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Auteur(s): Luuk Dorren, Frédéric Berger (CEMAGREF)
Rédaction: LWF, Allemagne
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La forêt: un filet pare pierres naturel

Felsblock Nr. 33 gestoppt
Fig. 1. Sur le site expérimental de Vaujany (France), le bloc 33 a été arrêté par un petit arbre et ce, après plusieurs impacts avec des arbres.
 
Bildsequenz des Blocks Nr. 33 beim Einschlag.
Animation bloc 2.

Les chutes de pierres sont un des processus naturels d’évolution des versants de montagne. La mise en mouvement spontanée de blocs rocheux ainsi que leur vitesse de propagation mettent en danger les voies de communications et les habitations. Les forêts de montagne peuvent offrir sur le long terme une protection efficace. Mais quelles sont les caractéristiques d’un peuplement forestier offrant une protection optimale ? C’est là le cœur de nos activités de recherches. Cet article présente nos travaux et nos principaux résultats.

Dans le cadre de nos travaux, nous définissons les chutes de pierres comme étant la mobilisation et la propagation de bloc rocheux n’excédant pas un volume unitaire de 5m3. La mobilisation est le résultat de l’altération physico-chimique des faciès rocheux qui se traduit par le détachement de projectiles dans les zones à forte pente. Malgré le développement rapide des techniques de génie civil, leur utilisation à des fins de protection reste relativement restreinte compte tenu des difficultés techniques d’implantation et/ou des coûts de réalisation.

Une forêt de protection gérée de manière adéquate peut le cas échéant offrir un niveau de protection efficace. Elle représente alors une alternative écologique aux techniques de génie civil et ce, à moindre coût (Schwitter et al. 1998). Pour cela, il est nécessaire de comprendre et de caractériser les interactions entre les peuplements forestiers et les chutes de pierres. L’étude de ces interactions est l’objectif principal de notre équipe de recherche. A partir de nos travaux, nous développons des méthodes et des outils qui permettent aux gestionnaires de quantifier le rôle de protection actuel d’un peuplement forestier et son évolution dans le temps en fonction de la dynamique du peuplement étudié. Pour ce faire, nous réalisons des expérimentations grandeurs natures et nous développons des outils de simulation numérique.

Chutes de pierres et forêts de protection

Jusque dans les années 80 peu de travaux de recherche ont été consacrés à l’étude de l’action d’un peuplement forestier sur une chute de pierre. Cette fonction était alors difficilement quantifiable. A partir de cette date, les premiers travaux fondateurs de la quantification de l’action d’un peuplement forestier ont été réalisés (cf., Couvreur 1982; Jahn 1988). Mais il a fallu attendre les travaux de Gsteiger (1993) pour que soit formulé le premier concept d’un indicateur de terrain facilement utilisable par le gestionnaire. Ce concept est celui de « libre parcours moyen dégagé d’arbres ». Il correspond à la distance moyenne que peut parcourir une pierre dans un peuplement forestier avant d’impacter un arbre. Cet auteur considère que si cette distance dépasse 40 mètres alors la forêt ne peut freiner efficacement une pierre. Sur une telle distance la pierre est en mesure d’acquérir la vitesse nécessaire pour développer l’énergie suffisante pour casser des arbres (Dorren et al., 2005). La capacité des forêts de protection vis-à-vis des chutes de pierres est déterminée par la taille du projectile (m3), son énergie cinétique (kJ), le diamètre de l’arbre moyen (m) mesuré à hauteur de poitrine (DHP), la densité du peuplement (nombre d’arbre à l’hectare), donc la surface terrière (m2/ha), ainsi que les espèces d'arbre présentes. A densité égale, les petits blocs ont par définition une probabilité de rencontre avec un arbre plus faible que les gros blocs. A dimensions égales, plus la densité et le DHP sont élevés, plus le bloc aura une probabilité élevée de rencontre avec un arbre. Cependant, un nombre élevé d’arbres à l’hectare ne permet pas d’obtenir des arbres avec un fort DHP et surtout un peuplement stable sur le long terme. En effet, dans sa phase juvénile, une forêt se caractérise par une forte densité d’arbres ayant un faible diamètre alors qu’à maturité c’est le contraire (faible densité mais fort DHP).

Dans le domaine des forêts à fonction de protection vis-à-vis des chutes de pierres, les questions les plus importantes sont donc : quel est l’arbre (essence, diamètre) qui peut dissiper le maximum d’énergie tout en ayant une forte capacité à guérir de ses blessures ? Quelle est la densité minimale de tige à l’hectare et avec quelle distribution de diamètre ? Quelle est la composition en essences, la densité et la répartition des diamètres qui sont compatibles avec une gestion durable de la protection offerte par un peuplement forestier?

