Quand les pierres se mettent à rouler
L'éboulement de Brienz (GR) a tenu la Suisse en haleine pendant des semaines en 2023. Gr?ce à un modèle, des chercheurs du Domaine des EPF ont pu prédire avec précision et à l'aveugle où les matériaux de l'éboulement allaient s'arrêter. Le professeur Johan Gaume de l'ETH explique le fonctionnement du modèle et ses limites.
Johan Gaume, professeur de mouvements de masse alpins à l'ETH Zurich et au WSL Institut pour l'étude de la neige et des avalanches (SLF) à Davos, s'intéresse aux avalanches, aux glissements de terrain ainsi qu'aux coulées granulaires et de débris. Afin d'estimer quelles zones pourraient être menacées par de telles catastrophes naturelles, lui et ses collaborateurs ont développé un nouveau logiciel de simulation. Dans le cas de Brienz, ils ont ainsi pu prédire, peu avant l'éboulement, jusqu'où l'avalanche de roches pourrait arriver - et l'événement réel a finalement étayé la simulation de manière "empirique". Dans l'interview, le chercheur explique le fonctionnement de son modèle et pourquoi il s'est abstenu de communiquer l'été dernier, lorsque l'éboulement était d'actualité.
Actualités ETH : Gr?ce à votre nouveau modèle, vous avez pu prédire presque au mètre près où les matériaux rocheux allaient s'arrêter avant l'éboulement proprement dit de Brienz. Quel est le secret de ce modèle ?
Johan Gaume: Jusqu'à présent, les modèles sont bidimensionnels avec des lois de frottement empiriques dont les paramètres sont généralement recalculés sur la base de données d'événements passés. Comme les événements réels ne se répètent pas à l'infini dans les mêmes conditions, l'étalonnage n'est pas simple et les incertitudes liées à la modélisation sont par conséquent importantes. Notre modèle, en revanche, s'oriente sur les matériaux impliqués, la glace, la neige ou la roche, est entièrement tridimensionnel et ne nécessite pour l'essentiel que trois composants : un modèle numérique d'altitude pour représenter la topographie, le volume du matériau libéré et différentes propriétés mécaniques telles que le frottement et la résistance du matériau. Ces propriétés peuvent être déterminées par des essais géotechniques classiques en laboratoire.
Le modèle a-t-il été développé spécifiquement pour le cas de Brienz ?
Non, il a été développé à l'origine pour simuler des avalanches de neige. Mais comme notre code est axé sur les matériaux, il est relativement facile d'y insérer un autre modèle de matériau et de simuler le comportement de la roche, de la glace et de l'eau.
Pourquoi Brienz était-il si important pour vous ?
Brienz a été pour nous l'occasion d'apporter une contribution à ce cas et de tester la précision avec laquelle notre modèle prédit de tels événements. Jusqu'à récemment, nous ne pouvions le faire qu'à partir de page externeévénements passés testent les résultats. C'est pourquoi Brienz était particulièrement intéressant pour nous. En raison de la forte probabilité d'un événement majeur, nous avons fait des prévisions en aveugle avec nos simulations et transmis nos résultats aux autorités cantonales.
Comment se présentaient ces prévisions ?
Nous avons établi deux scénarios : l'un sec et l'autre pessimiste avec beaucoup d'eau, ce qui augmente la mobilité des matériaux rocheux. Dans le cas d'un éboulement sec, nous prédisions que l'avalanche de rochers s'arrêterait à environ 20 mètres du village. Mais notre deuxième scénario montrait qu'en cas de grande quantité d'eau, plus de la moitié du village pourrait être touchée par l'éboulement.
Cela semble être une grande précision de prévision pour un scénario sec. Dans quelle mesure votre modèle est-il proche de la réalité ?
Bien que nous ayons pu constater avec plaisir que notre simulation correspondait bien à la réalité, les résultats de notre modélisation n'étaient pas parfaits et comportaient quelques incohérences. Par exemple, le volume de matériau a été légèrement surestimé dans notre simulation. De plus, notre modèle a montré une propagation latérale plus importante que celle que nous avons observée dans la réalité.
L'été dernier, vous avez fait preuve de retenue dans vos prévisions. Pourquoi ?
D'un c?té, j'étais ravi que notre simulation soit aussi précise. Nous y avons travaillé pendant des années, c'est pourquoi je voulais d'une part communiquer le succès dans le cas de Brienz. D'autre part, il y avait de grandes incertitudes, comme par exemple la question de l'eau et le scénario de déclenchement. S'il y avait eu beaucoup d'eau, la simulation aurait été assez imprécise, car il lui manque un couplage hydromécanique complet. Nous travaillons actuellement sur ce point. Mais j'ai aussi hésité à communiquer, car l'aspect politique était délicat. Les gens sur place auraient pu mal interpréter un tel message. Même si mon modèle prédisait qu'un gros éboulement allait se produire et s'arrêter à 20 mètres de ma maison, j'évacuerais parce qu'il y a trop d'incertitudes.
