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Le lac de Villegusien, ou réservoir de la Vingeanne, crée à la fin du 19° siècle, fait partie des quatre retenues artificielles des environs de Langres destinées à assurer la navigabilité du canal de la Marne à la Saône. Situé à 300 mètres d'altitude et couvrant une superficie de 197 hectares, ses eaux eutrophes, riches en substances minérales alimentaires, occupent le fond d'une large dépression au pied du Plateau de Langres. Ce biotope est caractérisé par une dynamique de type fluvial : le niveau d'eau, très variable selon les moments de l'année en fonction des besoins en eau du canal, est très bas en fin d'été et en automne. Ces conditions particulières favorisent une végétation spéciale dont l'agencement est essentiellement déterminé par le gradient d'humidité : végétation flottante à potamots et à lentilles caractéristique des baies du lac, ceintures internes (glycériaies, roselières), ceintures externes (magnocariçaies à laîche gracile, laîche des rivages et laîche à deux épis, association à baldingère, etc.), végétation herbacée des berges, soumise à l'inondation hivernale et au tassement du sol en été, végétation à grandes herbes nitrophiles, végétation annuelle sur vase exondée (Nanocyperion et Bidention), saulaie alluviale à saule pourpre, saulaie marécageuse et une ormaie-frênaie fortement artificialisée. La digue du réservoir bénéficiant d'un fort ensoleillement grâce à son exposition sud, porte une friche apparentée aux pelouses sèches de la région où croît la très rare aspérule faux-gaillet, inscrite sur la liste rouge des végétaux de Champagne-Ardenne.
De nombreuses espèces végétales peu courantes à très rares pour la région se rencontrent ici, en particulier la germandrée des marais (protégée en Champagne-Ardenne), le chrysanthème des marais (espèce balcanique curieusement présente dans la roselière de Villegusien), le crypsis faux-vulpin (très rare espèce annuelle des grèves, située ici à sa limite de répartition vers le nord), le potamot de Ziz, la nielle des blés et la limoselle aquatique tous quatre inscrits sur la liste rouge des plantes de Champagne-Ardenne.
L'entomofaune, et plus particulièrement les libellules, est riche et variée. Près de 40 espèces ont été répertoriées une quinzaine inscrites sur la liste rouge régionale et une protégée sur le plan national : l'agrion de Mercure (protection depuis 1993), rencontré au niveau du principal ruisseau du résevoir, inscrit sur la liste rouge nationale des Odonates en tant qu'espèce en danger (en voie de disparition dans le nord de la France), dans la directive Habitats et la convention de Berne, la grande Aeschne, la cordulie à deux taches, grande espèce très spectaculaire, l'Aeschne printanière, différents petits agrions, la libellule fauve, le gomphe vulgaire, le sympetrum méridional, la cordulie métallique, etc.
Le réservoir apparaît comme le site le plus favorable à l'avifaune aquatique (locale et migratrice) du département de la Haute-Marne (mis à part le réservoir du Der-Chantecoq situé pour la plus grande partie de sa superficie dans le département de la Marne). La configuration du lac, situé dans le prolongement de la vallée de la Marne et largement ouvert sur la plaine, le rend très attractif pour les oiseaux (près de 150 espèces y ont été recensées jusqu'à ce jour). La végétation suffisamment dense et la relative tranquillité de certaines anses offrent un milieu très favorable à la reproduction des oiseaux : les grandes vasières découvertes à l'automne sont des zones privilégiées pour la recherche de nourriture et le repos. L'importance du site pour toute la région (dans un rayon de 100 km) a fait qu'il a été classé dès 1967 parmi les milieux naturels à protéger comme biotope remarquable pour la migration (passages et stationnement) de l'avifaune aquatique ainsi que pour sa nidification. On y remarque de nombreuses espèces de limicoles attirées par les vases exondées en septembre-octobre. Avec l'automne arrivent des centaines de canards (avec le canard pilet, rare mais quasi-annuel, la sarcelle d'été, régulière mais en très petit nombre, faisant partie de la liste française des oiseaux en danger de disparition sur le territoire, inscrits dans la convention de Berne et dans la directive Oiseaux, la sarcelle d'hiver inscrite sur la liste rouge française des oiseaux dans la catégorie "espèces rares" ) dont une partie hivernera (canards souchet et colvert, fuligules, etc.). Villegusien est le troisième site en importance (derrière les lacs de Champagne humide) pour le grèbe huppé et pour le chevalier guignette (inscrit sur la liste rouge des espèces rares en France). Les bécasseaux et bécassines (dont la rare bécassine des marais, inscrite sur la liste rouge française des oiseaux en danger, dans la convention de Berne et la directive Oiseaux) fréquentent en petit nombre les vasières. D'une façon générale, le lac de Villegusien est un site très important pour les petits échassiers au niveau de la Champagne et de certains départements limitrophes (compte-tenu de sa superficie et de sa localisation géographique) bien qu'il soit manifestement sous-exploité par les oiseaux en transit du fait d'une importante pression de dérangement (promeneurs, pècheurs, chiens) considérablement aggravée par le facteur d'insécurité entretenu par la chasse. De nombreux rapaces s'y rencontrent ou nichent à proximité (bondrée apivore, milans, éperviers, buses, etc.). Les roselières dissimulent la nidification de très nombreux passereaux. Ainsi le site abrite pour la nidification, la reproduction, lors des migrations ou des hivernages, 45 espèces d'oiseaux inscrits sur les listes rouges nationale et/ ou régionale.
Enfin le réservoir présente un intérêt piscicole évident et c'est un site touristique en partie aménagé pour les activités de loisirs.
Les limites de la ZNIEFF suivent les limites du réservoir et de certains milieux riverains associés très riches.
