3.2. Formes fluviales, flux de sédiments et processus géomorphologiques

La morphologie du chenal fluvial est directement contrôlée par les flux liquides et par la charge sédimentaire (LEOPOLD et al., 1995). Le fait de comprendre le fonctionnement sédimentaire d’un cours d’eau peut être très utile pour élucider certains aspects de la morphologie et de la dynamique des systèmes fluviaux. Dans le cas du bassin versant de l’Ivaí, l’indisponibilité de données de charge sédimentaire nous a poussé à trouver des alternatives. Ainsi, on a opté en faveur de l’étude de la dynamique sédimentaire via les sédiments déposés sur les berges, de façon à comprendre comment les processus évoluent de l’amont vers l’aval.

Comme il a été vu dans la première partie de ce travail, le transport de la charge sédimentaire dans un milieu fluvial se réalise selon trois mécanismes distincts : par roulement ou traction, par suspension graduée et par suspension uniforme. La partie la plus grossière de la charge sédimentaire est transportée uniquement sur le fond du lit, soit par roulement (si les grains sont arrondis), soit par traction (si les grains sont plus aplatis), et elle ne remonte pas en suspension, sauf en situation de très forte turbulence. Le frottement du courant sur le fond crée une turbulence, ce qui permet la mise en suspension d’une partie de la charge sédimentaire. Les grains les plus grossiers restent en suspension à proximité du fond, tandis que les grains les plus fins sont soulevés plus haut dans la colonne d’eau. Ainsi, un gradient granulométrique se forme dans la partie inférieure de la masse d’eau ; pour cette raison, ce mode de transport s’appelle la suspension graduée. Au-dessus de la couche de suspension graduée, la partie la plus fine de la charge sédimentaire est transportée par le mécanisme de la suspension uniforme, où la concentration des sédiments et la taille maximale de grain sont indépendantes de la hauteur dans la colonne d’eau. Cette couche est aussi moins soumise à la turbulence du fond, de sorte que le flux tend à être plus laminaire (PASSEGA, 1963).

En observant l’étroite liaison qui existe entre la texture des sédiments et les mécanismes de transport et dépôt, Passega (1957, 1963, 1964, 1969) a proposé le diagramme CM, un outil d’analyse de la texture des sédiments qui a pour but d’établir les rapports entre les caractéristiques granulométriques des sédiments et les processus de dépôt (PASSEGA, 1957).

Le diagramme CM est un graphique de type nuage de points, à axes gradués de façon logarithmique et il met en rapport les valeurs C et M extraites de la courbe cumulée de distribution des tailles de particules. La valeur M correspond au diamètre médian des particules de l’échantillon (aussi appelé d₅₀), ou encore le diamètre pour lequel 50 % de l’échantillon sont plus fins et 50% et plus grossiers. La valeur C correspond au premier percentile de l’échantillon ou le diamètre des particules qui n’est dépassé que par 1% de l’échantillon (PASSEGA, 1957, 1963). Pour chaque échantillon, le croisement des paramètres C et M donne un point sur le diagramme logarithmique. Du coté droit du diagramme, une droite lie les points où C=M. Cette droite est la droite du tri parfait.

D’après l’étude de plusieurs dépôts de chenaux fluviaux, Passega (1963) a proposé un diagramme-clé, dont on peut déduire les mécanismes de transport de la position des échantillons sur le diagramme CM (Figure 73).

Au long de l’Ivaí, 14 sections ont été visitées (Figure 74). Sur 9 de ces sections, des profils topographiques ont été levés et des échantillons de sédiments ont été prélevés. A partir des résultats des analyses granulométriques, l’image CM de ces dépôts a été élaborée (Figure 75, annexe 2).

La section du pont de Rio dos Patos est le premier endroit de prélèvement de sédiments. Dans cette section, la Dos Patos présente un fond à gros blocs rocheux et les sédiments prélevés correspondent aux matériaux qui circulent au fond du lit, sur ces blocs.

