En montagne, la forêt est une barrière de protection efficace contre les risques naturels, comme les chutes de blocs ou les avalanches qui compromettent la sécurité des biens et des personnes. Cependant, faute d’affichage de cet effet protecteur des forêts de montagne, celui-ci est souvent sous estimé, voire méconnu. Au Cemagref de Grenoble, des travaux novateurs sont conduits pour comprendre et modéliser les interactions entre espaces boisés et aléas. Ces recherches à la fois fondamentales et appliquées constituent une étape indispensable pour optimiser et pérenniser la fonction de protection des forêts d'altitude.

Les éboulements rocheux sont les conséquences des effets de la pesanteur et de l’altération des roches. L’importance de ces phénomènes, pour un site donné, est fonction de la masse mise en jeu, de sa nature, de la morphologie du terrain et des éléments rencontrés lors de sa propagation. Tout élément qui augmente la dissipation d’énergie des volumes en mouvement va limiter, voire arrêter, la propagation de ces phénomènes. Le caractère aléatoire de la rupture fait que la modélisation de ce phénomène concerne essentiellement sa propagation. Elle permet ainsi de déterminer les caractéristiques des trajectoires.
 
La fréquence des arbres blessés sur les zones forestières soumises aux phénomènes de chutes de pierres, montre indéniablement le rôle d’obstacle joué par la forêt.

Jusqu’en 2003, il était difficile de quantifier et de qualifier l’action d’un peuplement forestier sur la chute d’un bloc faute d’informations fiables sur la capacité de dissipation des arbres. A cette date, des avancées scientifiques significatives ont été réalisé dans ce domaine (Berger et al., 2004). La connaissance dont on dispose maintenant sur le du rôle des peuplements forestier permet :

1. d’une part d’optimiser la gestion de ces forêts en vu d’obtenir le peuplement le plus protecteur,
2. d’autre part d’intégrer le rôle actuel de la végétation lors du dimensionnement des ouvrages de protection de génie civil (filet, tunnel,...).
 
Mais pour optimiser la fonction de protection des forêts de montagne vis-à-vis des chutes de pierres, les chercheurs et les gestionnaires doivent réaliser un certain nombre d’étapes, à savoir :

1. Localiser les zones de départ des projectiles
2. Cartographier les zones de propagation des projectiles
3. Quantifier l’aléa dans la zone de propagation en faisant abstraction de la végétation forestière présente : fréquence de passage, hauteurs de passage, vitesse de passage
4. Décrire les peuplements forestiers présents
5. Quantifier l’aléa dans la zone de propagation en présence de la végétation forestière actuelle : fréquence de passage, hauteurs de passage, vitesse de passage
6. Quantifier la protection offerte par les peuplements forestiers par comparaison des travaux de quantification de l‘aléa avec et sans forêt
7. Définir, hiérarchiser et prioriser les interventions forestières nécessaire à la pérennisation et l’amélioration de la protection offerte par les peuplements forestiers
8. Afficher et communiquer les résultats pour une meilleure prévention par l’affichage du risque
 
Cependant, si cette méthodologie est facile à formaliser, estimer la protection qu'offre une forêt par rapport au risque induit par la propagation d’un bloc rocheux est loin d’être simple. En effet, les observations sur le terrain permettent rarement de suivre et reconstituer le trajet complet d'un rocher sur un versant boisé. Il est alors nécessaire de recourir à la modélisation afin de simuler l'aléa dans des contextes variés. En 2005, le module forestier de l’algorithme de calcul Rockyfor, a été développé au Cemagref en partenariat avec L. Dorren (concepteur de l’algorithme Rockyfor). L’élaboration de ce module forestier a nécessité en premier lieu de développer un modèle de dissipation d'énergie par les arbres et ce lors de l’impact d’un bloc rocheux. Ce modèle de dissipation a été construit, calibré et validé à partir d’expérimentations grandeur nature réalisées en 2001, 2002 et 2003 dans le cadre du programme européen Rockfor.

Au cours de ces essais réalisés sur terrain nu et sur versant boisé, les scientifiques ont au total filmé la chute de 300 blocs d'environ 1m³ sur une pente moyenne de 35°.

Ainsi l’application ROCKYFOR-3D, présentée dans la cadre de cette conférence, est issue de la synthèse de huit années de recherches et d'expérimentation, ainsi que de la collaboration fructueuse entre le Cemagref et la société Graphland qui a développé l’ergonomie informatique de cet outil de simulation trajectographique. Celui-ci est actuellement en phase de test par les concepteurs du modèle Rockyfor et ce dans le cadre de la réalisation d’expertises.

