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Ravinement en montagne : processus, mesures, modélisation, régionalisation

Gully erosion in Mountain areas: processes, measurement, modelling and regionalization
Nicolle Mathys et Jean Poesen
p. 3-6

Résumé

Cemagref (Agricultural and Environmental Engineering Research Centre) in Grenoble and the Scientific Group "Draix, mountain erosion studies" held a conference in Digne, in the French Alps, from October 15 to 17, 2003, devoted to the theme of gully erosion in mountain areas. The aims of this international seminar were to evaluate the state of the art in research on erosion by water in uplands, to allow scientists to meet and exchange ideas on related topics, and to initiate further collaborations, with particular emphasis on field work in research basins. This meeting, which encompassed 32 oral presentations and 24 posters, was attended by 80 participants from 12 countries. A one-day scientific excursion to the Draix experimental site was dedicated to multidisciplinary researches on mountain erosion and upland floods.
Gully erosion represents an important sediment source in river systems and accounts for as much as 70 to 90% of the overall sediment production of a catchment. In mountain areas, the steep slopes enhance gully processes, accelerate sediment transfer from uplands to valley bottoms and generate natural hazards : mudflows, overflowing of heavily loaded floods, silting up of reservoirs, for example. Therefore, there is a need for monitoring and for experimental and modelling studies in order to forecast the effects of climatic or land use changes on sediment dynamics in mountain catchments. In mountain environments, the development of appropriate measurement and observation techniques is quite difficult. Original devices were presented, operating from the small plot scale to the large gully and catchment scales.
Several presentations focused on the processes and factors controlling erosion and gullying in mountain areas : these include mechanical breakdown and chemical weathering of rocks, bed load and suspension sediment transport, in which threshold effects have a determining influence. Mass movements are also a substantial source of sediments in steep upland basins. These may occur as superficial earth flows affecting the weathered layer, and as deep-seated landslides or rock-block slides. Several papers examined the susceptibility of the terrain to the mass movements, the conditions for landslide initiation, the relations between mass movements in black marls and rockfalls in the overlying limestone levels, and the formation and propagation of debris flows. The major role of a few paroxystic events in sediment production was pointed out by several authors. Particle detachment, mass movement initiation, and sediment transport are processes subjected to threshold effects. The connectivity in the basin network may vary from one event to the other. The studies on sediment load rates during floods showed that the availability and location of sediment stocks in the channel and gully bottoms play a greater role than the transport capacity of the flow. The role of the vegetation cover in diminishing sediment yields is widely accepted. Therefore, it is still necessary to understand how the aerial parts and roots of vegetation interact with runoff and erosion in order to model the evolution of gully systems subject to climatic or land use changes. These studies show that erosion modelling becomes more complex as one goes from the plot or slope scale to the catchment scale, which necessitates a transport-distance approach. At this scale, the question of connectivity between flow paths becomes crucial and depends on the time scale of the study.
The present issue of the journal publishes five papers related to erosion measurement and remote sensing, to erosion dynamics at the catchment or at a regional scale, and interactions between erosion, and vegetation and restoration works.
The paper by D. Raclot et al. presents a first attempt of at using low-altitude aerial photographs taken from a drone for erosion surveys in the Draix area. The relatively poor vertical accuracy (70 cm) does not allow yet for the measurement of short-term ablation, but the good quality and resolution of the pictures, and the possibility for of repeated acquisition offer good opportunities for the survey of landform evolution, especially in remote areas of the studied catchment. Two others additional papers (E. Gauché, J. Collinet & P. Zante) present fruitful methodologies for mapping and topographic survey of gully development. Recent progress in GIS and DEM techniques complete the quantitative observation of erosion processes. Addressing scale issues, the paper by J. Collinet and P. Zante presents different techniques in Tunisia covering rainfall simulation on plots in the flat upstream areas, monitoring of gully evolution on the intermediate slopes, sedimentation in reservoirs at the outlets. The authors show the importance of the processes linking these three slope interfaces. In Morocco, E. Gauché found contrasting rhythms of landscape evolution between mountain slopes and alluvial deposits downstream. Lithology and relief play a role, which is reinforced by land use change to a point that an erosion crisis may be identified, mainly due to the decrease of the extent of tilled areas. The paper by F. Rey presents an experimental bioengineering device for trapping sediments in gullies in marls of the French Alps and shows how brush layers 1.2 m thick across a gully may trap 0.1 to 0.3 m3 per year. The paper by M. Cohen and F. Rey discusses the paradox between positive vegetation dynamics at the regional scale and active erosion observed at the local scale and shows that processes vary depending on spatial scales : for instance, gully erosion may co-exist with vegetation spread on interfluves.
Temporal and spatial scales as well as connectivity in soil erosion systems appear as key questions for further research on gully erosion, including appropriate measurement techniques, process analysis, modelling, and upscaling.

