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Recherche XXL: la nature comme laboratoire

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La nature décide de l’instant où tout commence

Que se passe-t-il à l’intérieur d’une lave ­torrentielle? Quand un ruisseau transporte-t-il des pierres et des éboulis? Des essais à grande échelle dans les ­torrents donnent des réponses à ces questions.

L’alarme retentit de façon assourdissante. Un vététéiste regarde autour de lui avec étonnement et s’arrête net. Le poster sous le clignotant allumé met en garde: «Danger de mort! Des laves torrentielles peuvent se produire à tout moment – même par beau temps.» C’est seulement lorsque ­François Dufour, technicien au WSL, lui crie: «Pas de souci, ce n’est qu’un test», qu’il traverse à vélo  le lit du ruisseau presque desséché. On croirait totalement inoffensif le filet d’eau dont on entend le clapotis entre le gravier et les éboulis dans l’Illgraben, près de Loèche (VS). En l’espace de quelques secondes, il peut toutefois se transformer en tourbillon d’eau et de boue mortel. Lors de précipitations, parfois combinées à de l’eau de fonte, des centaines de tonnes de boue et de matériaux pierreux dévalent la pente sous forme de lave torrentielle jusqu’à la vallée. Une telle lave torrentielle renferme beaucoup plus d’énergie qu’une crue à charriage et inflige d’importants ­dégâts. En raison de la constellation géologique dans l’Illgraben, des événements de ce type s’y déroulent plusieurs fois par an, ce qui fait de l’endroit un sujet d’étude idéal sur les laves torrentielles.

 

Grand laboratoire à ciel ouvert

Depuis mai 2000, le WSL a installé dans l’Illgraben toute une série d’instruments de mesure, à l’image des géophones qui mesurent les mouvements sismiques du sol. Les géophones enregistrent les secousses qui marquent le début d’une lave torrentielle et démarrent automatiquement les enregistrements vidéo. Les appareils radar et laser effectuent des relevés de la hauteur d’écoulement et de la vitesse des masses de boue et d’éboulis à plusieurs endroits. Dans la partie inférieure du cône de déjection où l’Illgraben se jette dans le Rhône, des capteurs mesurent, dans un mur latéral, les forces à l’œuvre à l’intérieur du mélange torrentiel. Et sous le pont de la route cantonale, une balance saisit le poids des matériaux qui passent par-dessus elle.

«Nous avons ici une possibilité unique d’examiner la vie intérieure des laves torrentielles: leur composition, leur comportement d’écoulement, leurs caractéristiques», explique F. Dufour, technicien. Les données permettent aux chercheurs d’améliorer leur compréhension des processus qui se déroulent lors d’une lave torrentielle, et d’optimiser les simulations à l’ordinateur. Celles-ci aident les ingénieurs et les planificateurs à établir des cartes de dangers et à calculer d’éventuelles mesures de protection.

 

Système d’alerte destiné au village et aux touristes

F. Dufour est ingénieur et il est l’un des techniciens qui s’occupe, en plus des appareils de mesure pour les scientifiques, des instruments du système d’alerte dans l’Illgraben. Des contrôles et des travaux de maintenance sont en particulier nécessaires après de grandes laves torrentielles. Le chemin qu’il emprunte jusqu’aux appareils de mesure est chaque fois différent car la route empierrée est peu à peu victime de l’érosion. Pour le dernier tronçon, il doit aujourd’hui escalader des rochers à quatre pattes et s’agripper à des arbustes et des branches pour atteindre l’instrument situé le plus en hauteur.
Le WSL a installé le système d’alerte en 2007 sur mandat de la commune de Loèche-Susten. Dès que les appareils de mesure enregistrent une lave torrentielle, les responsables locaux en matière de sécurité reçoivent automatiquement un SMS. En parallèle, des alarmes optiques et acoustiques signalent le danger à trois traversées de cours d’eau. Les connaissances tirées des observations scientifiques et un concept d’urgence développé avec la commune ont servi de base au système d’alerte. Afin de reconnaître à temps une lave torrentielle de grande ampleur, les précipitations sont de surcroît mesurées de façon automatique et des visites sur le terrain effectuées régulièrement dans le bassin versant. Dans des situations extrêmes, s’y ajoutent des vols en hélicoptère. En dehors de la fonction de protection qu’il assure en tant que telle, le système d’alerte sert d’installation pilote pour le développement de dispositifs d’alerte à d’autres endroits.

