MORPHOLOGIE ET DYNAMIQUE DES LAVES TORRENTIELLES : APPLICATIONS AUX TORRENTS DES TERRES NOIRES DU BASSIN DE BARCELONNETTE (ALPES-DU-SUD)
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MORPHOLOGIE ET DYNAMIQUE
DES LAVES TORRENTIELLES :
APPLICATIONS AUX TORRENTS
DES TERRES NOIRES DU BASSIN
DE BARCELONNETTE (ALPES-DU-SUD)
par Alexandre Remaître
EOST-IPGS,
5 rue René Descartes, 67084 Strasbourg
E-mail : alexandre.remaitre@eost.u-strasbg.fr
1 Concepts et mise en évidence du 1.2 Objectifs de la recherche
problème L’objectif de ma recherche est d’apporter des élé-
1.1 Définition de l’aléa « lave torrentielle » ments de réponses et des pistes de recherches sur
quelques points du phénomène de lave torrentielle
Ce travail de thèse s’intègre dans le cadre des
dans son ensemble, en m’intéressant aux trois
recherches menées sur les aléas naturels, en parti-
phases du phénomène. Le cadre général peut être
culier pour la définition, la connaissance, la prévi-
structuré autour de trois grands objectifs :
sion et l’évaluation de l’aléa géomorphologique
(aléa ‘mouvements de terrain’) en terme d’intensité
1) Définir les particularités des laves torrentielles
et d’occurrence spatiale et temporelle. Les laves
dans le contexte d’un bassin versant marneux, en
torrentielles sont un type particulier de mouvements
terme de morphologie (facteurs de prédisposition,
de terrain, elles désignent un mélange fluide, forte-
mécanismes de déclenchement, de propagation et
ment concentré, d’eau et de particules solides dont
d’étalement), de sédimentologie (identification des
le diamètre s’étend du micron au mètre (concentra-
matériaux sources) et de rhéologie (définition des
tion volumique solide f > 0.50) et qui s’écoule dans
conditions d’écoulements naturels et de mélanges
un chenal torrentiel à des vitesses comprises entre
artificiels de formations superficielles).
1 et 20 m.s-1 survenant dans la plupart des cas
après de longues et/ou fortes pluies. Les volumes
2) Analyser le fonctionnement des laves torren-
concernés par ces écoulements vont de quelques
tielles dans les bassins marneux ‘contrastés’ en croi-
milliers à plusieurs millions de m3 et les distances
sant des observations de terrain et la caractérisation
de transport s’étendent de quelques centaines de
physique des matériaux.
mètres à plusieurs kilomètres. Caractérisées par un
comportement fluide des matériaux, les laves tor-
3) Définir les conditions de stabilité de zones
rentielles constituent un réel danger en raison de
instables pouvant déclencher une lave et tester l’effet
leurs importantes capacités de transport et de sub-
de différentes configurations (apport de matériaux
mersion, de leurs vitesses de propagation élevées
après la phase de déclenchement, influence de la
et de leurs phénoménales forces d’impact. Deux
localisation et du nombre de seuils torrentiels, défini-
grands types de laves torrentielles sont distingués :
tion des volumes minimaux pour le débordement) sur
les laves torrentielles à matrice boueuse, très riches
la propagation et l’étalement des laves, à partir de
en éléments fins (argiles, limons et silts), et les
simulations numériques avec des codes calés sur
laves torrentielles à matrice granulaire, riches en
des événements réels.
éléments sableux et grossiers. Classiquement, trois
grandes phases cinématiques sont distinguées lors
Aux vues de la complexité de ces écoulements
d’une lave torrentielle : les phases de déclenche-
(non stationnarité du milieu physique, échelles spa-
ment, de propagation et d’étalement.
