Effect of Macrophytes on Flow Conditions and Deposition of Suspended Particles in Small Streams: an Experimental Study Using Artificial Vegetation Impact des macrophytes sur les conditions d’écoulement et sur la sédimentation des particules en suspension dans les petits cours d’eau : une étude expérimentale utilisant de la végétation artificielle

Abstract

Aquatic macrophytes are often the dominant element that influences flow conditions within streams, and are often considered as ecosystem engineers that modify their aquatic environment as a result of their physical structure and metabolic activity. The role of aquatic macrophytes on suspended matter sedimentation was studied in three shallow low-order streams in Brittany (North-western France). Field experiments were carried out in April 2007 using Callitriche-like artificial macrophytes and cylindrical sediment traps dug into the channels. Hydrodynamic characteristics (velocity profile, percentage of velocity decrease and turbulence), volume of trapped sediment, particle size characteristics, and total organic matter content were measured within the macrophytes and compared with the control traps. The aquatic macrophytes operated as sediment traps by modifying the local hydrodynamic parameters. Sedimentation of fine suspended particles within the macrophytes reached maximum values when the velocity was significantly reduced, i.e. when the initial velocity was low (less than 0.5 m∙s^‑1) and the depth shallow enough for the plant to occupy the entire volume of the column water. Conversely, turbulence was generated around the macrophyte stands, which induced the resuspension of fine particles and only coarse particles were trapped. This study shows the importance of threshold values at the local scale and the highly dynamic effect of macrophytes on flow characteristics.

Key Words:

• Hydrodynamics,
• macrophytes,
• sedimentation,
• stream,
• velocity

Résumé

La présence de macrophytes dans le lit d’un cours d’eau est souvent déterminante, car elle influence les conditions d’écoulement. En effet, les macrophytes sont souvent considérés comme des organismes ingénieurs qui modifient l’environnement aquatique par leur structure physique et leur activité métabolique. Le rôle des macrophytes aquatiques sur la sédimentation des matières en suspension a été étudié dans trois petits cours d’eau peu profonds en Bretagne (France). Les expériences de terrain ont été effectuées en avril 2007 en utilisant des macrophytes artificiels ressemblant à Callitriche et des pièges à sédiments cylindriques positionnés dans les cours d’eau. Les caractéristiques hydrodynamiques (profil de vitesse, taux de décroissance de la vitesse, turbulences), le taux de sédimentation, les caractéristiques granulométriques et le contenu en matière organique particulaire des sédiments piégés dans les macrophytes ont été mesurés et comparés aux témoins. Les macrophytes artificiels se sont comportés comme des pièges à sédiments en modifiant localement les paramètres hydrodynamiques. La sédimentation de particules fines dans les macrophytes atteint des valeurs maximales lorsque la vitesse du courant peut être efficacement ralentie, c’est-à-dire lorsque la vitesse initiale est faible (inférieur à 0,5 m∙s^‑1) et la profondeur suffisamment faible pour que la plante occupe tout le volume de la colonne d’eau. Dans le cas contraire, la turbulence générée au voisinage des macrophytes induit une resuspension des particules fines et uniquement les particules grossières sont piégées. Cette étude montre l’importance des valeurs de seuil à l’échelle locale et l’effet très dynamique des macrophytes sur les caractéristiques d’écoulement dans les petits cours d’eau peu profonds.

Mots-clés:

• Hydrodynamisme,
• macrophytes,
• ruisseau,
• sédimentation,
• vitesse