 

Lave torrentielle ou crue – les éboulis sont toujours en cause

Dans la vallée de l’Alptal (SZ) également, le WSL mesure la quantité de matériaux qu’un ruisseau peut charrier, toutefois dans un autre contexte. Les précipitations y sont violentes et fréquentes, les sols argileux, l’eau s’infiltre difficilement dans le sol: le risque de crue est élevé. Ce qui peut être dangereux pour le milieu bâti avoisinant est une aubaine pour la science: des conditions idéales pour l’étude des facteurs qui favorisent les crues. Dans les années 1960, le WSL a équipé divers torrents de l’Alptal d’appareils de mesure afin de découvrir comment la forêt influe sur la formation des crues et la qualité de l’eau. Depuis les années 1980, les chercheurs examinent notamment dans cette région le transport des sédiments et du bois flottant, et élaborent depuis quelques années des modèles pour la prévision des crues.
Dieter Rickenmann, collaborateur scientifique du Groupe Torrents, se tient au bord de l’Erlenbach, dans l’Alptal, avec deux chercheurs japonais. Malgré le soleil, il fait frais, l’air est humide, les doigts deviennent vite moites. Au bord du grand bassin de rétention, D. Rickenmann montre à ses invités la façon dont le WSL étudie le charriage de sédiments dans l’un des torrents les plus actifs de Suisse. Pourquoi les visiteurs viennent-ils de si loin? La raison est simple: l’installation de mesure des sédiments du WSL est à ce jour unique au monde.

 

Lorsque pierres et métal se rencontrent

Des collaborateurs du WSL ont développé une méthode leur permettant de surveiller indirectement les sédiments et de les mesurer. Les géophones enregistrent les secousses provoquées par les grains sédimentaires lorsque ceux-ci déferlent sur les plaques en acier. Ces dernières sont fixées dans le lit du ruisseau, les géophones se situant sur la face inférieure de la plaque en acier. Les signaux sont étalonnés avec des mesures directes des sédiments charriés. Les chercheurs ont installé à cet effet des paniers collecteurs à l’entrée du bassin de rétention. Ces derniers se déplacent sur des rails porteurs horizontaux et en cas de fort débit, sont tirés automatiquement par des treuils au milieu des flots. Là-bas, ils retiennent les pierres et les éboulis transportés dans le fond du ruisseau. Le matériau qui s’accumule dans le bassin de rétention sert aussi à étalonner les mesures des géophones. Dans ce but, on procède à la mesure du volume des sédiments déposés.

«Les mesures nous ont permis de fortement améliorer les méthodes de calcul pour le charriage des sédiments et de développer un modèle de simulation à l’ordinateur. Grâce à lui, nous pouvons désormais aussi calculer sur de longs tronçons les quantités de sédiments et les conditions de transport dans les rivières de montagne», explique D. Rickenmann. Le modèle fut appliqué dans le Programme national de recherche 61 «Gestion durable de l’eau»: les chercheurs étudièrent les répercussions potentielles du changement climatique sur le transport des sédiments et sur les conditions de vie de la truite de rivière.

Aujourd’hui, les paniers collecteurs sont immobiles, l’Erlenbach n’a presque pas d’eau, et encore moins de sédiments. Le torrent peut cependant présenter un tout autre visage, comme l’illustrent des photos de la dernière grande inondation de juin 2007. À la suite d’un orage, l’Erlenbach remplit alors le bassin de rétention de pierres, de boue et de bois flottant en l’espace de deux heures environ. «Un événement aussi extrême survient ici tous les dix ans environ. Chaque année, nous comptabilisons de 15 à 20 crues avec transport de sédiments», indique D. Rickenmann. Fort heureusement, le ruisseau ne causa aucun dégât dans le hameau voisin de Bruni en 2007.

 

Sur le terrain dans un premier temps, dans le laboratoire ensuite

La planification, la construction et l’entretien d’une installation comme celle au bord de l’Erlenbach coûtent cher. Le bassin de rétention doit régulièrement être excavé afin de pouvoir en tous temps retenir une crue majeure charriant beaucoup de sédiments. La drague charge quelque 1000 mètres cubes de matériaux dans 85 camions qui les transportent ensuite dans une décharge. «L’entretien est intensif, notamment pour les mesures de débits dont nous avons aussi besoin pour les calculs du transport de sédiments. Chaque semaine, un collaborateur contrôle les données de mesure et nettoie les instruments souillés», explique D. Rickenmann.

Il sera peut-être possible à l’avenir d’étalonner les géophones en laboratoire, ce qui serait plus simple et meilleur marché. Carlos Wyss, doctorant, en a fait l’objet d’étude de sa thèse de doctorat au WSL. Ses résultats sont encourageants, même si la méthode étalonnée en laboratoire n’a pas encore tout à fait la précision souhaitée.

L’Illgraben est chaud et sec tandis que l’Erlenbach est humide et froid. Les deux installations d’essais à grande échelle du WSL ont toutefois un point commun: ce n’est pas l’être humain mais la nature qui déclenche les essais. D. Rickenmann explique: «Nous observons des processus naturels qu’il serait tout à fait impossible de déclencher artificiellement avec une telle ampleur». (Gottardo Pestalozzi, Lisa Bose, Diagonale 1/16)