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Risques naturels : se protéger grâce à la nature

Vue panoramique des vallées de l'Ubaye et Durance et lac de Serre Ponçon © Irstea / A. Guillot

Utiliser les arbres et les plantes pour se protéger des risques naturels, ce n'est ni fictif, ni futuriste. Des méthodes inspirées de l'ingénierie écologique font leur preuve aujourd'hui en France pour lutter contre l’érosion ou la chute des blocs en montagne.

Se prémunir des risques naturels nécessite souvent la construction d’aménagements de génie civil certes efficaces, mais peu compatibles avec la beauté des paysages et l’équilibre des écosystèmes. C’est le cas par exemple des ouvrages pour se protéger des risques en montagne ou encore des digues pour canaliser les rivières en crue. A Irstea, les chercheurs explorent une autre voie qui consiste à valoriser les fonctions protectrices des milieux naturels. Ils utilisent pour cela des concepts d’ingénierie écologique, une approche bénéfique pour la biodiversité, utile pour l’homme, pérenne dans le temps et économique.

Dans la vallée de la Durance, sur le site de La-Motte-du-Caire, l’ingénierie écologique prend la forme d’ouvrages végétaux pour lutter contre l’érosion. En Isère, à Vaujany, ce sont les arbres de la forêt qui servent de remparts naturels contre les chutes de blocs.

Prévention des inondations : l’ingénierie écologique restaure ravines et bassins versants.

Au cours du temps, l’exploitation pour le bois et le pâturage a détruit la végétation sur les versants de la Durance, rivière du sud-est de la France. Sans couverture, les sols sont devenus très sensibles à l’érosion. Sous l’action des pluies, la terre se délite en fragments qui sont emportés vers l’aval. Ces derniers comblent alors les retenues d’eaux et les rivières, aggravant les dégâts des inondations. En 2004, le plan Durance, soutenu par les Ministères en charge de l’Ecologie et de l’Industrie, demande, entre autres, la restauration des terrains érodés. Face à cette nouvelle problématique, les scientifiques d’Irstea sont sollicités. C’est sur le site de La-Motte-du-Caire, près de Sisteron, qu'ils réalisent leurs premières expérimentations en ingénierie écologique. Elles consistent à utiliser la végétation pour filtrer et piéger les matériaux érodés sur les versants et dans le lit des ravines (petits bassins de moins d’un ha).

Ouvrage de génie biologique © Irstea / F. ReyLes ouvrages sont réalisés avec des boutures de saule ou de peuplier installées sur des seuils en bois. Une fois mises en place les boutures peuvent recueillir jusqu’à 20 cm d’épaisseur de sédiments au premier orage ! L’effet de piégeage augmente avec le temps grâce à la reprise des boutures et l’installation d’une végétation colonisatrice à l’amont. Des mesures ont ainsi montré qu’un ouvrage de 2 m2 peut retenir une moyenne de 0,35 m3 de sédiments par an, avec un piégeage augmenté de 10 % chaque année.

Si les résultats obtenus sont concluants à l’échelle des ravines, le sont-ils toujours à plus grande échelle ? Pour le savoir, les ouvrages de génie biologique sont maintenant testés sur des bassins versants allant du km2 à plusieurs dizaines de km2. Au total, près de 2 000 ouvrages ont été construits dans les Alpes-de-Haute-Provence et 200 ravines équipées. Si les attentes des scientifiques se concrétisent, le savoir-faire de construction et d’utilisation de ces ouvrages de génie biologique pourra être transféré aux acteurs des territoires. C’est donc une étape importante avant l’aménagement de l’ensemble du bassin versant de la Durance qui représente environ 40 000 hectares de terrains érodés, soit à peu près 20 000 ravines à aménager.

Des expérimentations à l’échelle de la plante et des communautés

Détail sur une reprise de bouture © Irstea / S. DanieliEn parallèle, les chercheurs ont poursuivi leurs recherches à l’échelle de l’ouvrage. Ils se sont alors intéressés aux plantes colonisatrices qui s’installent à l’amont de la barrière végétale. Leur objectif ? En savoir plus sur les qualités de ces nouvelles communautés végétales pour se maintenir et piéger les sédiments au cours du temps.

Une douzaine d’espèces ont ainsi été testées via leurs traits fonctionnels morphologiques, afin d’établir la performance de leurs feuillage et de leurs racines pour :

  •     La résistance au déracinement
  •     La résistance à l’ensevelissement
  •     L’efficacité du piégeage des sédiments
  •     L’efficacité de la fixation des sédiments

Des notes de performance ont été attribuées pour chacune des espèces pour tous les processus, déterminant ainsi une note globale. Deux stratégies sont ensuite possibles pour optimiser les fonctions de protection des ouvrages :

  • Choisir l’espèce qui a la meilleure note globale pour répondre à l’ensemble des processus
  • Choisir la ou les espèces qui ont les meilleures sous-notes pour un processus donné.