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Texte intégral

Texte intégral en libre accès disponible depuis le 01 juillet 2007.

1Du 15 au 17 octobre 2003 s’est tenue à Digne, dans les Alpes du Sud (France), une conférence sur le thème du ravinement en montagne. Elle était organisée conjointement par l’unité de recherche "Erosion torrentielle Neige et Avalanches (ETNA) du Cemagref (Institut public de recherche pour l’ingénierie de l’agriculture et de l’environnement) de Grenoble et le Groupement d’intérêt scientifique (GIS) "Draix, étude de l’érosion en montagne" qui réunit autour de l’observatoire de recherche en environnement (ORE) de Draix, des équipes de recherche dans des disciplines variées : la géomorphologie, l’hydrologie, l’hydrogéologie, la géologie, la géotechnique, l’hydraulique, la biogéographie et la géochimie. Cette conférence, à vocation nationale et internationale, avait pour objectifs de confronter les méthodes et les résultats des recherches sur l’érosion hydrique dans les bassins versants de montagne, de favoriser les échanges entre chercheurs et d’amorcer des collaborations, en particulier entre les équipes réalisant des mesures dans des bassins versants représentatifs expérimentaux (BVRE). Elle avait reçu le parrainage du Groupe Français de Géomorphologie et a réuni 80 participants français et étrangers (Belgique, Espagne, Chine, Hongrie, Indonésie, Italie, Japon, Népal, Royaume-Uni, Roumanie, Russie). Un total de trente deux communications orales et de vingt quatre posters a été présenté (Mathys, 2003). Le présent numéro de la revue présente les articles issus de cinq de ces communications.

2La conférence a comporté également une journée de visite des sites de l’ORE Draix. Cet observatoire est un laboratoire pluridisciplinaire de terrain ayant pour objectif d’améliorer les connaissances sur la formation des crues et l’érosion. Les bassins versants instrumentés sont implantés sur des marnes noires très sensibles à l’érosion, très instables et largement présentes dans les Alpes du Sud, où elles sont le siège d’un ravinement intense. La visite de terrain, organisée en ateliers, a permis de découvrir les travaux de recherche conduits sur le site, de l’échelle de la parcelle et du versant à celle du petit bassin versant (environ 1 km2), sur les processus d’érosion et sur les moyens de protection. Les questions de choix, d’adaptation ou de mise au point de l’instrumentation adaptée à l’observation et à la mesure des phénomènes érosifs ont constitué un temps fort de ces ateliers. Cette conférence a été suivie d’une excursion scientifique qui conduisit une vingtaine de participants vers des sites des Alpes-de-Haute-Provence remarquables du point de vue de l’érosion : glissement de terrain récent (décembre 2002) de Villard-les-Dourbes, glissement-coulée de Super-Sauze où sont menées des recherches géomorphologiques et géotechniques, torrent du Riou Bourdoux qui a fait l’objet d’importants travaux de restauration des terrains en montagne depuis plus d’un siècle, vallée de la Durance enfin, où les sédiments en provenance des zones ravinées posent de graves problèmes de sédimentation dans les barrages.

3Le ravinement, mécanisme d’incision des roches sous l’effet du ruissellement concentré, représente, par les matériaux qu’il produit, une source de sédiments importante dont la contribution peut être supérieure à celle de l’érosion aréolaire (jusqu’à 70-90 % de l’érosion totale d’un bassin versant) pour les systèmes fluviaux. J. Poesen et al. (2003) démontrent qu’en Espagne dès l’apparition du ravinement la production de sédiments dans les bassins versants augmente d’un ordre de grandeur. Dans les zones de montagne, les fortes pentes (de 10 à 100 % et plus) rendent ces mécanismes particulièrement actifs, accélèrent les transferts de sédiments vers l’aval où ils engendrent des risques pour le milieu et les équipements : débordement de crues chargées, coulées boueuses, sédimentation dans les barrages par exemple. Les besoins de recherche sont nombreux dans ce domaine, pour observer, mesurer, quantifier ces phénomènes, pour comprendre les processus et facteurs qui les dominent, pour modéliser le comportement des bassins qui en sont le siège, afin de prévoir leur évolution sous l’effet des aménagements ou des changements climatiques. Les outils de mesure et les modèles développés de longue date à l’échelle de la parcelle ou du champ cultivé se sont ainsi avérés impropres à la représentation des phénomènes à l’échelle d’un bassin soumis au ravinement (Jetten et al., 1999). De nombreux travaux de recherche ont été entrepris ces dernières années, notamment en Europe. La conférence de Digne a ainsi donné l’occasion de faire le point sur les investigations en cours dans le domaine particulier de l’érosion en montagne.