Combien de temps avez-vous travaillé sur ce modèle ?
Depuis 2017, je travaille avec mes collaborateurs et collaboratrices du SLF et de l'Université de Californie Los Angeles (UCLA) sur une nouvelle génération de modèles informatiques qui simulent le plus précisément possible les mouvements de masse alpins. Il s'agit notamment des coulées de neige, de glace, de pierres et de laves torrentielles, ainsi que des cascades dans lesquelles un processus tel qu'une avalanche de pierres et de glace déclenche une coulée de boue. D'une manière générale, je m'intéresse depuis longtemps aux modélisations qui se rapportent au déclenchement et à la dynamique des mouvements de masse dans les Alpes.
Comment améliorer le modèle ?
Pour Brienz, un post-doctorant de mon groupe à l'ETH et au SLF est en train de réanalyser les données. Nous allons effectuer des simulations supplémentaires afin d'évaluer nos prévisions et de voir ce que nous aurions pu faire de mieux. Nous présenterons nos simulations à l'aveugle et les analyses qui s'ensuivront cet été lors de la conférence Interpraevent à Vienne. En outre, nous développons actuellement d'autres modèles dans lesquels nous pouvons combiner simultanément des solides et des liquides, de sorte que nous obtenions un mélange d'un liquide visqueux et de particules grossières et plus grandes, c'est-à-dire des morceaux de roche. Nous étendons également nos modèles afin de mieux étudier les effets du réchauffement climatique. Pour cela, nous avons besoin de modèles qui simulent l'interaction entre la phase liquide et la phase solide, mais qui saisissent aussi les changements de phase de solide à liquide ou les effets de la température. Enfin, nous travaillons à la simulation de cascades de processus, comme celles qui se sont produites au Piz Cengalo, au-dessus de Bondo. Dans de telles cascades, un événement en déclenche un autre, qui en déclenche un autre. De telles cascades de processus catastrophiques pourraient devenir plus fréquentes et plus violentes en raison du changement climatique. Elles commencent très haut dans les Alpes et pourraient s'écouler dans la vallée sous forme de mélange de composants liquides et solides.
Mettez-vous vos modèles à la disposition des praticiens ?
Pour que nous puissions mettre les modèles à la décision des praticiens, nous devons d'abord simplifier leur utilisation. Nous allons bient?t commencer à développer une interface utilisateur graphique pour les rendre conviviaux. Nous voulons également améliorer l'efficacité de notre code. La simulation de Brienz, par exemple, avait une résolution de deux mètres et comportait environ deux millions de particules. Il fallait moins de dix minutes à un bon ordinateur de bureau pour l'exécuter. Une version qui pourrait utiliser des processeurs graphiques et des outils d'intelligence artificielle nous permettrait soit d'améliorer la résolution, soit de rendre les résultats de simulation disponibles en moins d'une minute.
Comment allez-vous utiliser le modèle à l'avenir ?
Nous utilisons notre modèle pour la recherche et pour le conseil. Nous avons eu quelques demandes de la part d'offices cantonaux et d'Engineering Tools pour effectuer des simulations dans des cas où les approches classiques sont difficiles. Cependant, la plupart de nos travaux concernent pour l'instant la recherche. Au vu des améliorations et des développements prévus, je suppose que la pratique pourrait également s'intéresser à notre modèle.
? quels autres cas pourriez-vous appliquer votre modèle en Suisse ou dans les Alpes dans un avenir proche ?
Actuellement, nous faisons partie de l'important projet WSL Climate Change Impacts on Mass Movements, dans le cadre duquel nous réalisons des scénarios et des simulations dans la région de Kandersteg, au sommet du Spitze Stei, au-dessus du lac d'Oeschinen, où une pente rocheuse est instable. Nous y simulons une potentielle avalanche massive de pierres qui pourrait éventuellement atteindre le lac et provoquer un tsunami. Cela pourrait entra?ner des sédiments saturés et provoquer une lave torrentielle qui pourrait menacer le village de Kandersteg.
Référence bibliographique
Cicoira A, Blatny L, Li X, Trottet B, Gaume J. Towards a predictive multi-phase model for alpine mass movements and process cascades, Engineering Geology, Volume 310, 2022, 106866, doi : page externe10.1016/j.enggeo.2022.106866