Sur l’image CM des sédiments prélevés, on voit que la médiane est de 299 μm (sable moyen), mais la valeur de C est de 4 000 μm (cailloux). Ceci montre que dans cette section, la rivière Dos Patos présente une très forte turbulence et est capable de transporter par roulement des cailloux au fond du lit.

Sur la commune d’Ivaí, un profil a fait l’objet de prélèvements sur la rive droite de l’Ivaí (Figure 76). Un niveau topographique localisé environ 3 mètres plus haut que le niveau des eaux moyennes s’étend sur une distance d’une vingtaine de mètres. Une coupe verticale a permis d’identifier partiellement l’existence d’une nappe caillouteuse horizontale à la base de cette surface. Dans la partie plus la plus éloignée du chenal, le profil se termine dans forme creux, probablement un paléo-chenal. Au long de ce profil, 6 échantillons ont été prélevés.

A partir de l’image de synthèse, on voit que l’échantillon I1 est placé dans les dépôts de type suspension graduée, tandis que l’échantillon I2 présente les caractéristiques de sédiments de fond transportés par roulement. Les échantillons I3, I4, I5, et I6 se trouvent au milieu d’un nuage de points du coté gauche du diagramme, ce qui indique que ces échantillons possèdent une proportion importante de matériaux fins. Par contre, les quatre échantillons présentent une valeur de C au-dessus de 400 μm (sable moyen), ce qui correspond à la limite supérieure de la suspension graduée sans roulement. Ces échantillons correspondent ainsi à des dépôts issus de la suspension graduée, avec quelques grains roulés et un fort enrichissement en particules fines qui est dû à la décantation pendant la décrue et à la réduction de la vitesse du courant provoqué par la végétation des berges.

L’image CM de la section Ivaí (Figure 76) montre que l’échantillon I6, pris dans un probable paléo-chenal, présente une valeur de C proche de 415 μm (sable moyen) et une valeur de la médiane de 19 μm (limon moyen). D’après ces résultats, on peut dire que ces sédiments représentent la combinaison d’une suspension graduée sans roulement avec des sédiments issus de la décantation. Il est probable que pendant les grandes crues ce paléo-chenal est réactivé et que le flux d’eau apporte les sédiments les plus grossiers. Au moment de la décrue, le flux d’eau cesse dans ce chenal et l’eau qui y stagne dépose sa charge par décantation, ce qui peut expliquer la médiane très basse de l’échantillon I6.

Sur le niveau topographique où ont été pris les échantillons I3, I4 et I5, on observe que l’échantillon I4 présente une médiane de 26 μm (limon moyen), un peu plus élevée que celle des échantillons I3 et I5. Ceci montre que l’échantillon I4 possède moins de matériaux fins, probablement en raison de sa position à mi-chemin entre le chenal de l’Ivaí et le paléo-chenal. Les échantillons I3 et I5, le premier proche du chenal et le deuxième proche du paléo-chenal, sont très semblables entre eux. Il est probable que tous les deux représentent des dépôts de suspension graduée mal triés ou enrichis par les sédiments fins pendant la décrue.

A Tereza Cristina, le profil qui a fait l’objet de prélèvements sur la rive droite de l’Ivaí, dans une section qui est celle de la station de mesures hydrométriques, montre l’existence de deux niveaux topographiques distincts (Figure 77). Le premier niveau se trouve à 5 mètres au-dessus des eaux moyennes et il est directement posé sur les schistes de la Formation Passa Dois. Le deuxième niveau, formé par une couche de cailloux posée aussi directement sur les schistes, se trouve à environ 12 mètres au-dessus du niveau des eaux moyennes. Le contact entre cette surface et les versants est recouvert par une couche d’alluvions rougeâtres. En raison de l’interférence anthropique sur la section de la station hydrométrique, seule la collecte d’échantillons de fond a été faite à cet endroit, tandis que les autres échantillons ont été collectés dans une autre section placée environ 200 mètres en amont.

