La forêt: un filet pare pierres naturel

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).

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. 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.

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.