Dorren et al. (2004) ont développé un algorithme de simulation numérique de trajectographie, Rockyfor, qui est un des premiers modèles à intégrer l’action de la végétation forestière sur la propagation de blocs rocheux. Ce modèle est de type « process based » et distribué spatialement ce qui lui permet de modéliser en 3 dimensions le déplacement d’un bloc rocheux sur une pente. Ce modèle utilise des algorithmes mathématiques lui permettant de simuler le vol parabolique d’un bloc et les rebonds sur le sol. Il utilise une représentation en 3 dimensions du terrain sous la forme d’un modèle numérique de terrain (MNT) de type raster (représentation du terrain sous la forme d’un maillage carré). A partir des travaux de Jahn (1988), Gsteiger (1993), Berger et Lievois (1999), Berger et al (2004), un algorithme a été développé. Il  prend en compte la présence d’arbres sur le terrain en temps qu’obstacles potentiels (Cf. Fig. 1). L’approche utilisée est de type probabiliste. Pour chacun des points de départ identifiés sur le terrain, l’opérateur choisit le nombre de simulations qu’il veut effectuer (habituellement de l’ordre de 10000). Lors de la réalisation de chacune des simulations, le modèle fait varier aléatoirement (dans l’intervalle de valeurs déterminé lors de la phase de terrain) les paramètres de calculs lors des rebonds. Le projectile est assimilé à un point mathématique (méthode de la masse concentrée) auquel est associée une information sur son volume.

Les principaux calculs réalisés par ce modèle sont :

- La trajectoire de chacun des projectiles
- La vitesse de translation en tout point de la trajectoire
- La déperdition d’énergie pour tout rebond au sol et tout impact sur des arbres

La trajectoire d’un bloc rocheux est déterminée par la topographie. A chaque pas de calcul la direction de chute à travers une cellule de calcul est déterminée. Mais l’algorithme utilisé est plus puissant que ceux du type « direction de ruissellement » qui ne peuvent obtenir que des flux convergents. En effet, il permet de calculer des flux divergents tels que ceux que peuvent occasionner les impacts sur des arbres (fortes déviations latérales du projectile). Cette procédure est décrite dans l’article de Dorren et al. (2004).
 
Le calcul de la dissipation d’énergie occasionnée par l’impact sur un arbre nécessite de connaître la position des blocs rocheux avant l’impact, son énergie cinétique, la position de l’arbre, son diamètre et son essence. Au sein de Rockyfor, les arbres peuvent être parfaitement positionnés si on connaît leurs positions exprimées en XY, et dans le cas contraire randomisé pour chaque maille de calcul à partir du nombre moyen d’arbre par hectare et de la distribution observée des diamètres. Etant donné que la propagation du bloc est modélisée en 3 dimensions, la position exacte du bloc est connue pour chacune des mailles de calcul. Si un impact a lieu avec un arbre, la dissipation d’énergie est calculée avec l’algorithme suivant :

Ces algorithmes ont été développés par Dorren et Berger (2006) et sont basés sur l’utilisation de données obtenues lors d’expérimentations grandeur nature réalisées dans les Alpes du Nord Françaises. Le modèle Rockyfor utilise le sapin comme essence de référence pour calculer la capacité de dissipation d’énergie de 10 autres essences.
 
Durant la phase aérienne de sa propagation, la vitesse du bloc est calculée en utilisant les algorithmes classiques d’un mouvement parabolique uniformément accéléré. La déperdition d’énergie lors des rebonds au sol est déterminée par l’élasticité du sol, exprimée par un coefficient de restitution normal (rn), et par la rugosité de la pente, exprimée par un coefficient de restitution tangentiel (rt). Le paramètre le plus important pour le calcul de la variation de vitesse est le coefficient de restitution tangentiel. Ce coefficient est déterminé par la composition, la taille des matériaux recouvrant la pente et par le diamètre du bloc (Kirkby et Statham 1975). Ainsi, dans Rockyfor le coefficient de restitution tangentiel est calculé à partir du rayon du bloc en mouvement et du rayon moyen des éléments au sol.
 
Etant donné que le modèle Rockyfor utilise des algorithmes stochastiques et afin d’obtenir par simulation numérique une distribution statistique robuste, il est préconisé de réaliser entre 1000 et 10000 simulations pour chacun des points de départ.
 