Afin d’apporter des réponses à ces questions, nous avons décidé de réaliser des expériences grandeur nature de chutes de pierres et ce, sur deux sites, l'un boisé et l'autre non boisé, et ayant la même pente (Fig. 1). Lors de ces expériences nous réalisons un suivi cinématographique (avec des caméras numériques à prise de vue rapide) de la trajectoire de bloc rocheux. Les premières campagnes de mesure permettant une analyse statistique fiable ont été réalisées dans le cadre du projet européen RockFor (http://rockfor.grenoble.cemagref.fr/) (2001-2004).

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Fig. 2. Relation pour différentes essences entre le diamètre (DHP) et l’énergie maximale dissipable (Ed-max) lors de l’impact d’un bloc rocheux sur un arbre. Cliquez sur l'image pour l'agrandir.

Expérimentations grandeur nature de chutes de pierres

Le secteur d'étude est situé dans la forêt communale de Vaujany (France, lat 45°12’, long 6°3’) à une altitude comprise entre 1200 m à 1400 m. L’orientation du site est nord-ouest et sa pente moyenne est de 38º. Sur le site boisé, la répartition des essences est la suivante : le sapin (Abies alba – 50%), l'épicéa (Picea abies – 25%), l’hêtre (Fagus sylvatica – 17%) et l’érable (Acer pseudoplatanus – 4%). Au total, nous avons mesuré et cartographié 271 arbres, soit une densité de 290 arbres ha-1 (planimétrique). Le DHP moyen de tous les arbres mesurés est de 31 cm. Lors des expérimentations, nous n’avons utilisé que des blocs sphériques ayant un diamètre moyen de 0,95 m. Les lâchers ont été effectués avec une pelle mécanique sur le site boisé et celui non boisé. Le site non boisé est un couloir d’avalanche. Après chaque lâcher nous avons réalisé un relevé cartographique de tous les points d’impact au sol et sur les arbres. Nous disposons ainsi pour tous les blocs de la cartographie de leur trajectoire depuis leur point de départ jusqu’à leur point d’arrêt. Avec les enregistrements vidéographiques nous avons analysé en tout point de la trajectoire des blocs leur vitesse et hauteur de passage. Nous avons été ainsi en mesure d’étudier entre autre la dissipation d’énergie occasionnée par les impacts sur les arbres ainsi que les conséquences de ces impacts sur les hauteurs de passage.

L’analyse des impacts sur les sapins met en évidence une relation exponentielle entre le DHP et l’énergie maximale dissipable lors d’un impact (Fig. 2). A partir d’une analyse bibliographique sur les énergies de fracture nous avons pu extrapoler cette relation aux autres essences. Pour de plus amples informations nous invitons le lecteur à consulter l’article de Dorren et Berger (2006). La hauteur moyenne de rebond observée sur le site boisé est de 2 m. Cette hauteur correspond aussi à la hauteur maximale des impacts sur les arbres. Ceci est principalement dû à la pente du site qui est de 38° et au fait que cette pente est relativement uniforme (aucune barre rocheuse ou autres irrégularités ne sont présentes). Le plus haut impact sur un arbre que nous avons observé dans une forêt alpine a été mesuré à 8 m. Le tableau 1 résume les résultats de l’analyse des données de nos expérimentations grandeur nature. Ces expériences ont aussi montré clairement que les petits arbres (DHP < 12,5 cm) peuvent arrêter des blocs de l’ordre du m3 si une grande partie de l'énergie cinétique a été dissipée au préalable par des impacts avec des arbres de plus fort diamètre (cf., Fig. 1).

Les résultats de ces expériences nous ont permis de développer et de valider nos modèles. Ces modèles simulent l’effet protecteur d’un arbre, d’un peuplement ou d’une forêt constituée d’une mosaïque de peuplements. A l’heure actuelle nous sommes capables de simuler la trajectoire de blocs rocheux individuels ainsi que l’extension de la zone en danger. Lors de ces simulations nous pouvons intégrer ou non l’action des arbres en tant qu’obstacles. Bien évidemment nous déterminons la résolution et la qualité des données d'entrée en fonction de l'échelle à laquelle nous souhaitons obtenir les données calculées.


Secteur non boisé (n=100) Secteur boisé (n=102)
Vitesse maximale moyenne (m s-1) 15.4 11.7
Vitesse maximale (m s-1) 30.6 24.2
Pourcentage des blocs arrêtés après 223,5 m (%) 5 66
Pourcentage des blocs arrêtés sur la piste forestière (%) 15 13
Pourcentage des blocs ayant traversé l’écran forestier (%) n.a. 34
Hauteur moyenne de rebond (m) 1.5 1
Hauteur maximale de rebond (m) 8 2
Nombre de blocs nécessaires pour développer un couloir (-) n.a. 72

Tab. 1: Résumé des principaux résultats expérimentaux (Dorren et al., 2005)