tio-temporelles différentes pour les processus élé-
mentaires, forte hétérogénéité à la fois au sein de
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l’écoulement et dans le milieu naturel affecté, non- les ‘Terres Noires’ à l’échelle d’un bassin de risque
linéarité du système), il semble opportun d’avoir une (le bassin de Barcelonnette) a montré que :
approche transdisciplinaire, s’appuyant à la fois sur
une approche naturaliste (observations), cartogra- - Les torrents du bassin connaissent une forte
phique, expérimentale (in situ et en laboratoire), activité depuis au moins deux siècles selon une suc-
conceptuelle et modélisatrice. C’est dans cet esprit cession de périodes de crise et de calme. Cette acti-
que la recherche proposée a été effectuée, en vité s’est essentiellement concentrée (91% de la
s’appuyant en particulier sur l’étude du torrent de centaine de laves répertoriées) dans les torrents
Faucon et des évènements de type laves torren- situés en adret : Riou-Bourdoux, Sanières, Faucon,
tielles qui s’y sont produits. Bourget et Abeous.
- Les événements de laves torrentielles ont logi-
2 La vallée des torrents : le bassin quement un lien étroit avec la survenance d’orages
de Barcelonnette estivaux violents particulièrement localisés. Pourtant,
Cette thèse a pour cadre général les Alpes du Sud ces épisodes pluvieux ne sont pas forcément d’une
de la France, et plus particulièrement les zones où intensité remarquable par rapport aux normales plu-
affleurent les marnes noires du Callovien-Oxfordien, viométriques, ce qui souligne l’importance des fac-
connues pour leur grande susceptibilité aux mouve- teurs de prédisposition (géomorphologiques, anthro-
ments de terrain. L’activité torrentielle dans cette par- piques, etc.).
tie des Alpes a été très intense au cours des derniers
siècles, les formations marneuses alliées aux forma- - Les torrents à laves ont des facteurs de prédis-
tions superficielles glaciaires et périglaciaires, et aux position en commun : ils présentent des pentes
nappes de charriage, fournissant régulièrement fortes (surtout dans les bassins de réception) pour le
d’importants stocks de matériaux mobilisables par profil en long et les versants contigus, et surtout de
les torrents. Avant 1850, associée à ces facteurs, nombreuses instabilités sont connectées directe-
l’intense activité agro-pastorale (déboisements et ment au chenal torrentiel. Néanmoins, ces analyses
défrichements massifs durant les 18e et 19e siècles) ne permettent pas, à elles seules, de se prononcer
a contribué à faciliter le déclenchement de crues sur la capacité des appareils torrentiels à produire
et/ou de laves torrentielles particulièrement meur- des laves. En effet, deux torrents aux caractéris-
trières et dévastatrices et le développement de puis- tiques analogues (à l’échelle du 1 : 50 000) peuvent
sants appareils torrentiels. présenter une activité différente.
Le bassin de Barcelonnette, situé dans les Alpes- - L’analyse des dépôts de laves de plusieurs tor-
de-Haute-Provence, est un cadre adapté aux objectifs rents a montré que, sur le cône de déjection, ces
de cette recherche, ‘la vallée des torrents’ est le siège dépôts sont tous caractérisés par une part relative-
de nombreux appareils torrentiels actifs (fig. 1). Parmi ment importante de matériaux fins, correspondant
eux, nous avons eu l’opportunité de travailler sur le ainsi à des laves torrentielles boueuses. Leur com-
torrent de Faucon où deux importantes laves torren- position pétrographique fait apparaître des marnes
tielles se sont produites en 1996 et 2003. Le torrent de noires, des calcaires et des flyschs dans des propor-
Faucon est un site particulièrement intéressant pour la tions variables. Le caractère boueux des dépôts est
recherche envisagée : des dimensions suffisantes et fortement lié à l’importance des affleurements de
représentatives (près de 10 km2 de superficie, 6,5 km marnes noires dans le bassin versant concerné. Le
de long), une lithologie variée (marnes noires, cal- comportement de ces laves torrentielles, à gradient
caires, flyschs et formations superficielles), des équi- de cisaillement élevé, est viscoplastique de type
pements de protection torrentielle, et une activité Herschel-Bulkley ou plus rarement de type Bingham.
récente permettant l’observation fine.