Le choix de l’une ou l’autre de ces stratégies sera à adapter en fonction des conditions de terrain. Elles posent néanmoins la question des rapports entre les différentes espèces, conduisant les chercheurs à des expérimentations au niveau des communautés de plantes. Quelles sont leurs dynamiques ? La diversité des espèces est-elle bénéfique ? Concernant cette deuxième question, les chercheurs ont montré que les barrières monospécifiques sont plus efficaces. Attention cependant à l’avenir de la barrière végétale. Si une maladie survient, par exemple, toutes les plantes meurent et le terrain n’est plus du tout protégé.

Aujourd’hui, les recherches se poursuivent à l’échelle des méta-communautés, c’est-à-dire que les chercheurs testent les interactions des communautés entre elles. Cette étape permettra de mieux comprendre la dynamique des flux de sédiments d’une ravine à l’autre. Avec en ligne de mire, l’objectif de suivre ces flux dans le temps, à l’échelle du grand bassin de la Durance.
 

Prévention des chutes de blocs : l’ingénierie écologique s’appuie sur les forêts

Chaque année, en montagne, des rochers se détachent des falaises, causant des dégâts matériels et parfois des morts dans les vallées. Au centre Irstea de Grenoble, des études en ingénierie écologique sont mises en place pour étudier et optimiser le rôle protecteur des forêts vis à vis de cet aléa. Quoi de mieux pour étudier l'effet pare-bloc des arbres que de mener des essais en grandeur réelle en jetant de vrais rochers sur un versant boisé ? Depuis 2003, les chercheurs ont la chance de pouvoir réaliser de telles expérimentations sur un site mis à disposition par la commune de Vaujany. Ce site  expérimental est aujourd’hui unique en son genre en Europe !

Bloc arrêté par un épicéa © Irstea / E. MerminLe terrain a été entièrement cartographié ainsi que tous les arbres présents (relevés de terrain, photogrammétrie et scannérisation laser aéroporté – LIDAR). Un ensemble de caméras numériques permet d’analyser la cinématique de la trajectoire des projectiles. Les données expérimentales sont analysées puis utilisée pour construire des modèles de simulations du comportement mécanique des arbres et des trajectographies. D’abord conçus pour prendre en compte l’échelle globale de l’arbre en utilisant des paramètres dendrométriques  des peuplements d’arbres (diamètre, essence, hauteur de l’arbre et hauteur d’impact), la nouvelle génération de modèles en cours de développement sera plus précise et intègrera aussi la biomécanique de chacun des compartiments constitutifs d’un arbre (réaction en fonction du système racinaire, du tronc, du pied de l’arbre).

Les scientifiques travaillent continuellement à l’intégration de nouveaux paramètres. Actuellement, ce sont les différents types de rebonds, par exemple ceux sur les voiries forestières, l’amélioration des effets d’inversion de pentes ou encore le rôle des taillis. Résultat : après une dizaine d’années de recherches, les modèles sont quasiment en mesure de simuler tous les types de forêt !

Trois modèles pour une gestion adaptée du vivant

Depuis 2003, les chercheurs ont développé 3 outils mathématiques de simulation : RockforNET, RollFree et Rockyfor3D (co-développé avec la fondation scientifique Ecorisq) permettant de gérer la forêt et garantir son rôle de protection. Ainsi par exemple, RockforNET estime en moins d’une seconde le pourcentage de projectiles qui traverserait une bande boisée alors que Rockyfor3D évalue avec précision la capacité de protection d’une forêt et l’impact de la sylviculture.

Aujourd’hui, gestionnaires et bureaux d’études disposent d’outils robustes et fiables pour mieux caractériser la protection offerte par leurs écosystèmes forestiers :

  •     Quel niveau de protection permettent-ils ?
  •     Ce niveau est-il suffisant ? Si oui, comment le pérenniser, si non, quelles interventions de génie civil réaliser en complément du génie biologique ?
  •     Quels sont les effets négatifs des forêts ?

Par exemple, les scientifiques ont montré que les produits de coupe et le bois mort (les rémanents) volontairement laissés sur le terrain peuvent retenir les blocs mais qu’il ne faut ni les couper, ni les disposer n’importe comment, sous peine d’aggraver les phénomènes. Dans une forêt à fonction de protection avérée, il est judicieux de couper et disposer ces rémanents en travers de la pente. En plus de freiner et bloquer les blocs, ces derniers favorisent la biodiversité grâce aux souches qui fertilisent le sol en se décomposant. En effet, le bois étant un matériel organique, sa décomposition va favoriser le développement de la faune saproxylique tout en offrant aux espèces végétales un milieu très fertile.

Le modèle RockforNET est en accès libre via le site de la fondation Ecorisq (une association internationale qui regroupe des professionnels des risques naturels) et le modèle Rockyfor3D est fourni à ses membres et adhérents. Le modèle ROLFREE sera lui bientôt diffusé sur le site d’Ecorisq. Le transfert des outils et des méthodes d'ingénierie écologique pare-pierre est ainsi facilité et contribue à une dynamique d'amélioration continue grâce aux retours d'expérience des utilisateurs.


(*)Technique permettant de déterminer les dimensions et les volumes des objets à partir de mesures effectuées sur des photographies montrant les perspectives de ces objets
(**)Technologie de télédétection ou de mesure optique basée sur l’analyse des propriétés d’un faisceau renvoyé par son émetteur