Sur la deuxième section échantillonnée, on observe l’existence de trois niveaux topographiques. Les deux premiers niveaux se trouvent respectivement environ à 4 mètres et à 9 mètres au-dessus du niveau des eaux moyennes. Le troisième niveau, environ 17 mètres au-dessus du niveau des eaux moyennes, porte quelques maisons qui appartiennent aussi au village de Tereza Cristina. Sur cette surface, on retrouve quelques galets roulés. Dans cette section, 4 échantillons ont été prélevés au long d’un profil.

A partir des images CM de tous les échantillons de la section, on voit que l’échantillon TC1 se trouve à la transition entre les sédiments transportés par suspension graduée et roulement et les sédiments transportés au fond seulement par roulement. L’échantillon TC3, prissur le deuxième niveau topographique, est proche du segment des sédiments transportés par suspension graduée avec des grains roulés. Un enrichissement en matériaux fins fait que cet échantillon est placé un peu plus à gauche dans le graphe. Les autres échantillons semblent être issus aussi de la suspension graduée, mais en raison de leur position du coté gauche du diagramme, on peut conclure qu’ils présentent un mauvais tri et que l’enrichissement en matériaux fins pendant la décrue est plus important. L’échantillon TC4 est placé très près du segment qui correspond à la suspension uniforme.

Figure 78. Profils de terrain et image CM de la section en travers de Cândido de Abreu.

Dans le secteur du pont qui relie les villes de Cândido de Abreu et Manoel Ribas, deux profils ont fait l’objet de prélèvements (Figure 78). Le premier profil est localisé sur la rive droite de l’Ivaí, en partant de la route en direction de l’Ivaí, en traversant par une ferme. Le deuxième profil est perpendiculaire au premier, en partant de l’Ivaí en direction de la maison de la ferme. Sur ce profil, 4 échantillons ont été collectés.

Sur les images CM , on observe que les échantillons CA2 et CA4 se trouvent dans le segment des sédiments issus de la suspension graduée, l’échantillon CA4 est caractérisé par une petite contribution des grains de sable transportés par roulement au fond du lit.

L’échantillon CA1, collecté dans le chenal de l’Ivaí, présente une médiane autour de 9 μm (limon fin), tandis que la valeur de C est autour de 806 μm (sable grossier). On peut en déduire que l’échantillon possède un pourcentage important de matériel fin, ce qui réduit la médiane. Par contre, la valeur de C montre que la rivière possède une compétence suffisante pour le transport de sable grossier. Il est probable que cet échantillon représente le mélange d’une fraction grossière issue du roulement des particules en crue et d’une importante fraction fine déposée à la décrue dans le lit mineur. L’échantillon CA3 présente une valeur de C importante, autour de 600 μm (sable grossier), mais la médiane est très basse, autour de 8 μm (limon très fin). Ceci montre que pendant la crue la turbulence est très forte, et elle fait monter les grains issus du roulement jusqu’à ce niveau topographique. Pendant la décrue, la réduction de la vitesse de flux mène à la décantation, ce qu’enrichit beaucoup le dépôt en matériel fin. On voit aussi que, malgré les forte crues, la turbulence n’est pas assez puissante pour faire remonter une même quantité de la charge de fond jusqu’au niveau le plus élevé, où a été collecté l’échantillon CA4.

Figure 79. Profils de terrain et image CM de la section en travers d’Ubá do Sul.

Dans le secteur d’Ubá do Sul, un profil a fait l’objet de prélèvements sur la rive gauche de l’Ivaí (Figure 79). Ce profil commence au bord de la rivière, remonte la levée naturelle et se termine dans une partie plus basse, probablement un paléo-chenal. Au long de ce profil, six échantillons ont été collectés.

