La Loire s’étend sur environ 1 000 kilomètres et son estuaire, qui commence à Nantes, s’étend sur 60 kilomètres. Le lit et les berges de la rivière ont considérablement changé au fil des siècles. À Nantes, la Loire s’est divisée en plusieurs canaux, créant une douzaine d’îles et de cordons sableux. Ils ont facilité la traversée du fleuve, contribuant à la croissance de la ville. La plupart des îles étaient protégées par des digues à l’époque moderne, et elles ont disparu dans les années 1920 et 1930 lorsque les plus petites voies navigables ont été comblées. La Loire à Nantes n’a plus que deux bras, un de part et d’autre de l’île de Nantes.
La rivière est marémotrice dans la ville, et des marées sont observées à environ 30 kilomètres plus à l’est. L’amplitude des marées peut atteindre 6 mètres à Nantes, soit plus qu’à l’embouchure de l’estuaire. C’est le résultat du dragage du XXe siècle pour rendre Nantes accessible par de grands navires ; les marées étaient à l’origine beaucoup plus faibles. Nantes était au point où le courant fluvial et les marées s’annulaient, entraînant l’envasement et la formation des îles d’origine.
La ville est au confluent de deux affluents. L’Erdre se jette dans la Loire depuis sa rive nord, et la Sèvre Nantaise se jette dans la Loire depuis sa rive sud. Ces deux fleuves constituaient initialement des liaisons naturelles avec l’arrière-pays. Lorsque les canaux de la Loire ont été comblés, l’Erdre a été détournée dans le centre de Nantes et sa confluence avec la Loire a été déplacée plus à l’est. L’Erdre comprend l’île de Versailles, devenue jardin japonais dans les années 1980. Il a été créé au XIXe siècle avec le remblai issu de la construction du canal de Nantes à Brest.
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