3.2 Objectif 2
Pour répondre à cet objectif, une analyse a été
3 Les principaux résultats menée sur trois événements torrentiels survenus sur
Les éléments de réponse et les résultats acquis le torrent de Faucon en croisant 1) les observations
durant cette thèse sont discutés pour chacun des du chenal et des versants contigus à l’échelle du bief
objectifs scientifiques évoqués plus haut. (1 : 1 000) et 2) la caractérisation physique des
matériaux. Un profil en long détaillé du chenal torren-
tiel a été réalisé. Une base de données sous SIG a
3.1 Objectif 1 été construite (fig. 2a), elle rassemble 25 descrip-
L’étude des laves torrentielles déclenchées dans teurs qui concernent les caractéristiques : du chenal
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et des versants (pentes, largeur du lit, hydrologie, une lave) confirme logiquement l’importance des fac-
etc.), des formations superficielles (type, texture, teurs mécaniques, topographiques (pente du versant)
etc.) et des seuils torrentiels (type, géométrie, état, et hydrogéologiques (répartition des pressions intersti-
etc.). En complément, les observations relatives à la tielles dans le massif). L’influence de venues d’eau
lave torrentielle de 2003 (emprise et profondeur de extérieures (fuites des réseaux de drainage) sur la sta-
l’incision, extension et épaisseur des dépôts) ont été bilité de ces sites est particulièrement forte. Les
cartographiées pour chacun des biefs (fig. 2b) afin de volumes potentiellement libérables par ces zones
faciliter les calculs hydrauliques et de définir un lien sources sont compris entre 30 000 et 100 000 m3.
entre les caractéristiques des biefs et leur fonction-
nement pendant la lave à partir notamment d’une - Pour la propagation des laves, les codes rhéolo-
analyse statistique croisée. Ainsi, la synthèse de ces giques (Bing, Cemagref 1-D et J-DFM), calés sur les
analyses a montré que : caractéristiques et la géométrie (extension et épais-
seur) des dépôts des laves de 1996 et de 2003,
- Les deux laves de 1996 et 2003 illustrent parfai- apparaissent performants pour représenter les hau-
tement les deux grands types de déclenchement : teurs d’écoulement et les distances de parcours
une zone unique de déclenchement en 1996 (glisse- (paramètres utilisés pour définir un niveau d’aléa).
ment de terrain des Trois Hommes, embâcle) et plu-
sieurs zones de déclenchement en 2003 (confluence - La contribution (en terme de volume) a été intro-
de ravines et de torrents secondaires). duite dans la modélisation numérique selon trois
méthodes d’intégration (avec le code J-DFM 1-D).
- Les laves de 1996 et de 2003 ont d’abord été Les hauteurs d’écoulement simulées avec les
granulaires après leur déclenchement, puis au fur et méthodes des sections d’érosion et de Rickenmann
à mesure de leur propagation, sont progressivement et al. (2003) sont relativement proches des observa-
devenues boueuses. La contribution pour ces deux tions.
laves a été particulièrement importante, elles ont
érodé le lit et les berges en incorporant des forma- - L’étude numérique de l’influence des seuils sur
tions superficielles. La pétrographie suggère que les caractéristiques d’écoulement montre
cette augmentation est liée, entre autres, à l’importance de la localisation des seuils plus que
l’augmentation progressive de la proportion de leur nombre ; des seuils en bon état et placés au plus
marnes noires dans le mélange. près des zones de déclenchement seront beaucoup
plus efficaces que des seuils situés en partie média-
- Des zones fonctionnelles ont été identifiées : des ne et en partie basse du chenal d’écoulement.
zones de dépôt et des zones d’incision. Les compa-
raisons entre, d’une part, les dépôts et les matériaux - Le volume minimal de matériau à libérer par les
sources, et, d’autre part, les observations et le calcul zones de déclenchement pour atteindre le cône de
du bilan sédimentaire par biefs, ont montré que pour déjection et déborder a été estimé à partir des codes.
la lave de 2003, les secteurs où l’érosion a été la plus Un volume de 10 000 à 15 000 m3 de matériaux est
intense sont caractérisés 1) par un mauvais état nécessaire pour atteindre le cône, mais il doit être de
général des seuils torrentiels, 2) par la présence 40 000 m3 environ pour provoquer des déborde-
d’anciens dépôts torrentiels (dépôts de la lave de ments. La comparaison entre les hauteurs
1996 et de la crue de 2002) qui ont été fortement d’écoulement simulées et la hauteur des berges tor-
incisés, et 3) par la présence de marnes noires et de rentielles montre la grande sensibilité de certains
petites instabilités de berges et de versants. secteurs du cône, particulièrement le secteur du
lotissement du Bérard.