A partir des images CM on peut voir que, sauf pour l’échantillon US1, tous les échantillons se trouvent dans la partie du diagramme qui correspond à la suspension graduée. L’échantillon US6 a été pris dans une dépression qui correspond à un probable paléo-chenal. La position de l’échantillon sur l’image CM correspond aux sédiments issus de la suspension graduée, mais avec une petite contribution des grains issus du transport par roulement. D’après ces résultats, on peut estimer que ce paléo-chenal est réactivé pendant les grandes crues. La forte turbulence fait s’y déposer le sable grossier, suivi par les matériaux issus de la suspension graduée. A la décrue, la réduction de la vitesse du flux fait que la charge issue de la suspension uniforme s’y dépose, ce qui apporte des matériaux fins au dépôt.

L’échantillon US4, collecté sur la levée naturelle, présente une valeur de C de 507 μm (sable grossier), valeur semblable à celle observée pour l’échantillon US6, mais la médiane de l’échantillon US4 est de seulement 53 μm (limon grossier). On voit que la turbulence des crues arrive à faire remonter par roulement le matériel grossier de fond jusqu’au sommet de la levée naturelle. Comme dans le paléo-chenal, la décrue apporte aussi des matériaux fins, mais sur les secteurs de berges les plus proches de l’Ivaí l’enrichissement des dépôts en matériaux fins est plus important que dans le chenal réactivé.

Les échantillons US2, US3 et US5 représentent des dépôts typiquement issus de la suspension graduée pris sur les berges proches de l’Ivaí et dans le paléo-chenal, avec du sable moyen et fin mélangé à des matériaux fins.

L’échantillon US1est particulièrement intéressant car il correspond à une laisse de crue prise au bord de la rivière peu après la descente des eaux. Les résultats de l’analyse granulométrique montrent que cet échantillon présente une médiane d’environ 6,5 μm (limon très fin), et la valeur de C est de 93 μm (sable très fin). Sur la base de ces résultats, on peut conclure que le matériel laissé par l’Ivaí pendant la descente des crues est très fin, issu de la suspension uniforme. Il est remarquable qu’il se dépose dans le chenal même.

Figure 80. Profils de terrain et image CM de la section en travers de São Pedro.

Dans le secteur du pont reliant les villes de São João do Ivaí et São Pedro do Ivaí, un profil a été prélevé sur la rive droite (Figure 80). Le profil commence sur le bord du chenal, traverse la levée naturelle et arrive sur une partie plus basse juste derrière la levée. Sur ce profil, 6 échantillons ont été pris verticalement, et 4 échantillons ont été pris horizontalement.

Sur l’image CM, on peut voir que les échantillons SP1, SPA, SPC, SPE et SPF sont disposés dans le segment des sédiments issus de la suspension graduée provoquée par la turbulence des crues. La proximité avec la droite C=M montre que ces échantillons sont bien triés. Les échantillons SPC, SPE et SPF, dans la partie inférieure de cet ensemble de points,sont à la transition entre la suspension graduée et la suspension uniforme.

Les échantillons SPD et SPB, ainsi que les échantillons SP2 et SP3 sont le résultat de la combinaison de deux processus : pour le premier, il s’agit d’une suspension graduée grossière avec quelques grains roulés, et pour le deuxième d’une décantation à la décrue, quand il n’y a plus de turbulence. La synthèse des résultats des échantillons pris sur la levée montre que la combinaison de la suspension graduée avec la décantation postérieure a lieu sur toute l’étendue de la levée, avec une augmentation progressive des quantités de matériaux fins au fur et à mesure qu’on s’éloigne du chenal. L’échantillon SP3 a été pris dans la partie la plus basse, à la base de la levée naturelle, et la médiane très basse montre que la participation des matériaux fins devient plus importante, du fait d’une forte décantation en décrue.

L’échantillon SP4 possède une médiane de 6 μm (limon très fin) et une valeur de C de 87 μm (sable très fin). D’après ces résultats, on peut dire que cet échantillon représente un dépôt pur de décantation des sédiments issus de la suspension uniforme.

D’après l’ensemble des résultats, on observe une intercalation de couches plus sableuses avec des couches de matériaux plus fins. Ces couches plus sableuses ont été déposées probablement pendant le maximum des épisodes de crues, quand la forte turbulence arrive à faire remonter les matériaux les plus grossiers, tandis que les couches plus fines ont été déposées pendant la descente des eaux, lorsque la turbulence se réduit (ou cesse) et l’Ivaí subit une réduction de sa compétence, en déposant seulement les sédiments issus de la suspension uniforme.

