta de charge sédimentaire extrême

Le régime final englobait les 30 avulsions delta restantes. Dans ces rivières, d’intenses crues et le transport de sédiments ont poussé des avulsions loin en amont. Vraiment loin.

« Le troisième régime avait une longueur d’avulsion qui était, en moyenne, 14 fois supérieure à la longueur de remous de la rivière », a déclaré Ganti. Cela pourrait s’étendre à plus de 50 fois la longueur du marigot dans certains des exemples les plus extrêmes.

L’équipe a d’abord documenté ce comportement dans un papier 2020 sur les fleuves malgaches. « Mais maintenant, nous savons que ce n’est pas seulement un cas étrange que nous avons vu à Madagascar », a déclaré Chadwick, qui rejoindra le groupe Surface Processes de Ganti à l’UCSB à l’été 2022.

« C’est un troisième régime d’avulsions », a ajouté Ganti. En fait, il représente 40 % des avulsions delta dans l’ensemble de données mondial.

Lits de rivière dynamiques

Les avulsions ont tout à voir avec le transport des sédiments. Ils se produisent quand et où une rivière se remplit de sédiments. Cela étouffe le canal au point où il saute ailleurs. Sur les ventilateurs, cela se produit lorsque la pente change : le débit ralentit et les sédiments que le ruisseau transportait se déposent dans le lit de la rivière.

Les rivières des deuxième et troisième régimes se trouvent dans des paysages deltaïques relativement plats, de sorte que d’autres facteurs contrôlent où la sédimentation conduit à une avulsion. Dans les paysages plats, le courant d’une rivière ralentit à mesure qu’elle s’approche de la mer ou d’un lac en aval, ce qui permet aux sédiments de s’accumuler. Le dépôt de sédiments est interrompu par les inondations, qui provoquent une érosion qui se propage en amont comme un effet domino inversé. Pendant de nombreuses années, les dépôts lors des étiages se combinent aux vagues d’érosion lors des crues pour remplir le chenal à un endroit particulier, déclenchant une avulsion. La principale différence entre les rivières du deuxième et du troisième régime est la distance parcourue par les vagues d’érosion lors des crues.

Les travaux antérieurs du groupe ont suggéré que l’érosion pendant les crues est souvent limitée à la zone de remous d’une rivière, entraînant des avulsions à l’échelle des remous – les avulsions du deuxième régime. Cependant, si la vague se déplace assez rapidement et que les crues durent assez longtemps, alors une rivière peut subir cette sédimentation accrue extrêmement loin à l’intérieur des terres, conduisant au troisième régime d’avulsion.

Les modèles numériques du groupe suggéraient que les rivières du troisième régime pouvaient exister, mais il leur a fallu des années pour trouver des exemples. L’équipe s’était concentrée sur les grands cours d’eau, comme le Mississippi et le fleuve Jaune. Il faudrait une inondation qui durerait des siècles pour qu’une vague d’érosion parcoure toute la longueur des remous de grands fleuves comme ceux-là. En revanche, cela pourrait ne prendre que quelques jours à quelques semaines dans certaines des rivières escarpées au lit de limon de Madagascar. L’ensemble de données mondial a révélé que les exemples extrêmes de Madagascar étaient loin d’être de simples cas aberrants : deux avulsions sur cinq sur les deltas appartenaient à cette catégorie.

L’homme et les rivières sous le changement climatique

L’ensemble de données et les résultats sont plus que des considérations académiques. « Environ 330 millions de personnes vivent dans les deltas des fleuves dans le monde, et bien d’autres vivent le long des corridors fluviaux », a déclaré Ganti. « Nous devons comprendre comment la mobilité fluviale changera en réponse au changement climatique et aux interférences anthropiques. »

L’équipe peut désormais utiliser sa théorie mise à jour pour prédire les emplacements d’avulsion, une question d’une importance capitale. Auparavant, les scientifiques et les responsables auraient pu supposer que les emplacements en amont de la zone de remous étaient sûrs. « Mais maintenant, nous savons qu’il existe cet autre type d’avulsion sur les deltas où vous n’êtes pas en sécurité », a déclaré Chadwick.

De plus, les changements climatiques et d’utilisation des terres peuvent pousser les avulsions vers l’intérieur des terres sur les rivières sous les deux régimes de delta. Les auteurs trouvé précédemment que l’élévation du niveau de la mer et des inondations plus longues peuvent déplacer les emplacements d’avulsion en amont de leurs emplacements historiques. Cela signifie que même des avulsions confinées à la zone de remous pourraient se produire plus en amont. « C’est problématique, car » un peu en amont « sur le fleuve Mississippi, c’est des dizaines à des centaines de kilomètres », a déclaré Ganti. « Ce n’est pas quelque chose d’anodin. »

L’agriculture, le développement et l’extraction des ressources peuvent également avoir un impact sur le lieu d’avulsion. « Si vous modifiez l’utilisation des terres – et donc la quantité de sédiments fournie à certaines rivières – vous pouvez prendre une rivière qui connaît actuellement des avulsions à l’échelle des remous et la faire passer dans la catégorie des avulsions modulées par l’apport élevé de sédiments », a déclaré Ganti. C’est le régime qui peut sauter le cap loin en amont.

« Cette étude montre clairement à quel point l’emplacement de l’avulsion sur les deltas est sensible aux changements du niveau de la mer, de la charge sédimentaire et de la durée et de l’intensité des inondations… qui sont tous sujets à changement à mesure que le climat change à l’échelle mondiale et que de plus en plus de rivières sont endiguées, contrôlées et manipulées par le développement humain « , a déclaré le premier auteur Sam Brooke, ancien chercheur postdoctoral à l’UC Santa Barbara. Ce nouveau cadre permet à l’équipe de prédire une migration intérieure potentiellement dangereuse du lieu d’avulsion préféré d’une rivière.

L’équipe étudie actuellement le record mondial des satellites pour développer de nouvelles mesures permettant de caractériser la mobilité fluviale. Ils ont l’intention d’utiliser les observations pour caractériser les facteurs qui entraînent d’autres types de mobilité fluviale, en plus des avulsions. Ils prévoient également d’étudier la fréquence des avulsions. « La question à laquelle nous avons répondu ici est » où « les avulsions se produisent, mais nous n’avons pas vraiment creusé » quand «  », a déclaré Ganti. Cependant, les deux sont tout aussi importants à comprendre.

Le groupe est enthousiasmé par ses perspectives d’avenir et fier des progrès qu’il a réalisés jusqu’à présent. « C’est merveilleux de voir jusqu’où cela est arrivé », s’est exclamé Ganti. « Entre la modélisation, les expériences et la télédétection, c’est vraiment un cas où nous avons choisi un problème et l’avons abordé sous tous les angles possibles. »