- Les secteurs faiblement érodés et/ou présentant
des dépôts sont aménagés avec des seuils en bon - L’étalement des matériaux au(x) point(s) de
état. Ainsi, ce travail souligne l’importance des débordement a été étudiée à l’aide du code bidimen-
dépôts des événements antérieurs et de l’état des sionnel Cemagref 2-D. Le modèle permet de spatia-
seuils. Les zones de dépôts d’un événement A vont liser les hauteurs de dépôts dans les secteurs sub-
être les zones de contribution d’un événement B. mergés du cône ; des dépôts significatifs sont obser-
vés au-delà de 50 000 m3 de matériaux de lave. Les
3.3 Objectif 3 dépôts potentiellement les plus épais sont localisés
- Pour le déclenchement, l’analyse numérique de la au droit du secteur du Bérard.
stabilité de trois glissements de terrain (un glissement
ayant déclenché une lave, et deux glissements qui
peuvent potentiellement déclencher et/ou alimenter
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4 Discussion des résultats et pers- fonction des caractéristiques spécifiques (morpho-
pectives dynamique, correction torrentielle, etc.) du bassin
versant analysé.
Les résultats présentés dans ce mémoire consti-
tuent une base de données rare pour ce type de
Pour le déclenchement, une analyse géomorpholo-
phénomène. Ces données sont très utiles pour iden-
gique à l’échelle du versant (pente, géométrie des for-
tifier la dynamique des laves à l’échelle du bief
mations superficielles, occupation du sol, hydrologie)
torrentiel, et pour caler et valider des codes numé-
et une caractérisation physique des matériaux (angle
riques. Cependant, la recherche a également
de frottement interne, cohésion) semblent être suffi-
souligné la difficulté d’étudier dans son ensemble le
santes pour définir des zones préférentielles de
phénomène ‘lave torrentielle’.
déclenchement. La synthèse de nos observations et
L’étude à l’échelle du bassin de risque apporte de nos caractérisations permet d’établir un diagnostic
quelques éléments de réponse, mais elle reste lar- de type ‘expert’. Mais ce diagnostic de type ‘expert’
gement insuffisante. L’analyse des données pluvio- doit toujours s’appuyer sur des études spécifiques, au
métriques par exemple n’a pas donné entière satis- cas par cas (pour un bassin versant donné).
faction ; les postes pluviométriques sont trop éloi-
gnés des bassins de réception des torrents pour que Pour la propagation et l’étalement, l’analyse doit se
l’on puisse réellement définir un seuil de précipita- faire à l’échelle du bief pour véritablement prendre en
tions de déclenchement de lave. De plus, il reste compte la complexité du phénomène. Notre travail a
difficile, voir impossible de relier en ‘temps réel’, les souligné par exemple l’importance des caractéris-
précipitations, l’état hydrique des sols, etc. dans un tiques des formations sources et de la géomorpholo-
bassin torrentiel relativement vaste pour mettre en gie fine du chenal pour évaluer les volumes et les
place un système d’alerte efficace. En parallèle, les caractéristiques d’une future lave. Il a également
analyses morphologiques et morphométriques au 1 démontré que les résultats des simulations numé-
: 50 000 ne sont pas très convaincantes. Elles riques pour plusieurs scénarios étaient encoura-
permettent certes d’identifier des facteurs de prédis- geants, mais encore insuffisants. Les paramètres
position communs aux torrents à lave, mais elles identifiés comme importants dans la dynamique des
n’apportent pas de solutions concrètes aux gestion- laves (contribution, seuils torrentiels, etc.) ne sont
naires qui cherchent à se prémunir et à se protéger pas ou que trop rarement intégrés dans les codes
des laves. Ces analyses n’ont d’intérêt que si l’on numériques disponibles. Il ne nous a pas été pos-
cherche à connaître les torrents susceptibles de sible de modéliser la propagation d’une lave com-
déclencher une lave. L’étude historique et la plexe dans son ensemble (déclenchement en lave
connaissance des autochtones apportent ces granulaire, puis transformation progressive en lave
informations plus facilement et plus sûrement. Plus boueuse). Les codes numériques ne permettent pas
généralement, une étude de l’aléa ‘lave torrentielle’ à l’heure actuelle de modéliser une lave qui change
à cette échelle ne fournit qu’une image simplifiée et de loi de comportement pendant la propagation.
