თელავის ი. გოგებაშვილის სახ.სახელმწიფო უნივერსიტეტი.tesau.edu.ge/failebi/swavla/soc.pdf ·
Complexité en géomorphologie fluviale : un test de la...
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GEOLABLaboratoire de géographie physique
UMR 6042-CNRS
Complexité en géomorphologie fluviale :
un test de la criticalité auto-organisée
Jökullsarlon, Islande Morsárjökull, Islande
Plan de l’intervention :
I - Complexité en géomorphologie fluviale
II – Les systèmes critiques auto-organisés (SOC)
III – Un cas pratique : les crues limno-glacielles sont-elles des SOC
C’est quoi la géomorphologie fluviale ?
Objet :
Comprendre le fonctionnement et la
réponse de la morphologie des
cours d’eau aux modifications
naturels et/ou anthropiques affectant
les bassins-versants
C’est quoi la géomorphologie fluviale ?
Objet :
Comprendre le fonctionnement et la
réponse de la morphologie des
cours d’eau aux modifications
naturels et/ou anthropiques affectant
les bassins-versants
C’est quoi la géomorphologie fluviale ?
Objet :
Comprendre le fonctionnement et la
réponse de la morphologie des
cours d’eau aux modifications
naturels et/ou anthropiques affectant
les bassins-versants
Le Danube (Machland, Autriche) entre 1715 et 1991
Réponses de l’environnement fluvial aux changements climatiques et anthropiques…
Emprises spatiales des crues…
La rivière
Allier à
Châtel-de-
Neuvre
(03)
Hohensinner (2011)
De quoi dépend la forme des cours d’eau ?
MORPHO. FLUVIALE = f (SEDIMENT, EAU, VEGETATION)
VEGETATION
Modèle de Lane (1955)
De quoi dépend la forme des cours d’eau ?
MORPHO. FLUVIALE = f (SEDIMENT, EAU, VEGETATION)
VEGETATION
Modèle de Lane (1955)
Rectiligne Méandrage Tressage
Adaptation du système ouvert en équilibre dynamique de Bertalanffy (1932) Le système fluvial
Outillage conceptuel : de la systémique aux systèmes complexes
Chorley (1962)
Schumm (1977) – The fluvial system
CLIMAT
GEOLOGIE
LAND USE(Végétation, Urbanisation,
usages…)
Chorley & Kennedy (1971)
Strahler (1950, 1952)
Seuils géomorphologiques
Schumm (1973)
EX. : Seuil de mise en mouvement des sédiments
Valeurs critiques des forces tractrices
Diagramme adimensionnel de Shield (1936)
Diagramme de Hjulström (1935)
Géométrie de chenal
VélocitéForces
tractrices
Dépôt / Erosion
Rétroactions
MEUNIER, 2004 : « La complexité du
comportement physique d’une rivière alluviale
provient du caractère rétroactif de son
évolution.
1. Une rivière alluviale est un écoulement
d’eau sur un lit non consolidé. Les
conditions hydrauliques de l´écoulement
(débit, densité du fluide) ainsi que la
géométrie de sa frontière (forme du
chenal) vont déterminer le champ de
vitesse du fluide.
2. A ce champ de vitesse est associé un
champ de contraintes de cisaillement
exercé par le fluide en tout point du lit.
3. Ce cisaillement provoque le transport de
sédiments et donc…
4. …la modification de la géométrie des
frontières, engendrant en retour l´évolution
du champ de vitesse ».
1
2
3
4
EX. : rétroactions entre la géométrie de chenal et les forces tractrices
Equilibre dynamique
Equilibre dynamique
Stable
Oscillations
permanentes autour de
conditions « moyennes »
Equilibre dynamique
métastable
Modification durable des
composantes du
systèmes (naturelles /
anthropiques), migration
vers un autre état
d’équilibre dynamique =
Métamorphose fluviale
• Années 1970 – Complexité ≈ Compliqué
Complexité
- Pretorius, 1973 – L’histoire géologique est « complexe » parce qu'elle est la résultante
de plusieurs processus morphogènes qui se succèdent, se superposent, voire se
neutralisent (production de hiatus dans l’enregistrement géologique).
Complexité ≈
Compliqué, composite
• Années 1970 – Complexité ≈ Compliqué
Complexité
- Pretorius, 1973 – L’histoire géologique est « complexe » parce qu'elle est la résultante
de plusieurs processus morphogènes qui se succèdent, se superposent, voire se
neutralisent (production de hiatus dans l’enregistrement géologique).
- Schumm, 1977 – Réponses complexes
Complexité≈
Métastabilité
1 perturbation =plusieurs réponses
imbriquées
Complexité ≈
Compliqué, composite
• Années 1970 – Complexité ≈ Compliqué
Complexité
- Pretorius, 1973 – L’histoire géologique est « complexe » parce qu'elle est la résultante
de plusieurs processus morphogènes qui se succèdent, se superposent, voire se
neutralisent (production de hiatus dans l’enregistrement géologique).
