LE GLISSEMENT SUPERFICIEL PAR SATURATION HYDRIQUE

Le glissement translationnel (opposé au rotationnel) est un type de glissement dont un sous-type est le glissement superficiel par saturation hydrique (shallow landslide). Ce type de glissement superficiel se produit à la suite d’épisode pluvieux et sa surface de rupture se déplace à la base de l’horizon racinaire. Ce type de glissement impacte généralement de petites surfaces.

1.3.3. LES DEPOTS

A la suite de l’écoulement on observe les dépôts. On retrouve principalement les zones de dépôts en aval du phénomène ainsi qu’au niveau des zones de replat et derrière les embâcles. On peut également observer une succession de plusieurs phénomènes d’érosion, d’écoulement et de dépôt, selon les caractéristiques de surface. Lorsque les écoulements sont chargés, ils sont plus dangereux car ils sont plus denses et ont plus de puissance, mais aussi parce qu’à la suite de ce type d’évènement la partie liquide s’écoule pour rejoindre les cours d’eau et il reste les matériaux déposés (Figure I-11), ce qui est plus coûteux pour la remise en état.

FIGURE I-11: DEPOTS DE BOUE ; A GAUCHE, EN BELGIQUE (SOURCE : EVRARD, 2008) ; A DROITE, A VALDAMPIERRE (OISE) EN 2014 (SOURCE: FRANCE 3 PICARDIE / JEAN-LOUIS CROCI)

1.3.4. LES EFFONDREMENTS

Dans certains cas on peut observer des effondrements de terrain (appelés aussi fontis ou bétoire, Figure I-12). L’eau de ruissellement en s’infiltrant dans le sol au niveau d’une cavité souterraine, d’origine

Chapitre 1 : Définition du ruissellement

naturelle ou anthropique, peut engendrer une érosion progressive du plafond de la cavité jusqu’à l’effondrement du terrain porteur (Didier et Salmon, 2010; Riaza et al., 2004; White et al., 1986). Le lien entre ces phénomènes et le ruissellement n’est pas toujours évident, les effondrements peuvent être déclenchés à la suite de périodes pluvieuses, de passage ou de stagnation de ruissellement, mais leur occurrence dépend, pour une grande part, des caractéristiques géotechniques intrinsèques à la zone. Ces phénomènes ne seront donc pas étudiés dans le cadre de la thèse.

FIGURE I-12: PHOTO D'UN EFFONDREMENT EN SEINE-MARITIME EN 2001 (SOURCE: CETE NC)

1.4. LES FACTEURS DU RUISSELLEMENT

Le ruissellement est influencé par de nombreux facteurs qui peuvent chacun atténuer ou aggraver le phénomène. Ces facteurs sont ici présentés en quatre grands types : les précipitations, la géomorphologie, le sol et le sous-sol, et l’occupation du sol (Cros-Cayot, 1996; Montoroi, 2012). Chacun de ces grands types peut être décomposés en de multiples sous-facteurs influençant le ruissellement de différentes manières et à différentes échelles, plusieurs facteurs pouvant parfois même induire des rétroactions, c’est-à-dire équilibrer ou amplifier des effets conjoints.

1.4.1. LES PRECIPITATIONS

Les précipitations sont le premier facteur du ruissellement, ce sont elles qui permettent de générer les volumes d’eau. Les précipitations sont encore difficiles à caractériser, à prévoir et à simuler (Caseri et al., 2016; Leblois et Creutin, 2013). La pluie peut être décrite par de nombreux paramètres tels que son intensité, sa durée, sa fréquence, sa répartition spatiale, son épicentre et son abattement (variation d’intensité par rapport à la distance à l’épicentre) (Musy, 2005). Chacun de ces paramètres peut influencer le ruissellement. L’intensité de la pluie, associée à sa durée, influence les volumes d’apport. Sa fréquence, ou son historique récent, informe sur l’état d’humidité du sol et sa répartition au cours de l’année peut montrer des saisons ou périodes plus propices au ruissellement. Sa répartition spatiale influence le ruissellement, par exemple, si l’épicentre de l’épisode pluvieux est localisé sur une zone à faible capacité d’infiltration ou bien au niveau d’un sous-bassin avec un faible temps de concentration. Le gel, par ailleurs, peut rendre les sols momentanément imperméables et accroître le potentiel de ruissellement.