nécessairement réductrice de la complexité des Pour les modèles d’étalement, nous n’avons pas pu
processus régissant la dynamique torrentielle. intégrer certains obstacles (ponts, digues, forêt, etc.)
qui jouent pourtant un rôle majeur ; il est encore
L’étude engagée à l’échelle du bassin versant et nécessaire de recourir à des artifices pour tenter de
du bief est beaucoup mieux adaptée. Elle a permis les prendre en compte, quand cela est possible.
de connaître les différents sites très finement, et de
renseigner et de reconstituer les événements surve- La méthodologie (fig. 3), utilisée dans le cadre ce
nus récemment. Notre travail mené à l’échelle du mémoire, doit aider le praticien à évaluer et de façon
bief a souligné l’importance de certains paramètres robuste l’intensité et l’occurrence de l’aléa lave dans
dans la dynamique de ces laves pendant la propa- un bassin torrentiel à risque. Mais des efforts supplé-
gation (zones de contribution, type et état des seuils mentaires doivent être entrepris pour :
torrentiels, etc.). Cette démarche exploratoire,
réalisée à partir de l’analyse de 25 facteurs (descrip- - valider dans un premier temps la méthodologie de
teurs), pourrait être appliquée et transposée sur cartographie et d’analyse des descripteurs des biefs
d’autres sites en utilisant seulement une dizaine de dans un torrent actif du bassin de Barcelonnette
facteurs qui semblent les plus pertinents (pente du (Bourget ou Sanières) pour affiner le choix des fac-
profil en long, largeur du lit mineur et du lit majeur, teurs, puis la transposer dans un torrent extérieur au
hauteur et état des seuils, pentes des versants, bassin dans un deuxième temps pour vérifier son
facteur de sécurité des versants, occupation du sol) applicabilité dans un contexte géomorphologique dif-
avec la possibilité d’adapter le choix des facteurs en férent ;
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- développer une modélisation numérique sous - multiplier les observations ‘fines’ après une lave
SIG par différentes approches (statistiques, etc.) torrentielle, de la zone de déclenchement à la zone
pour définir les zones de déclenchement, en croisant de dépôt (étalement), afin de constituer une base de
différents facteurs de prédisposition (topographie, données utiles à des fins de modélisation (pour caler
hydrodynamique, occupation du sol, caractéristiques et valider les modèles), une base qui doit concerner
des matériaux, etc.) pour identifier les secteurs de 1) les caractéristiques des biefs des torrents à lave et
déclenchement potentiel ; 2) la localisation et l’épaisseur des dépôts de laves ;
- améliorer la connaissance des conditions pluvio- - développer un modèle global des laves torren-
métriques sur les crêtes afin de mieux définir les rela- tielles, du déclenchement au dépôt (étalement) qui
tions entre les conditions pluviométriques et la surve- intègre la possibilité de changer à la fois le volume et
nance d’une lave (définition de seuils de précipita- la loi de comportement d’une lave pendant la propa-
tions) ; gation (contribution), en poursuivant les collabora-
tions scientifiques ent
Carte géomorphologique du Bassin de Barcelonnette
(Alpes-de-Haute-Provence)
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Base de donnée du torrent de Faucon pour (a) les formations
superficielles et (b) la morphologie de la lave torrentielle du 5 Août 2003.
Méthodologie proposée pour une évaluation efficace de l’aléa ‘lave torrentielle’.
70 CFC (N°198 - Décembre 2008)
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