Les rivières digèrent les glissements de terrain plus vite qu'on ne pensait

Les dépôts massifs de sédiments, issus des glissements de terrain déclenchés par les séismes, pourraient être évacués par les rivières en seulement 10 à 20 ans au lieu de quelques siècles, comme on l’estimait jusqu’ici. C’est le rétrécissement dynamique des rivières lorsqu’elles incisent ces dépôts sédimentaires qui accélèrerait considérablement leur évacuation, selon des chercheurs du laboratoire Géosciences Rennes (CNRS/Université de Rennes 1). Ce résultat enrichit notre compréhension de l’impact des événements extrêmes sur l’évolution des paysages. Il offre des informations essentielles pour gérer les conséquences des catastrophes naturelles. Publication dans Nature Geoscience.

La rivière Rangitikei (Nouvelle-Zélande) - Photo Jeff Hitchcock
  1. Difficulté du terrain, recours à la modélisation numérique
  2. Un mécanisme-clé : le rétrécissement dynamique
  3. Les perspectives ouvertes par le modèle EROS
  4. Références

Les glissements de terrain constituent le premier mécanisme d’érosion des chaînes de montagnes. Les séismes et les fortes précipitations peuvent en déclencher jusqu'à plusieurs milliers, générant ainsi des centaines de millions de mètres cubes de sédiments en l’espace de quelques minutes à quelques jours. Des exemples récents illustrent parfaitement ce phénomène, tels que les nombreux glissements de terrain induits par les séismes du Wenchuan en 2008 (Chine), de Gorkha en 2015 (Népal) ou encore de Kaikoura en 2016 (Nouvelle-Zélande). Une grande partie des sédiments provenant des glissements de terrain est déversé directement dans les rivières, les étouffant littéralement sous des mètres de débris.

Comment et à quelle vitesse les rivières peuvent-elles gérer cet apport catastrophique de sédiments ? La réponse à cette question est essentielle, tant pour la gestion des aléas liés au transport sédimentaire en aval de l’épicentre (augmentation du risque d’inondation, érosion des berges, changement brutal des cours d’eau), que pour améliorer notre compréhension de la résilience des paysages aux événements tectoniques et climatiques extrêmes.

L’étendue géographique du problème et la difficulté à équiper de capteurs des zones inaccessibles et dangereuses rendent la mesure du temps d’évacuation in situ très complexe. C'est le cas en particulier pour les très gros glissements de terrain, capables de bloquer les rivières et de créer des barrages naturels. Pour pallier cette absence de données, les chercheurs ont eu recours à la modélisation numérique simulant l’hydrodynamique fluviale, le transport sédimentaire et l’érosion des berges dans les rivières.

À l’aide d’une nouvelle génération de modèle numérique développée à Géosciences Rennes et baptisée EROS, les chercheurs ont exploré systématiquement l’évolution morphologique des rivières en réponse au dépôt de différents volumes de glissement de terrain.

 

En faisant la synthèse des résultats de la simulation pour des milliers de glissements de terrain, les chercheurs prédisent que le temps moyen d’export des sédiments liés à un séisme majeur est de l’ordre de 10 à 20 ans, contrairement aux estimations précédentes évoquant plusieurs siècles.

 

Plus important encore, alors que le volume total des sédiments produits durant un séisme augmente très fortement avec sa magnitude, le temps moyen d’export par les rivières ne varie quasiment pas. Cela souligne le rôle essentiel du mécanisme de rétrécissement dynamique des rivières pour permettre une digestion efficace des très gros volumes de sédiment. Ce résultat est valable pour les chaînes de montagne pluvieuses (Himalaya, Taiwan, Nouvelle-Zélande) ou arides (Andes).

Ces nouveaux résultats et outils de modélisation apportent des prédictions quantitatives essentielles pour la gestion des risques naturels dans les rivières, tels qu'ils surviennent après les séismes et les ouragans. Cette étude change aussi fondamentalement la perception de la communauté scientifique sur l’empreinte laissée dans le paysage par les événements extrêmes passés.

 

Difficulté du terrain, recours à la modélisation numérique

Comment et à quelle vitesse les rivières peuvent-elles gérer cet apport catastrophique de sédiments ? La réponse à cette question est essentielle, tant pour la gestion des aléas liés au transport sédimentaire en aval de l’épicentre (augmentation du risque d’inondation, érosion des berges, changement brutal des cours d’eau), que pour améliorer notre compréhension de la résilience des paysages aux événements tectoniques et climatiques extrêmes.

