Le terme de régime hydrologique désigne l’ensemble des variations de l'état (débit mensuel, hauteur d'eau) et des caractéristiques d'un cours d'eau, qui se répètent régulièrement dans le temps et dans l'espace et passent par des variations cycliques, par exemple, saisonnières (définition du Glossaire International d’Hydrologie). Les régimes hydrologiques de base des cours d’eau sont le régime glaciaire, le régime nival et le régime pluvial, appelés ainsi d'après l'origine de l'eau : glace, neige ou pluie.
Régime hydrologique naturel thumb|right|upright=1.0|Débits mensuels de l'Authie sous la forme d'un histogramme
Le paradigme du régime hydrologique naturel est l'approche adéquate pour déterminer l'influence de l'hydrologie sur la structure et le fonctionnement des cours d’eau et des zones humides associéesCarter V., 1996, Wetland hydrology, water quality, and associated functions, in : Fretwell J.D., Williams J.S. et Redman P.J., National water summary on wetland resources, U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 2425, p. 35-48.Poff L. N., Allan J. D., Bain M. B., Karr J. R., Prestegaard K. L., Richter B. D., Sparks R. E. et Stromberg J. C., 1997, The Natural Flow Regime, a paradigm for river conservation and restoration, Bioscience 47(11).. Il s'oppose à l'approche naïve qui consiste à n’accorder d’attention qu’aux seuls débits moyen et extrêmes. L’échec du projet initial de restauration des Everglades a d’ailleurs montré l’importance fondamentale de la variabilité saisonnière et inter-annuelle des débits.
Les débits mensuels à long caractérisent le régime d’écoulement d’une rivière ou d’un fleuve. Au-delà des régimes glacaire, pluvial et nival, ainsi que de leur combinaisons, on peut citer : régime tropical, avec un maximum d’écoulement lié aux précipitations (Sénégal) régime de montagne, avec écoulement des eaux de fonte et de pluie (Tigre) pluies de fin de la mousson (Chao Phraya) type évaporal, lié au régime d’évapotranspiration comme le type océanique (Loire) régime équatorial avec deux périodes de pointe liées aux précipitations (Ogooué) régime complexe, évoluant du type glacaire vers le type océanique (Rhin) fonte des neiges, basses terres (Lena)
La régularité de l’hydrogramme est liée à la taille du cours d’eau, à son régime d’écoulement et aux effets des lacs ou des eaux souterraines. Dans un régime d’écoulement complexe comme celui du Rhin, le débit de pointe peut survenir en différentes saisons. Des régimes simples comme celui de la fonte des neiges (Petchora) ou de la mousson (Nil Bleu ou Bahr el-Azrak) sont plus réguliers. L’influence des lacs est illustrée dans l’exemple de la Finlande.
Spécificité des écosystèmes Les deux principes de base de l’écologie des cours d’eau sont : à chaque rivière sont associés un régime et une biocénose propres, le régime hydrologique naturel conditionne l’évolution des biotopes.
Le premier principe découle de la complexité des milieux naturels. Les cours d’eau sont fondamentalement issus des précipitations, mais le débit en un point et à un moment donné est une combinaison du débit amont, des ruissellements superficiels et hypodermiques ainsi que de la contribution éventuelle des nappes phréatiques. Le climat, la géologie, la topographie, la nature des sols et de la végétation vont influencer le parcours de l’eau, de sorte qu’il est peu probable que deux rivières aient le même hydrogramme. De la particularité du régime hydrologique découle celle des biotopes : l’eau transporte et dépose les matériaux sédimentaires et organiques, créant divers habitats, qui évoluent sans cesse. Des espèces se sont adaptées à la mosaïque de ces habitats, qui leur permet de survivre aux événements extrêmesSparks R. E., 1992, Risks of altering the hydrologic regime of large rivers, in : Cairns J., Niederlehner B.R. et Orvos D.R., Predicting ecosystem risk, Vol XX, pages 119–152, Advances in modern environmental toxicology, Princeton Scientific Publishing Co., Princeton..
thumb|left|280px|Un poisson migrateur : le saumon Coho (Oncorhynchus kisutch)
Du point de vue de l’évolution, le régime hydrologique joue un rôle important dans le succès d’une espèce dans un milieu donné. Il constitue le fondement même du cycle de vie de la biocénose. L’exemple le plus frappant est sans doute le cas des poissons migrateurs, dont la croissance, la reproduction et les déplacements sont liés aux régimes hydrologiques particuliers des fleuves qu’ils fréquentent. Ainsi, les saumons chinois (Oncorhynchus tshwaytsha) sont plus gros en moyenne que ceux du Pacifique, ce qui leur permet de creuser les sédiments de façon à créer une poche d’œufs adaptée aux fleuves chinois, généralement puissants : leur taille décroît cependant dans les fleuves plus calmes. Une même espèce de saumon va donc avoir des caractéristiques totalement différentes d’une rivière à l’autre, tant du point de vue morphologique que comportemental : en Alaska, le saumon coho (Oncorhynchus kisutch) entame sa migration avec les pluies d’automne, en septembre-octobre, tandis que, dans l’Oregon, le début des pluies et le départ de la même espèce sont retardés jusqu’en novembreHealey M. C., 1991, Life history of Chinook salmon, in Pacific salmon life histories, University of British Columbia Press, Vancouver..