1.4.2. LA MORPHOLOGIE DU BASSIN VERSANT

La morphologie d’un bassin versant peut être caractérisée par de nombreux paramètres géométriques : la surface, la forme, l’altitude, les pentes, etc. (Douvinet et al., 2008; Dubreuil, 1966; Musy, 2005). La

Partie 1 : Contexte de la thèse et enjeux scientifiques et opérationnels

surface étant l’aire de réception des précipitations, elle joue en partie un rôle dans les volumes d’apport. La forme d’un bassin versant influence la concentration des écoulements. Les bassins de forme concentrique favorisent la concomitance des écoulements et potentiellement la formation des volumes d’eau importants en certains points du bassin (Figure I-13). Il existe différents indices pour caractériser la forme du bassin. L’indice de compacité de Gravelius est défini par le rapport du périmètre d’un bassin au périmètre du cercle de même surface (Gravelius, 1914). L’indice de forme de Schumm (Schumm, 1956) est défini par le rapport du diamètre du cercle de même surface par la longueur maximale du bassin. On trouve également l’indice de Horton (Horton, 1932), qui est le ratio de la surface du bassin par le carré de la longueur du plus long cours d’eau ou encore de l’indice d’allongement de Caquot qui est le rapport du plus long chemin et du côté du carré de surface équivalente (Réméniéras, 1980).

FIGURE I-13: HYDROGRAMMES A L’EXUTOIRE DE DEUX BASSINS VERSANTS DE FORMES DIFFERENTES, LE BASSIN DE FORME CONCENTRIQUE A UN DEBIT MAXIMUM PLUS IMPORTANT ET UN TEMPS DE CONCENTRATION PLUS COURT. (SOURCE : MUSY,

2005)

La répartition des pentes dans le bassin versant est également une information critique. Les pentes fortes sont défavorables à l’infiltration et leurs longueurs sont propices à la constitution de volumes importants. Pour obtenir la pente caractéristique d’un bassin versant, il existe de multiples indices. La pente moyenne se calcule par la moyenne des surfaces élémentaires dans le sens de plus grandes pentes. L’indice de pente de Roche se calcule par rapport à la pente entre chaque courbe de niveau (Roche, 1963). Les ruptures de pente influencent également la dynamique des écoulements où une courbure convexe favorise l’accélération des écoulements de surface et une courbure concave favorise le ralentissement. L’indice topographique (Beven et Kirkby, 1979) fournit une information sur la capacité d’évacuation de l’eau en un point. Il se calcule par ln(a/tanb), ou a est la pente moyenne des aires drainées en amont et b la pente locale. Cet indice, appelé également indice topographique d’humidité est souvent associé à la localisation des zones humides (Hjerdt et al., 2004). Douvinet et al. (2008) font une revue bibliographique des indices morphométriques, dans laquelle 63 indices ont été recensés (Figure I-14). Ils critiquent notamment le caractère statique (ne décrivant pas la dynamique des processus hydrologique) et cloisonné (composantes forme, volume et réseau rarement croisées) de ces indices empiriques.

Chapitre 1 : Définition du ruissellement

FIGURE I-14: RECENSEMENT DE 63 INDICES MORPHOMETRIQUES PAR DOUVINET ET AL. (2008) DANS LEUR REVUE BIBLIOGRAPHIQUE

Ces paramètres peuvent se calculer à partir d’un Modèle Numérique de Terrain (MNT), bien que la valeur de certains indices puisse varier selon la résolution du MNT (effet fractal du calcul du périmètre par exemple) (Sarrazin, 2012; Zhang et al., 2008). Il est important de bien caractériser la qualité du MNT dont les valeurs arrondies peuvent générer des artefacts (effet de terrasses sur les zones planes) (Khuat Duy, 2011). La microtopographie joue également un rôle sur les écoulements de surface, mais sa prise en compte requiert des données de très haute résolution. Ces indices sont régulièrement discutés, remis en cause et de nouveaux apparaissent (Bendjoudi et Hubert, 2002).