4Les conditions d’accès et la rudesse du climat, la brièveté des épisodes générateurs des fortes crues (orages d’été par exemple), rendent difficiles l’observation et la mesure des phénomènes. Des dispositifs originaux de mesure depuis l’échelle de la parcelle (banc de mesure équipé de capteur laser) à celle du versant et du ravin (pièges à sédiments, mesure en continu du charriage ou de la suspension, méthodes topographiques), puis du bassin (méthodes photogrammétriques), ont été présentés. Les améliorations récentes des appareils de mesure, les possibilités de saisie informatique directe des données, la disponibilité d’outils de visualisation et de calcul permettent d’augmenter à la fois la périodicité et la densité des mesures et ainsi d’accroître la précision des suivis d’évolution des formes d’érosion. Cependant, le manque de moyens dans certains pays ou la nécessité de multiplier les points de mesure à moindre coût, fait que des mesures plus rustiques par piquets ou fosses à sédiments restent des outils précieux de quantification. En Afrique, des mesures de terrain récentes ont pu être complétées par des témoignages pour reconstituer et quantifier l’incision des fonds de vallée (ainsi évaluée à 6 t/ha.an). L’article de D. Raclot et ses co-auteurs rend compte des premiers essais entrepris pour caractériser les zones soumises à l’érosion et pour mesurer l’érosion sur le site de Draix grâce à des photographies aériennes à basse altitude obtenues à l’aide d’un drone. La précision altimétrique obtenue (70 cm en moyenne) ne permet pas pour le moment un suivi diachronique de l’ablation verticale, mais la qualité des images et les possibilités de répétition des prises de vue offrent de grandes perspectives de suivi des processus, notamment dans les zones difficiles d’accès : description des états de surface, de l’évolution de la végétation, de la formation du réseau de rigoles, des mouvements de versants. L’analyse de ces images est ainsi complémentaire des mesures locales in situ pour la compréhension et la modélisation des phénomènes à l’échelle de la zone couverte par les prises de vue. L’article de E. Gauché et celui de J. Collinet et P. Zante, s’ils ne sont pas spécifiquement dédiés aux méthodes de mesure, décrivent des méthodes fructueuses de cartographie et de suivi topographique du développement des ravines à l’échelle du versant ou du micro bassin. Les suivis de transects effectués par E. Gauché dans le Rif marocain lui ont permis de mettre en évidence des dynamiques contrastées entre les différentes unités géomorphologiques identifiées et certains relais de processus au cours du temps : par exemple, l’incision linéaire des ravines des versants montagnards qui évoluent d’un profil en V à un profil en U lorsque le ravinement atteint la croûte sous-jacente à la couverture colluviale. En Tunisie, pour analyser l’évolution du ravinement, J. Collinet et P. Zante ont effectué des relevés topographiques successifs précis à l’aide de tachéomètres performants sans réflecteur, qui permettent d’accroître considérablement la densité de points et par conséquent la précision (de 2 à 16 pour mille selon l’angle de visée et la distance mesurée). Les outils de représentation et de calculs de modèles numériques de terrain utilisés permettent de compléter les observations d’évolution des formes par des approches quantitatives, selon les ravins, le bilan annuel s’élève à 10 à 20 m3/ha.