Figure 81. Profils de terrain et image CM de la section en travers de Porto Paraíso do Norte.

Dans la section de Porto Paraíso do Norte un profil a été prélevé sur la rive gauche (Figure 81) et, sur ce profil, 5 échantillons ont été collectés. Sur la levée naturelle, une coupe verticale a été faite, et 3 échantillons ont été pris à différentes profondeurs.

D’après l’image CM, on peut observer que les sédiments collectés sur cette section sont distribués en trois groupes, en fonction de leurs caractéristiques et des processus de dépôt. Les échantillons PPN5A, PPN5B et PPN5C se trouvent dans le segment des sédiments transportés en suspension graduée. La médiane basse montre que l’échantillon PPN5B se trouve à la transition entre la suspension graduée et la suspension uniforme. Il est probable que cette couche représente la fin d’un événement de crue, quand les eaux commencent à reculer, en laissant sur la levée les matériaux fins originellement en suspension.

Les échantillons PPN1, PPN2, PPN3 et PPN4 forment un ensemble de points dont la valeur de C est toujours au-dessus de 650 μm (sable grossier), mais avec une médiane qui se réduit progressivement au fur et à mesure qu’on s’éloigne du chenal de l’Ivaí. On peut conclure que ces sédiments représentent des sédiments transportés par suspension graduée avec des grains grossiers roulés, enrichis en matériaux fins au moment de la décrue. Le gradient granulométrique qui existe entre les échantillons PPN4 et PPN1 est le résultat du blocage des sédiments les plus grossiers, dû au frottement des eaux dans l’herbe qui recouvre la levée.

L’échantillon PPN6, qui apparaît dans la partie inférieure gauche de l’image CM, correspond à une laisse de crue prise au bord de l’Ivaí peu après la descente des eaux. La médiane est d’environ 5 μm (limon très fin) et la valeur de C est d’environ 102 μm (sable très fin). Comme dans les autres sections, l’Ivaí dépose une partie de la charge en suspension sur les berges pendant la phase de décrue, ce qui explique les caractéristiques observées dans cet échantillon.

De l’ensemble des résultats, on peut conclure que la levée naturelle est formée majoritairement par des couches sableuses issues de suspension graduée, intercalées avec de couches de matériel plus fin décanté à la fin des crues. Dans la partie de la levée naturelle qui fait face au chenal, la forte turbulence amène par roulement des matériaux sableux plus grossiers mélangés avec les sédiments issus de la suspension graduée. Ces matériaux plus grossiers sont plus abondants juste après le sommet de la levée, et ils deviennent plus rares en direction de la base de la levée. Comme il a été observé dans les sections précédentes, à la fin des crues la décantation donne un enrichissement des dépôts de crue en matériaux fins.

Figure 82. Profils de terrain et image CM de la section en travers de Tapira Jusante.

Dans la section de Tapira, on observe le développement d’une plaine alluviale sur la rive droite de l’Ivaí. Sur cette plaine, un long profil a fait l’objet de 8 prélèvements (Figure 82).

Sur l’image CM, on voit que les échantillons T3-2, T3-3 et T3-4 se trouvent dans le segment des sédiments issus de la suspension graduée, tandis que l’échantillon T1A se trouve dans le segment des sédiments issus de la suspension uniforme. Les autres échantillons, T1B, T3-1 et T3-5 se trouvent à la limite de la suspension uniforme, probablement avec une contribution des sédiments plus fins issus de la suspension graduée.

L’ensemble des échantillons T3-1, T3-2, T3-3, T3-4 et T3-5 montre que la levée naturelle est formée par des couches de sédiments sableux issus de la suspension graduée, avec un diamètre maximal des grains voisin de 400 μm (sable moyen) ; les sables sont mélangés avec des sédiments plus fins issus de la suspension uniforme, comme la laisse de crue T3-1 prise au bord de l’eau.