1.4.3. LE SOL ET SOUS-SOL

Le sol est l’interface entre l’atmosphère et la roche mère. Il résulte de la dégradation de la couche superficielle de la roche mère et d’un apport en sédiments. Le sol est composé d’air, d’eau, de matière minérale et de matière organique animale et végétale de tailles très diverses. Il est le lieu de multiples interactions physiques, chimiques et biologiques (Montoroi, 2012). Le sol est un milieu particulièrement complexe et de nombreux paramètres sont nécessaires pour le caractériser : son couvert végétal (taille des racines, capacité à l’évapotranspiration), sa texture (sable, limon, argile) (Figure I-15), sa structure (répartition des horizons et caractéristiques du sol entre chaque horizon (Figure I-16), son épaisseur (de la surface au substratum), sa porosité (répartition des vides), sa teneur en eau, sa teneur en matières organiques, etc. (Duchaufour, 2004; "Gis Sol" Partageons la connaissance des sols; Gobat et al., 2013). Chacun de ces paramètres influence le ruissellement de surface.

Partie 1 : Contexte de la thèse et enjeux scientifiques et opérationnels

FIGURE I-15: TRIANGLE DES TEXTURES, REPRESENTATION GRAPHIQUE DES DIFFERENTES TEXTURES DE SOLS SELON LEUR TENEUR EN SABLE, LIMON ET ARGILE.

FIGURE I-16: REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA STRUCTURE D'UN SOL COMPOSE DE DIFFERENTS TYPES DE SOLS APPELES AUSSI HORIZONS

La texture du sol, par exemple, caractérise sa propension à la battance et à l’érodabilité. Le phénomène de battance se produit par l’impact des gouttes de pluie sur des particules de sol instables. Les gouttes cassent les agrégats de sol en grains très fins qui colmatent la surface, formant une croute réduisant fortement la perméabilité et favorisant l’érosion (Bajracharya et Lal, 1999; Philip, 1998). Les croutes de battance se produisent sur des sols plutôt argileux-limoneux avec une faible teneur en matière organique (Figure I-17). L’érodabilité est l’incapacité du sol à résister au détachement de particules face à la force de cisaillement du ruissellement (Cerdan et al., 2006; Gomez et al., 2013; Wischmeier et Mannering, 1969). Les sols érodables sont également des sols limoneux avec une faible teneur en matières organiques. Une forte propension à l’érodabilité favorise des écoulements chargés en particules.

Chapitre 1 : Définition du ruissellement

FIGURE I-17: FORMATION D'UNE CROUTE DE BATTANCE PAR L’IMPACT DES GOUTTES DE PLUIE (DE A VERS C) (SOURCE: Y. LE BISSONAIS)

Les écoulements de subsurface peuvent former des drains naturels, macropores reliés entre eux formant des chemins préférentiels. Ces écoulements sont également favorisés par la présence de racines, de terriers d’animaux ou encore par des discontinuités telles que des fissures lorsque le sol est très sec ou entre deux horizons de sols de perméabilités différentes. Ces écoulements de subsurface fragilisent la surface et peuvent accélérer la formation de ravines par effondrements (Douvinet, 2008; Fort et al., 2015). Ils peuvent également revenir en surface par exfiltration notamment aux niveaux des ruptures de pentes convexes.