5Les processus et les facteurs contrôlant l’érosion et le ravinement en montagne ont été au centre de la majorité des communications de cette conférence. La formation des écoulements et du ruissellement, moteur du ravinement, a été abordée essentiellement au travers de l’analyse de couples averse-crue observés sur des bassins à forte pente et à réponse rapide. En termes de volume écoulé, les réponses varient ainsi fortement d’un bassin à l’autre en fonction de l’occupation du bassin mais également pour un bassin donné en fonction de l’état initial de saturation du sol. Cependant, c’est la structure du hyétogramme qui conditionne la forme de l’hydrogramme, notamment les pics de débit : sur un bassin à réponse rapide comme le Laval à Draix, la plupart des pics d’intensité pluvieuse de quelques minutes sont suivis d’un pic de débit d’une durée voisine. Dans l’occupation du sol, l’opposition entre sol nu et sol végétalisé est bien plus nette qu’entre un type de couvert végétal et un autre. L’effet de la disparition de la forêt sur la genèse des crues est donc principalement lié au fait que les sols sont laissés à nu. Cependant, les difficultés de mesure dans les bassins étudiés limitent la portée de ces résultats : les incertitudes sur les données des précipitations et des débits sont souvent du même ordre de grandeur que les variations de comportement que l’on analyse.

6Les processus de formation du matériel détritique sur les versants, qui sont variés (cryoclastie, thermoclastie, haloclastie), ont été décrits et quantifiés dans plusieurs contributions. En montagne, l’altitude rend les effets du gel-dégel (127 cycles annuels en moyenne à Draix pour une altitude comprise entre 800 et 1200 m) souvent prépondérants. Cependant, une part importante de la fragmentation mécanique peut, sur le site de Draix, être attribuée à l’haloclastie, tout spécialement au printemps, où elle fournit des fragments plus fins que la cryoclastie. L’altération de la pyrite de fer présente dans les marnes de Draix produit du sulfate de calcium. Dans certaines configurations (abris sous roche orientés à l’ouest où des efflorescences salines sont visibles), l’haloclastie peut être responsable de près de 50 % de la fragmentation mécanique. La mobilisation des débris est conditionnée par des processus complexes où les états de surface, le niveau d’humectation des sols sont déterminants et où les mécanismes sont soumis à des effets de seuil qu’il importe de mieux analyser (seuil d’initiation du ruissellement concentré, seuil de teneur en eau pour le déclenchement des coulées superficielles, seuil d’arrachement des particules sur les versants, etc.). Les mouvements de masse sont également une source de matériaux importante dans les bassins ravinés de montagne, qu’il s’agisse de mouvements superficiels mobilisant des matériaux détritiques ou de mouvements plus profonds précipitant au pied des versants des matériaux grossiers qui pourront être, soit repris rapidement par des écoulements à forte capacité de transport, soit soumis à une météorisation puis une mobilisation sur leur lieu de dépôt. L’analyse de la susceptibilité des versants à ces phénomènes, les conditions d’occurrence des écroulements affectant les marnes, l’interaction entre l’érosion des marnes et les écroulements des terrains calcaires les surplombant, l’initiation et l’évolution de glissements de terrain de grande ampleur, et enfin la mobilisation des matériaux par des laves torrentielles ont fait l’objet de plusieurs communications. Celles-ci ont mis en évidence notamment le rôle de la tectonique dans la fissuration des roches, les prédisposant aux mouvements de masse, le fonctionnement cyclique des systèmes constitués par les versants, le rôle majeur de quelques événements paroxystiques dans l’évolution des reliefs. Le transfert vers l’aval des matériaux parvenus au pied des versants est lui aussi fortement soumis à des effets de seuil (seuil de l’initiation du transport des matériaux dans les lits, seuils de débit qui rendent actives des connexions entre certains éléments du réseau hydrographique). Les travaux sur les charges en matériaux fins pendant les crues ou sur les transports par charriage ont montré que la disponibilité des matériaux et la localisation des stocks que constituent les dépôts intermédiaires déterminent plus les flux aux exutoires que la capacité de transport des écoulements. Le rôle protecteur de la végétation est communément admis et a guidé la politique de lutte contre les érosions en France depuis plus d’un siècle. Néanmoins, l’analyse du mode d’action de la végétation, de ses parties aériennes mais également des racines, reste nécessaire pour modéliser son rôle et prévoir l’évolution des aires ravinées sous l’effet des changements d’usage des sols, des travaux de protection, des variations climatiques. L’article de F. Rey analyse ainsi à l’échelle de la ravine l’efficacité des techniques d’utilisation de boutures de saule sur fascines dans les marnes noires des Alpes du Sud. Il confirme le rôle de la végétation placée dans les fonds des ravines pour limiter l’exportation de matériaux vers les cours d’eau situés à l’aval. Il a également testé la vulnérabilité de ces dispositifs aux conditions climatiques puisque le dispositif expérimental a subi la canicule de l’été 2003.