- Schumm, 1977 – Réponses complexes
- Slingerland (1981) – Introduction en géosciences de l’analyse qualitative de la
stabilité de systèmes dynamiques. Application à la géométrie de chenal
- Scheidegger (1983) – Montre que le cadre conceptuel et la méthode analytique
de la théorie de la stabilité sont applicables à un large éventail de problèmes
géomorphologiques
• Années 1980 – Introduction de la théorie de la stabilité des systèmes dynamiques
- Phillips and Steila (1984) ; Phillips (1987) ; Scheidegger (1987) ; Slingerland
and Snow (1988) – Applications en hydrologie, géomorphologie fluviale, budgets
sédimentaires, morphogénèse sur le long terme (landscape evolution)
Complexité∋
- Instabilité- Divergence
- Sensibilité aux conditions initiales
Complexité≈
Métastabilité
1 perturbation =plusieurs réponses
imbriquées
Complexité ≈
Compliqué, composite
• Années 1990, 2000… - Chaos déterministe, auto-organisation, émergence, SOC Sciences de la complexité
Complexité
- Malanson et al. (1990, 1992) – Chaos déterministe en géographie physique et en géomorphologie
- Rinaldo et al. (1993) – Fractal et criticalité auto-organisée de la dynamique des réseaux hydrographiques
- Rigon et al. (1994) – Fractal et criticalité auto-organisée de l’évolution des paysages
- Phillips (1992) – Chaos déterministe dans les processus d’érosion et de dépôts
- Hergaten et al. (2002) – Manuel sur la Criticalité auto-organisée en géoscience
- Turcotte(1999) – Publication de synthèse sur la criticalité auto-organisée en géoscience
- Phillips (1995) – Auto-organisation des processus de morphogénèse
- Fonstad et Marcus (2003) – Criticalité auto-organisée des écroulements de berges dans un cours d’eau
- Coulthard et VanDeWiel (2007) – Criticalité auto-organisée du transit sédimentaire en contexte fluvial
- Phillips (2011) – Emergence et pseudo-équilibre en géomorphologie
Complexité ∋
Chaos déterministe
Complexité ∋
Auto-organisation
Complexité ∋
Emergence
Complexité ∋
Criticalité auto-organisée
- Dearing (2008) – Cycle adaptatif et panarchie appliqués aux études paléoenvironnementales
- Croke et al. (2014) – Criticalité auto-organisée des écroulements de berges en géomorphologie fluviale
Complexité ∋
Cycle adaptatif
« Boite à outils » de la complexité avec une multitude de concepts et de méthodes d’analyse qui ne se recouvrent pas strictement…
« un système dynamique qui se place « spontanément » dans une situation critique
(attracteur) : des contraintes (des tensions, une vulnérabilité) sont accumulées jusqu’à un
point de rupture qui correspond au seuil critique de résistance du système à cette contrainte.
La relaxation de la contrainte induit alors un phénomène de réaction en chaîne, appelé
avalanche, qui se propage sur une échelle spatio-temporelle plus ou moins grande. » Per BAK
The sandpile model
II – Les systèmes critiques auto-organisés (SOC)
• Bak P., Tang C., Wiesenfeld K. (1987) – Self-organized criticality: An explanation of the 1/f noise. Physical Review Letters, 59, 381-384.
• Bak P., Tang C., Wiesenfeld K. (1988) – Self-organised criticality. Physical Review A., 38 (1), 364-374.• Bak P. (1996) – How Nature Works: The Science of Self-Organised Criticality. New York: Copernicus
(Springer) 212 p.
Le modèle du tas de sable (Abelian sandpile model ou Bak–Tang–Wiesenfeld model)
Qin
Protocole expérimental simple :
Le modèle du tas de sable (Abelian sandpile model ou Bak–Tang–Wiesenfeld model)
Qin
Accumulation du
sable jusqu’au seuil
critique de pente
ETAT CRITIQUE
Protocole expérimental simple :
pente critique
Le modèle du tas de sable (Abelian sandpile model ou Bak–Tang–Wiesenfeld model)
Qin
Accumulation du
sable jusqu’au seuil
critique de pente
ETAT CRITIQUE
Qout
Déclenchement des
événements « avalanches »,
diminution de la pente.
Protocole expérimental simple :
pente critique
Le modèle du tas de sable (Abelian sandpile model ou Bak–Tang–Wiesenfeld model)
Qin
Accumulation du
sable jusqu’au seuil
critique de pente
ETAT CRITIQUE
Qout
Déclenchement des
événements « avalanches »,
diminution de la pente.