Les caractéristiques géologiques de la roche mère complexifient l’étude du ruissellement car elles influencent les écoulements surfaciques, ainsi que la réponse hydrologique globale du bassin versant (Beven et Germann, 1982; Brooks et Corey, 1964; Weiler et Naef, 2003). Des failles dans la roche mère par exemple peuvent permettent à l’eau de percoler rapidement en profondeur. Certains types de roches, notamment les roches altérés, par leur perméabilité, permettent un stockage supplémentaire (Onda et al., 2001). Par exemple, certaines zones dans le massif des Cevennes présentent une épaisseur de granite altéré perméable entre le sol et la roche mère, qui rend le phénomène de ruissellement assez rare (Braud et al., 2014). Le flux d’eau dans la roche peut parfois même dominer les flux de subsurface, pour les bassins en schiste par exemple (Onda et al., 2006). Les roches calcaires, peuvent également retenir de grandes quantités d’eau dans des cavités ou dans des rivières souterraines (Padilla et al., 1994). 1.4.4. L’OCCUPATION DU SOL

L’occupation du sol désigne le type d’usage ou de non-usage que l’homme fait de la surface de la terre (forêts, pâturages, champs agricoles, routes, bâtiments, cours d’eau, etc.). L’occupation des sols influence la capacité d’infiltration ou de stockage des écoulements de surface. Le phénomène de ruissellement est nettement réduit sous couvert végétal naturel tandis que les sols nus ou les zones urbaines sont propices à la génération de ruissellement (Rey et al., 2004). A la fin des années 1960 on assiste à une extension des zones urbaines, puis à leur forte densification dans les années 1970 et le début des années 1980 (Baccaïni et Sémécurbe, 2009). L’extension des zones occupées par l’habitat individuel a augmenté dans quasiment toutes les régions françaises métropolitaines et elle a augmenté au-delà de 50% en région Provence-Alpes-Côte-D’azur entre 1992 et 2003. Ceci engendre une baisse de la capacité d’infiltration des eaux de surface et augmente les volumes d’eau à gérer pour les agglomérations urbaines. De plus, certaines modifications anthropiques de l’occupation du sol interceptent et redirigent les écoulements, tels que, le bâti, les réseaux d’irrigation et de drainage ou les réseaux linéaires au sol (routes, voies ferrées). Les zones urbaines ou péri-urbaines mettent en place des systèmes de protection tels que des fossés, des buses ou des bassins de rétention. Ces ouvrages ne sont pas toujours bien répertoriés dans des bases de données, et sont donc difficiles à prendre en compte dans l’étude et la gestion du ruissellement.

Les pratiques culturales influencent également le phénomène de ruissellement (Bocher, 2005). Par exemple, le sens du travail du sol, peut influencer la direction du ruissellement et générer des ravines

Partie 1 : Contexte de la thèse et enjeux scientifiques et opérationnels

(Figure I-18) (Delahaye, 2002; Ludwig, 2000). Le désherbage des inter-rangs et le fait de laisser la terre à nu entre deux cultures favorise également la genèse et le transfert rapide de ruissellement (Figure I-19). Des pratiques plus globales telles que le remembrement des parcelles agricoles ont engendré un impact à long terme sur l’érosion des terres et la perte en nutriments. Avant les remembrements qui ont permis d’élargir les parcelles et d’augmenter les rendements, il y avait le bocage. Le bocage c’est la séparation des parcelles par des talus végétalisés qui permettent le ralentissement et la meilleure infiltration des eaux de ruissellement tout en favorisant la biodiversité (Bocher, 2005). Par exemple, en Bretagne, entre 1960 et 1990, il y a eu une perte de 40% du maillage bocager (Bocher, 2005). Aujourd’hui on voit une volonté de replanter des haies entre les parcelles, mais souvent le peu de diversité des espèces affaiblit l’écosystème. La dynamique politique à ce sujet est encourageante, elle place la protection des ressources en eau au cœur de l’aménagement de bassins versants. Néanmoins, le rôle du bocage sur la dynamique du ruissellement et de l’érosion est complexe et encore à l’étude actuellement (Reulier et al., 2015). Plus généralement, l’occupation des sols est difficile à prendre en compte car elle varie rapidement dans le temps et dans l’espace (variation des cultures à l’échelle intra-annuelle et urbanisation à échelle plus lente).