RockForNET

L’outil RockForNET (gratuitement et publiquement accessible via www.rockfor.net) a été créé à partir de nos résultats expérimentaux et de nos simulations numériques. Il permet à chaque utilisateur de calculer l’aléa résiduel probable de chutes de pierres à l’aval d'une forêt de protection contre les chutes de pierres. L’aléa résiduel est défini comme étant le pourcentage de pierres en mesure de franchir une zone boisée (le calcul est réalisé à la sortie de l’écran boisé). Le principe général de RockForNET est d’assimiler une forêt à une série de filets pare pierres. A partir des données dendrométriques d’un peuplement forestier, cet outil convertit la structure existante de la forêt en rangées d’arbres (dénommés rideaux). Au sein d’un rideau la distance entre deux arbres est égale à 90% du diamètre du bloc rocheux et la distance inter-rangée est au maximum de 33 m (cf., Fig. 3). Cette distance correspond au parcours moyen dégagé d’arbres caractéristique de notre site expérimental. Pour calculer cette distance nous avons adapté le concept développé par Gsteiger (1993) afin d’utiliser la surface terrière comme paramètre principal de calcul (Dorren et al. 2005). Les résultats de nos expériences ont montré que la surface terrière totale est l’indicateur générique le plus adapté pour apprécier le rôle de protection d'un peuplement forestier. De plus, la surface terrière est rapidement et facilement mesurable sur le terrain en utilisant un relascope (Bitterlich, 1984).

Tous les arbres d’un rideau ont un diamètre égal au DHP moyen; en intégrant l’essence on détermine ainsi l'efficacité de ce rideau. Afin de calculer l’aléa résiduel probable pour un versant boisé donné, RockForNET calcul avec le DHP fixé par l’utilisateur le nombre de rideaux théoriquement nécessaires pour qu’aucun bloc rocheux n’atteigne la limite avale de la zone étudiée. Puis il compare cette valeur à celle obtenue avec les données réelles du peuplement étudié. Le résultat de cette comparaison est exprimé en pourcentage de blocs rocheux susceptibles de sortir de la zone étudiée. RockForNET a été utilisé sur plus 15 sites des Alpes européennes. La conclusion de ces études est que RockForNET est utilisable sur d’autres sites que notre site expérimental.

Présentation schématique du principe général de RockForNET
Fig. 3. Présentation schématique du principe général de RockForNET.

Brève synthèse

De nos expérimentations grandeur nature il ressort que des arbres de faible DHP ont aussi un rôle de protection non négligeable. La meilleure protection est offerte par les peuplements ayant une forte distribution de diamètres et par des forêts composées d’une mosaïque de peuplements à différents stades de développement. De plus, les feuillus peuvent dissiper plus d'énergie que les conifères. Par conséquent l’obtention de peuplements mélangés stables offrant une protection efficace vis-à-vis des chutes de pierres devrait (en fonction des potentialités des milieux) intégrer des essences feuillus et plus particulièrement le hêtre et l’érable.

En zone de montagne, la gestion forestière doit de plus en plus tenir compte des demandes du public. Ceci est d’autant plus vrai dans le domaine de la prévention et de la protection durable des risques naturels. Ce n’est que de cette manière que les nombreux avantages de la gestion forestière pourront être valorisés en terme d’aménités et de bénéfices multiples offerts par les forêts de montagne. Pour ce faire, la gestion forestière doit devenir de l’ingénierie écologique à part entière. Dans cette optique, des outils tels que RockForNET sont en mesure d’offrir une aide et un soutien important aux praticiens.

Vidéo

Bibliographie

Bitterlich, W., 1984. The relascope idea: relative measurements in forestry, Commonwealth Agricultural Bureaux, Farnham Royal, UK. 242 p.

Couvreur, S. 1982. Les forêts de protection contre les risques naturels. École Nationale du Génie Rural, des Eaux et Forêts (ENGREF), 89 p.

Dorren, L.K.A., Berger, F., Le Hir, C., Mermin, E. et Tardif, P., 2005. Mechanisms, effects and management implications of rockfall in forests. Forest Ecology and Management 215(1-3), 183-195.

Dorren, L.K.A. and Berger, F., 2006. Stem breakage of trees and energy dissipation during rockfall impacts. Tree Physiology 26, 63-71.

Jahn, J. 1988. Entwaldung und Steinschlag. Internationales Symposium Interpraevent 1988 in Graz. Tagungspublikation, Band 1, S. 185-198.

Gsteiger, P. 1993. Steinschlagschutzwald. Ein Beitrag zur Abgrenzung, Beurteilung und Bewirtschaftung. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 144, S. 115-132

Schwitter, R. et al. 1998. Dokumentation der 14. Arbeitstagung der Schweizerischen Gebirgswaldpflegegruppe mit der FAN 1998, Grafenort/Engelberg.

Liens externe