Sur la plaine alluviale, où ont été pris les échantillons T1A et T1B, les sédiments sont majoritairement très fins, avec un gradient des sables entre l’échantillon T1B et l’échantillon T1A. Il est probable que ces deux couches sont issues d’une suspension graduée, avec une réduction récente de la turbulence, ce qui a limité la présence des matériaux sableux dans la couche superficielle. On croît que, pendant l’Holocène, le chenal de l’Ivaí était placé plus près de cet endroit où les échantillons T1A et T1B ont été pris. Les flux turbulents des crues touchaient cette partie de la plaine, en laissant des matériaux fins mélangés avec du sable. Après la migration du chenal de l’Ivaí au profit de sa position actuelle, les flux turbulents des grandes crues n’ont plus touché cette partie de la plaine, et l’eau qu’y arrive possède la compétence pour transporter seulement les matériaux les plus fins, comme le limon et l’argile.

L’échantillon T2 a été prélevé sur une surface un peu plus élevée dans la plaine. Cet échantillon présente du matériel fin mélangé avec du sable. La forte valeur de C montre que le dépôt a été formé sous des conditions d’énergie plus hautes qu’actuellement. En raison de la morphologie du dépôt, de sa position dans la plaine et de ses caractéristiques granulométriques, semblables à celles retrouvées au bord du chenal, on peut estimer qu’il s’agit d’une ancienne levée naturelle de l’Ivaí.

Figure 83. Profils de terrain et image CM de la section en travers de Porto Jundiá.

Dans la section du bac de Porto Jundiá, située environ 20 km en amont de la confluence de l’Ivaí et du Paraná, 15 échantillons ont été prélevés (Figure 83).

Sur l’image CM, on voit que la plupart des échantillons sont composés de sédiments issus de la suspension graduée, avec une contribution des grains grossiers ou fins.

Comme dans les cas précédents, la levée naturelle est formée principalement par des sédiments sableux issus de la suspension graduée, avec un diamètre de grain maximal autour de 400 μm (sable moyen). Une exception doit être faite pour la couche où a été prélevé l’échantillon J2-D, qui présente une valeur C de 1545 μm (sable très grossier) ; ce sont des sédiments issus du transport de fond par roulement. La partie superficielle de la levée est formée par des sédiments issus de suspension graduée et enrichis en matériaux fins par la décantation de fin de crue.

En surface, on observe que sur la partie de la levée opposée au chenal, prédominent les sédiments issus de la suspension graduée. On observe aussi l’existence d’un gradient granulométrique entre l’échantillon J3-1, au sommet de la levée, et l’échantillon J3-7, à la base de la levée et au bord d’un paléo-chenal. Ce gradient est le résultat de la diminution de la compétence de l’Ivaí en raison de l’augmentation de la distance au chenal. La rivière arrive à transporter les matériaux fins très loin, mais n’arrive pas à faire de même avec les matériaux grossiers, qui sont piégés par la végétation.

L’échantillon J3-2 montre un enrichissement en matériaux fins semblable à ce qui a déjà été observé dans la couche superficielle de la levée. Les échantillons J3-6 et J3-7 sont fortement enrichis en matériaux fins issus de la suspension uniforme en raison de la décantation de l’eau des crues qui reste bloquée derrière la levée.

L’échantillon J3-8 a été prélevé dans un secteur plus élevé du terrain, qu’on a considéré comme en étant probablement une levée naturelle ancienne de l’Ivaí. Les résultats des analyses granulométriques montrent que cet échantillon présente une médiane de 180 μm (sable fin), avec une valeur de C à 515 μm (sable grossier). Le dépôt est riche en matériaux sableux transportés par suspension graduée, et la valeur de C montre qu’il y a des matériaux bien plus grossiers que dans les échantillons précédents, probablement issus du transport de fond par roulement. On peut dire que cette surface plus élevée est une ancienne levée naturelle de l’Ivaí.