FIGURE I-18: PHOTOS AERIENNES OU LE SENS DU TRAVAIL DU SOL PEUT INFLUENCER LA DIRECTION DES ECOULEMENTS, A GAUCHE, LES ECOULEMENTS ONT ETE INFLUENCES, A DROITE, LES ECOULEMENTS ONT SUIVI LE CHEMIN DE PLUS GRANDE PENTE

(SOURCE : DELAHAYE, 2002)

FIGURE I-19 : PHOTOS D’INTER-RANGS DESHERBES OU ON PEUT OBSERVER DE L’EROSION ET DES LAISSES DE CRUE AUTOUR DES PIED DE VIGNES. (OCTOBRE 2014, HERAULT)

1.5. L

Le ruissellement est un phénomène naturel et essentiel dans l’équilibre du cycle de l’eau, mais il peut avoir des conséquences néfastes sur les enjeux qu’il rencontre. D’après le guide de sensibilisation du CEPRI pour la gestion des inondations par ruissellement pluvial (CEPRI, 2015), 72.5% des communes ont

Chapitre 1 : Définition du ruissellement

connu à ce jour au moins un épisode d’inondation par ruissellement. Trois enjeux majeurs exposés à l’aléa ruissellement sont détaillés ici : les personnes, les biens et l’environnement.

1.5.1. LES PERSONNES

Les personnes peuvent être impactées physiquement par le ruissellement (Pascal Breil et al., 2016; Debionne et al., 2016; Shabou, 2016). Des études sur les bassins du nord de la France (Seine-Maritime, Somme, etc.) montrent que ces épisodes d’inondations boueuses sont relativement fréquents à échelle régionale, 269 évènement sont dénombrés sur 23 ans de données (Douvinet, 2008; Douvinet et al., 2009). Parmi ces évènements certains ont engendré des pertes humaines, tel qu’à Saint-Martin-de-Bocherville en juin 1997 et à Barentin et à Saint-Léonard en mai 2000 (Seine-Maritime), où respectivement 3 et 2 personnes ont perdu la vie. Les travaux de Boissier (2013) analysent également plusieurs phénomènes de ruissellement qui ont causé la mort. D’autres recherches montrent la difficulté d’évaluer l’impact humain des inondations en général, qui peut s’expliquer par une certaine sensibilité du sujet, mais aussi par l’interaction de facteurs qui se compensent. On voit par exemple une augmentation de la population située en zone à risque mais également une meilleure efficacité de la gestion de crise par les autorités et les secours (Boudou et al., 2016; Vinet et al., 2016). Lors d’épisodes de ruissellement intense, il est souvent difficile d’identifier les mécanismes hydrologiques ayant engendré les pertes, c’est-à-dire d’identifier la façon dont le phénomène de ruissellement intervient dans le phénomène global. Le ruissellement peut parfois être un facteur aggravant, pour les débordements de cours d’eau par exemple, dans d’autres cas, il est le mécanisme principal, lors des coulées de boue par exemple. Pour certains épisodes de coulées de boue, il arrive que le cumul de précipitation ayant généré le phénomène se trouve bien en amont des dégâts observés, où parfois il n’a même pas plu (Lucheux et Mondicourt en juin 2016, 1 décès, Courrier Picard, 2016). Ceci illustre la présence de zones de genèse du ruissellement (les plateaux agricoles), d’axes de transfert (les talwegs) et de zones d’accumulation (le village entre le talweg et le cours d’eau dans le cas de Lucheux, par exemple, qui a été recouvert par 10 à 20 cm de boue).

1.5.2. LES BIENS

Les biens impactés par le ruissellement peuvent subir des dégâts plus ou moins importants selon l’intensité du phénomène naturel, la fragilité de la structure et les moyens de protection physiques ou organisationnels mis en œuvre. Différents types de biens sont détaillés ici : les biens privés, les biens ayant une activité économique ou une activité de service public et les terres agricoles.