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Le bassin versant du Rhône alpin couvre une surface de 5244 km2, du glacier du Rhône (compris entre 3600 m et 2208 m) au lac Léman (372 m). Actuellement, le Rhône prend sa source dans un lac formé au front du glacier et barré par un verrou glaciaire. Du glacier au Léman, le Rhône parcourt 164 km, pour une pente moyenne de 0.89%, avec de grosses variations selon les secteurs. Le bassin versant a une altitude moyenne de 2127 m.
Plusieurs stations hydrométriques existent le long du Rhône. La plus ancienne est celle de la Porte-du-Scex, à proximité de l’embouchure dans le Léman, où les niveaux d’eau sont observés depuis 1863 et un limnigraphe a été installé en 1891. En 2015, 16 stations hydrométriques étaient en service dans le bassin du Rhône alpin, sept sur le Rhône et neuf sur des affluents. Les données sont publiées par l’Office fédéral de l’environnement dans l’Annuaire hydrologique de la Suisse.
Le régime hydrologique naturel du Rhône est de type glacio-nival (à l’amont) à nivo-glaciaire (à l’aval) ; il est caractérisé par des débits importants en été et des débits faibles en hiver. Le débit annuel moyen à la Porte-du-Scex est de 180 m3/s (période 1905-2018). Le débit moyen estival et hivernal est respectivement de 263 m3/s et 97 m3/s. La mise en service des grands aménagements hydroélectriques (Grande Dixence, Mauvoisin) à la fin des années 1950 a sensiblement modifié la répartition annuelle des débits. A la Porte-du-Scex, le débit hivernal moyen était ainsi de 72 m3/s avant 1958 et de 120 m3/s après cette date. Cette augmentation des écoulements hivernaux est encore renforcée par le réchauffement actuel du climat (moins de précipitations sous forme de neige). Le volume stocké dans les lacs de barrage est évalué à 1195 milliions de m3, ce qui correspond à 21% des écoulements annuels à la Porte-du-Scex.
Le débit journalier maximal mesuré à la Porte-du-Scex est de 1363 m3/s le 15 octobre 2000. Pour comparaison, à Baucaire, près de l’embouchure du Rhône dans la Méditerranée, le débit annuel moyen est de 1700 m3/s et le débit maximal enregistré a été de 11 500 m3/s le 4 décembre 2003.
Le bassin versant du Rhône présente un taux d’englacement élevé de 11% et compte parmi les plus grands glaciers des Alpes (Grosser Aletschgletscher, Fieschergletscher, Gorner, Corbassière). Le glacier du Rhône couvrait en 2018 une surface de 15.6 km2, entre 3600 m et 2208 m). Il a perdu 1650 m de longueur entre 1856 et 2018.
Le Rhône joue un rôlegéomorphologique important. Durant les glaciations du Quaternaire, les glaciers ont surcreusé la vallée en une série de cuvettes séparées par des verrous, dont certains ont été recouverts par les dépôts successifs et d’autres sont encore visibles (verrou de St-Maurice). Après le dernier maximum glaciaire, il y a 22 500 ans, qui a vu le glacier du Rhône atteindre les régions de Soleure et au-delà de Genève, la fonte des glaces a provoqué un remplissage de la vallée (plus de 800 mètres à Martigny par exemple) par des sédiments glacio-lacustres, fluvio-glaciaires et alluviaux. Des mouvements de versant, par décompression glaciaire, ont également encombré le fond de la vallée, dans la région de Sierre notamment. Les affluents ont construit de multiples cônes de déjection, dont certains (Illgraben, Losentse, St-Barthélémy) ont fortement contraint la trajectoire du Rhône. Une grande partie des sédiments transportés par le Rhône ont contribué à combler partiellement la dépression du Léman dans le Chablais. Le tracé naturel du Rhône, avant les corrections, alternait des secteurs tressés et des méandres. Les seuls secteurs encore plus ou moins naturels sont la plaine alluviale de Gletsch, le secteur en tresses de Finges, et le delta du Rhône aux Grangettes.