L’étendue géographique du problème et la difficulté à équiper de capteurs des sites inaccessibles et dangereux rendent très complexe la mesure du temps d’évacuation. C'est le cas en particulier pour les très gros glissements de terrain, capables de bloquer les rivières et de créer des barrages naturels. Pour pallier cette absence de données, les chercheurs ont eu recours à la modélisation numérique simulant l’hydrodynamique fluviale, le transport sédimentaire et l’érosion des berges dans les rivières.

À l’aide d’une nouvelle génération de modèle numérique développée dans l'UMR Géosciences Rennes (CNRS/Université de Rennes 1 - OSUR) et baptisée EROS, les chercheurs ont exploré systématiquement l’évolution morphologique des rivières en réponse au dépôt de différents volumes de glissement de terrain.

Image satelite

L'image satellite de la figure a. montre un glissement de terrain incisé par une rivière (Népal). La figure b. résume la modélisation EROS de l'évacuation d'un glissement de terrain par une rivière. Les données naturelles et le modèle montrent que le glissement de terrain est incisé verticalement par une rivière étroite. Fig. a. : Landsat 8/USGS Fig. b. Croissant et al. / Géosciences Rennes

Un mécanisme-clé : le rétrécissement dynamique

C'est ainsi qu'ils ont mis en évidence un mécanisme de rétrécissement dynamique de la rivière durant l’incision des plus gros dépôts, qui amplifie la vitesse à laquelle ils sont exportés : plus le volume de sédiments est important, plus la rivière exporte efficacement.

1. Suite à un séisme majeur, un glissement de terrain se déclenche, ensevelissant littéralement une rivière sous un dépôt massif de sédiments, au point de former un lac en amont.
2. La rivière commence à éroder le dépôt (incision verticale), se frayant peu à peu un chemin.
3. Lorsqu'un premier flux se rétablit, le lit de la rivière est encore très encombré, et la largeur de l'écoulement reste très rétrécie. Sur cette portion étroite, l'eau de la rivière coule alors plus beaucoup plus vite, ce qui augmente d'autant sa capacité à transporter le sédiment. Elle est ainsi capable d'évacuer le dépôt bien plus vite qu'on ne le pensait.

Les chercheurs avaient déjà pressenti ce phénomène lors des observations de terrain, mais le modèle numérique EROS développé dans l’équipe est l'un des premiers à pouvoir rendre compte de ce mécanisme et quantifier son rôle sur la vitesse d’export des sédiments. Avant cela, les modèles numériques négligeaient ce rétrécissement dynamique (ou ne pouvaient pas le reproduire), alors qu’il s’avère essentiel.

Les perspectives ouvertes par le modèle EROS

En généralisant ce nouveau mécanisme sur des milliers de glissements de terrain, les chercheurs prédisent que le temps moyen d’export des sédiments liés à un séisme majeur est de l’ordre de 10 à 20 ans, contrairement aux estimations précédentes évoquant plusieurs siècles.

Plus important encore, alors que le volume total des sédiments produits durant un séisme augmente très fortement avec sa magnitude, le modèle EROS montre que le temps moyen d’export par les rivières ne varie quasiment pas. Cela souligne le rôle essentiel du mécanisme de rétrécissement dynamique des rivières pour permettre une digestion efficace des très gros volumes de sédiment. Ce résultat est aussi bien valable pour les chaînes de montagne pluvieuses (Himalaya, Taïwan, Nouvelle-Zélande) qu'arides (Andes).

Ces nouveaux résultats et outils de modélisation apportent des prédictions quantitatives essentielles pour la gestion des risques naturels dans les rivières, associés aux glissements de terrain déclenchés par les séismes ou les ouragans. Cette étude change aussi fondamentalement la perception de la communauté scientifique sur l’empreinte laissée dans le paysage par les événements extrêmes passés.

Faille alpine

Références

Projet financé par CNRS/INSU/ALEAS « Sediquake » et ANR « Eroquake »

Article principal

Rapid post-seismic landslide evacuation boosted by dynamic channel width
Croissant, T., Lague, D., Steer, P. and Davy, P. (2017)
Nature Geoscience, 2017, doi:10.1038/ngeo3005.

Références secondaires

A precipiton-based approach to model hydro-sedimentary hazards induced by large sediment supplies in alluvial fans
Croissant, T., Lague, D., Davy, P., Davies, T., and Steer, P. (2017)
Earth Surf. Process. Landforms, doi: 10.1002/esp.4171

A precipiton method to calculate river hydrodynamics, with applications to flood prediction, landscape evolution models, and braiding instabilities
Davy, P., T. Croissant, and D. Lague (2017)
J. Geophys. Res. Earth Surf., 122, doi:10.1002/2016JF004156