thumb|300px|Rue d’Asheville (Caroline du Nord) pendant les inondations de 1916
Le second principe a été démontré empiriquement par l’observation des changements induits par la construction de barrages un peu partout dans le monde. La maîtrise des cours d’eau s’est accompagnée d’une modification des conditions physiques des habitats (entrave au transport des sédiments, écrêtement des crues) et une diminution de la biodiversité. Les poissons migrateurs ont disparu des fleuves aménagés pour la navigation comme le Rhône, en FranceBunn S. E. et Arthington A. H., 2002, Basic Principles and Ecological Consequences of Altered Flow Regimes for Aquatic Biodiversity, Environmental Management 29 : 266–278.. La suppression d’une part importante de la variabilité hydrologique a fait perdre leur avantage à certaines espèces, qui ont été remplacées par des espèces indigènes devenues dominantes, ou par des envahisseurs, comme les jussies dans l’Hérault. Le régime hydrologique influence également la distribution et l’abondance des individusPoff N. L. et Allan J. D., 1995, Functional organization of stream fish assemblages in relation to hydrological variability, Ecology 76: 606–627.. La disponibilité de la nourriture (débris végétaux) comme la dispersion des semences sont en effet limitées par leur transport. D’autre part, certains habitats ne subsistent que grâce à la variabilité hydrologique : les gravières, par exemple, que les crues préservent du colmatage par la fraction fine des sédimentsBeschta R.L. et Jackson W.L., 1979, The intrusion of fine sediments into a stable gravel bed, Journal of the Fisheries Research Board of Canada 36: 207–210.. Enfin, les inondations maintiennent les nappes adjacentes et la teneur en eau des sols au niveau nécessaire à la germination et à la croissance de certains végétaux : les saules et les peupliers, par exemple, ont besoin de garder leurs racines dans un sol saturé d’eau, en particulier les jeunes plants. C’est pourquoi on trouve souvent des groupes d’arbres de même âge dans les parties les plus élevées du lit majeur : seuls les arbres dont la croissance a eu lieu pendant une année de grande crue ont pu survivreBradley C.E. et D.G. Smith, 1986, Plains cottonwood recruitment and survival on a prairie meandering river floodplain, Milk River, southern Alberta and northern Montana, Canadian Journal of Botany 64:1433-1442..
Altérations anthropiques du régime hydrologique
Les modifications du régime hydrologique affectent l’équilibre entre le mouvement de l’eau et celui des sédiments. L’établissement d’un nouvel équilibre dynamique du lit du cours d’eau et de sa plaine d’inondation est un processus lent, qui peut durer des dizaines voire des centaines d’années. Dans certains cas, il n’est même jamais atteint et l’écosystème reste dans un état de « convalescence » perpétuelleWolman M. G. et Gerson R., 1978, Relative scales of time and effectiveness of climate in watershed geomorphology, Earth Surface Processes and Landforms 3: 189–208.. Les exemples extrêmes de rivières ayant virtuellement perdu toutes leurs fonctions naturelles sont de plus en plus nombreux (Colorado, Gange, Fleuve Jaune…) thumb|300px|Le chantier du gigantesque barrage des Trois Gorges, en Chine (été 2002)
Les altérations anthropiques directes du régime naturel sont essentiellement dues aux excès de pompage dans les rivières, pour l’agriculture ou l’adduction d'eau, au drainage des zones humides et à la construction de barrages destinés à la prévention des crues, à l’irrigation, à la production d’électricité, à la navigation et aux loisirs. Les conséquences de ces aménagements sont variables : si les effets sont négligeables en dessous d’un seuil de perturbation spécifique à chaque rivièreRichter B.D., Mathews R., Harrison D.L. et Wigington R., 2003, Ecologically sustainable water management: managing river flows for ecological integrity, Ecological Applications 13:206-224., ils peuvent être dramatiques au-delà, notamment pour les poissons et invertébrés dont œufs et larves dépendent étroitement de la sédimentation. La perturbation due au barrage est à la fois une perturbation globale, qui affecte tout l’aval du cours d’eau, et locale : les variations de débit à court terme au niveau des centrales hydro-électriques sont sans équivalent dans la nature et représente donc un stress particulièrement violent pour les écosystèmesPetts G. E., 1984, Impounded rivers: perspectives for ecological management, John Wiley & Sons, New York..
La capture des crues peut entraîner l’isolement de certains habitats : on parle de perte de connectivité. Les plaines inondables servent de refuge à certaines espèces, qui s’en trouvent alors privées. Différents modèles ont montré que la productivité piscicole d’un cours d’eau est directement liée aux surfaces minima et maxima des zones humidesFinger T. R. et Stewart E. M., 1987, Response of fishes to flooding in lowland hardwood wetlands, in : Matthews W.J. et Heins D.C., Community and evolutionary ecology of North American stream fishes, p. 86–92, University of Oklahoma Press, Norman.Ross S. T. et Baker J. A., 1983, The response of fishes to periodic spring floods in a southeastern stream, American Midland Naturalist 109: 1–14.. Les digues et autres levées de terre aggravent la perte de connectivité latérale et ont souvent pour effet de modifier la profondeur du lit et la vitesse des courants.
Réponse de l’écosystème aux altérations du régime hydrologique
La réponse écologique est spécifique à chaque cours d’eau. Une même activité humaine peut avoir, en deux endroits distincts, des conséquences écologiques ou des ampleurs différentesPoff N. L. et Ward J.V., 1990, The physical habitat template of lotic systems : recovery in the context of historical pattern of spatio-temporal heterogeneity, Environmental Management 14: 629–646.. L’impact de l’altération va dépendre de son emprise sur le cours d’eau : certaines zones peuvent être moins affectées que d’autres et servir de refuge aux espèces indigènes face aux envahisseurs. L’altération influe aussi bien sur le cours d’eau proprement dit que sur la ripisylve. La disparition d’une espèce ou d’un habitat peut susciter une cascade de conséquences par le jeu des interdépendances et des réseaux trophiques, ce qui explique la brutalité des réponses écologiques au-delà des seuils d’altération du régime hydrologique tolérés par les écosystèmes.