L’objectif de ce modèle est de cartographier les zones parcourues par les chutes de pierres simulées. A chacune des mailles du modèle numérique de terrain est associée des informations concernant le nombre de projectiles atteignant une cellule, le nombre de projectiles s’arrêtant dans une cellule, la hauteur maximale moyenne des rebonds [m] (calculée selon la composante normale à la pente), l’énergie maximale calculée [KJ]. Les résultats sont présentés sous la forme de cartes de synthèse pour chacun de ces paramètres.
 
Ce modèle a été testé et validé avec des données provenant de phénomènes passés parfaitement documentés ainsi qu’avec les données provenant des expériences grandeur nature réalisées par le Cemagref de Grenoble. A ce jour, ce modèle a été utilisé pour des expertises en France, Suisse et Autriche ce qui correspond à plus de 600 couloirs. Il peut travailler avec des MNT de différentes résolutions : de 1 m pour les MNT issue de données Lidar jusqu’à 50 m pour des MNT du commerce.
 

Le modèle Rockyfor est en fait constitué d’un ensemble d’algorithmes de calcul développés avec le logiciel Matlab. La saisie des données initiales est réalisée avec le SIG ARCGIS 9.2, puis chacune des couches d’informations est importée dans Matlab. Les résultats des calculs sont quant à eux exportés de Matlab vers Arcgis. Après avoir validés et testés chacun de ces algorithmes et des passerelles de transferts des données, il est très vite apparu la nécessité d’optimiser la gestion de ces flux de données. Les chercheurs ont donc décidé de développer un module informatique au sein duquel les flux de données et les enchaînements des modules de calculs seront transparent à l’utilisateur. Dans le cadre de cette optimisation du modèle Rockyfor, les chercheurs ont aussi voulu développer un outil ergonomique, convivial et facile d’utilisation. Ils ont ainsi construit un cahier des charges dans ce sens et lancé un appel d’offre. La société Graphland a remporté cet appel d’offre et a développé à partir du modèle Rockyfor l’application informatique Rockyfor-3D.

La Solution :


> Technologie :

- ESRI ArcGIS Engine,
- Développement en C# (.NET) dans l’environnement Visual studio 2005,
- Environnement d’exécution de Matlab,
 
Pour répondre aux objectifs du Cemagref, Graph Land a élaboré une solution basée sur les technologies ESRI, premier éditeur mondial de SIG.
Cette solution s’appuie sur le produit ArcGIS Engine permettant de mettre à disposition des outils SIG au sein d’une application personnalisée. Cette solution permet de créer une application personnalisée et diffusable à moindre cout.
 
Graph Land a ainsi effectué :

- Mise en place d’une application standalone permettant de visualiser des données SIG et de les éditer,
- Mise en place de géotraitements pour générer les données en entrée de simulation,
- Paramétrage, gestion de l’exécution et des retours de la simulation Rockyfor (Matlab),
- Traitement des données en sortie de simulation et intégration dans l’application.

Berger, F. and Lievois, J., 1999. Determination of priority forest work areas and creation of green areas in risk prevention plans - an example of researcher-specialist transfer. Proceedings of the International Conference on Mountain Natural Hazards, April 12-14, 1999. Grenoble, France.
 
Berger, F. et al., 2004. Final report of the European project ROCKFOR, 4^Th PCRD, Cemagref 300pp
Dorren, L.K.A. and Berger, F. (2006) Stem breakage of trees and energy dissipation at rockfall impacts. Tree Phys. 26, 63-71.
 
Dorren, L.K.A. and Seijmonsbergen, A.C., 2003. Comparison of three GIS-based models for predicting rockfall runout zones at a regional scale. Geomorphology, 56(1-2): 49-64.
 
Dorren, L.K.A., Maier, B., Putters, U.S. and Seijmonsbergen, A.C., 2004. Combining field and modelling techniques to assess rockfall dynamics on a protection forest hillslope in the European Alps. Geomorphology, 57(3-4): 151-167.
 
Gsteiger, P., 1993. Steinschlagschutzwald. Ein Beitrag zur Abgrenzung, Beurteilung und Bewirtschaftung. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 144: 115-132.
 
Guzzetti, F., Crosta, G., Detti, R. and Agliardi, F., 2002. STONE: a computer program for the three-dimensional simulation of rock-falls. Computers & Geosciences, 28(9): 1079-1093.
 
Jahn, J., 1988. Entwaldung und Steinschlag, International Congress Interpraevent, Graz. Conf. Proceedings Vol. 1, pp. 185-198.
 
Kirkby, M.J. and Statham, I., 1975. Surface stone movement and scree formation. Journal of Geology, 83: 349-362.