7L’étude des processus et de leurs interactions devient beaucoup plus complexe lorsqu’on passe de l’échelle du versant ou de la ravine à celle du bassin versant ou de la région. L’article de J. Collinet et P. Zante intègre ainsi, sur un site tunisien, différentes échelles d’étude, de la simulation de pluie sur les parcelles cultivées des replats situés à l’amont des bassins, au suivi de l’évolution des ravines incisées dans les versants raides puis à la confrontation à la sédimentation dans les retenues collinaires situées à l’aval. Il met en évidence la difficulté de trouver des outils de mesure et de modélisation adaptés mais aussi l’existence de processus propres aux interfaces entre ces différentes échelles. La notion de connectivité trouve ici toute sa place : les liaisons entre les replats d’amont et les zones ravinées sont plus ou moins actives selon les épisodes et les conditions variables des transferts de sédiments des impluviums cultivés de l’amont vers les lits des ravines vont influer sur la capacité érosive des écoulements. L’article de E. Gauché, qui traite d’un autre site de montagne méditerranéen, dans le Rif oriental du Maroc, met en évidence des rythmes contrastés d’évolution des formes du relief entre les couvertures colluviales des versants montagneux et les formations alluviales situées à l’aval. Formes et vitesses de ravinement sont conditionnées par la lithologie et le relief, mais ces facteurs physiques sont eux-mêmes influencés par les modifications des

8conditions de milieux engendrés par l’évolution des activités humaines dans la région. La crise érosive actuelle mise en évidence par l’auteur sur la base d’archives et d’enquêtes apparaît ainsi essentiellement d’origine anthropique. L’interaction entre facteurs naturels et facteurs anthropiques est également au cœur du débat soulevé par l’article de M. Cohen et F. Rey qui cherche à comprendre l’apparente contradiction entre la persistance d’une érosion intense dans les Alpes françaises du Sud et la dynamique progressive de la végétation dans la région. Les auteurs soulignent la nécessité d’approches multi-scalaires, de l’échelle régionale à l’échelle locale, pour comprendre le fonctionnement des bassins marneux des Alpes du Sud. À l’échelle régionale, la photo-interprétation diachronique, valorisée par l’utilisation d’un Système d’Information Géographique (SIG), indique une tendance légèrement progressive de la dynamique végétale. À l’échelle locale, les études associant les relevés de végétation et les mesures de production de sédiments à l’aval de versants et de ravines montrent que peuvent co-exister la reconquête végétale sur les interfluves et la poursuite des processus érosifs dans des ravines dénudées.

9Les questions d’échelle apparaissent donc comme les clés des recherches sur le ravinement, pour ce qui relève des méthodes de mesure et de leur adéquation, des études des processus, de la représentation spatiale des phénomènes et de la régionalisation des résultats. La prise en compte du fonctionnement des connectivités, entre versants et lits notamment, la compréhension des relations entre l’amont et l’aval relatives à la dynamique des sédiments dans les réseaux hydrographiques sont indispensables à l’étude des processus et à leur modélisation.

10Des échanges nombreux entre les auteurs des communications, les relecteurs et les éditeurs de la revue ont permis d’améliorer les textes. Que tous soient ici remerciés de leur contribution.

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Bibliographie

Jetten V., de Roo A. and Favis-Mortlock D. (1999) – Evaluation of field-scale and catchment-scale soil erosion models. Catena 37(3/4), 521-541.

Mathys, N. (Ed) (2003) – Ravinement en montagne : processus, mesures, modélisation, régionalisation - Gully erosion in Mountain areas : processes, measurement, modelling, and regionalization. Résumés étendus/extended abstracts. Actes de la conférence/Conference proceedings, Digne, 15-17 octobre 2003, 166 p.

Poesen J., Nachtergaele J., Verstraeten G. and Valentin C. (2003) – Gully erosion and environmental change : importance and research needs. Catena 50(2/4), 91-133.

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Pour citer cet article

Référence papier

Nicolle Mathys et Jean Poesen, « Ravinement en montagne : processus, mesures, modélisation, régionalisation », Géomorphologie : relief, processus, environnement, 1/2005 | 2005, 3-6.

Référence électronique

Nicolle Mathys et Jean Poesen, « Ravinement en montagne : processus, mesures, modélisation, régionalisation », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], 1/2005 | 2005, mis en ligne le 01 juillet 2007, consulté le 02 septembre 2014. URL : http://geomorphologie.revues.org/187

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Droits d’auteur

© Groupe français de géomorphologie

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