Protocole expérimental simple :
pente critique
Le modèle du tas de sable (Abelian sandpile model ou Bak–Tang–Wiesenfeld model)
Qin
ETAT
CRITIQUE
Qout
Qin
Qo
ut
Temps
Temps
Le modèle du tas de sable (Abelian sandpile model ou Bak–Tang–Wiesenfeld model)
Qin
ETAT
CRITIQUE
Qout
Qin
Qo
ut
Temps
Temps
Flux constant
Flux irrégulier et variable
Production
interne
au système
≈
Émergence
Le modèle du tas de sable (Abelian sandpile model ou Bak–Tang–Wiesenfeld model)
Qin
ETAT
CRITIQUE
Qout
Fréquence / magnitude de Qout
Fré
qu
ence
(lo
g)
Magnitude (log)
𝐿𝑜𝑔 𝐹 𝑄𝑜𝑢𝑡 = − 𝜏 𝐿𝑜𝑔(𝑄𝑜𝑢𝑡)
𝐹 𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝑄𝑜𝑢𝑡− 𝜏
LOI PUISSANCE
Qin
Qo
ut
Temps
Temps
Flux constant
Flux irrégulier et variable
Production
interne
au système
≈
Émergence
Régularité statistique
• Les SOC produisent des « événements » dont la fréquence et l’intensité sont
indépendantes de la fluctuation des variables de contrôle externe au système
• Les événements catastrophiques sont rares mais probables, dans le respect de
la loi puissance, et sans fluctuation des variables de contrôle.
• Questionne le lien de causalité intuitif : perturbation réponse proportionnée
(question commune à l’ensemble des concepts et méthodes des sciences de la
complexité…)
• Les SOC semblent très répandus dans la nature et la société (modèle explicatif
appliqué avec succès aux marchés financiers, à la géophysique, aux incendies,
en épidémiologie, à la biologie évolutive, en cosmologie, en sociologie… et
également en géomorphologie fluviale !)
En bref…
III – Un cas pratique : les crues limno-glacielles sont-elles des SOC
ROUSSEL, E., TOUMAZET, J.-P., MARREN, P.M., COSSART, E., 2016 - Iceberg jam floods in Icelandic proglacial rivers: testing the self-organized criticality hypothesis. Géomorphologie : relief, processus, environnement, n°22, pp. 37-48.
Lac Iceberg
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Préciser les modes et les rythmes d’ajustement du continuum glacio-fluvial au
réchauffement climatique contemporain
Création d’une interface glacio-fluviale
composite : la marge proglaciaire
(avec lacs proglaciaires pérennes)
Capture de la
charge grossière
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Déficit sédimentaire proximal
(incision, coarsening, armurage, pavage)
2 effets hydrosédimentaires majeurs
1
Tasman Lake, New Zealand
Capture de la
charge grossière
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Déficit sédimentaire proximal
(incision, coarsening, armurage, pavage)
Crues limno-glacielles
Barrages glaciels
Vêlage
2 effets hydrosédimentaires majeurs
1
2
Tasman Lake, New Zealand
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Mécanisme et récurrence des crues limno-glacielles
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Mécanisme et récurrence des crues limno-glacielles
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Mécanisme et récurrence des crues limno-glacielles
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Mécanisme et récurrence des crues limno-glacielles
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Mécanisme et récurrence des crues limno-glacielles
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Mécanisme et récurrence des crues limno-glacielles
« Cycle » decriticalité
auto-organisée ?
4 conditions nécessaires pour diagnostiquer l’existence d’un processus de criticalité
auto-organisée (Van de Wiel et Coulthard, 2010) :
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
(1) La dynamique temporelle non-linéaire de l’occurrence des crues dans le système
(2) Une relation de loi puissance inverse entre l’intensité et la fréquence des crues
(3) L’existence d’un état critique vers lequel le système se réajuste après une crue
(4) L’existence d’un mécanisme par lequel le même processus peut initier la fois des crues de faible et de forte intensité
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Objectifs :
1. Confirmer la formation des barrages glaciels : documenter l’occurrence
de barrages glaciels (1.1) et évaluer l’évolution contemporaine du potentiel
de vêlage (1.2).
2. Tester l’hypothèse de criticalité auto-organisée (« SOC ») : les crues de
barrage glaciel peuvent-elles être assimilées à un SOC (utilisation d’un
modèle de simulation des crues de barrage glaciel) ?
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
11 langues glaciaires sud-islandaises émissaires de la calotte du Vatnajökull
8 300 km2
Vatnajökull
L’occurrence de barrages glaciels est
documentée à partir d’observations de
terrain (missions estivales en 2005, 2006 et
2007) et l’utilisation de la base de données
images de Google Earth®.
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Objectif 1
Sur la base de la photo-interprétation des
images aériennes de 2003 de Loftmyndir® et
celles de 2012 de Google Earth® et Landsat,
un travail de cartographie (ArcGIS 10.1) a
permis de quantifier l’évolution du potentiel
de vêlage et de la probabilité de formation de
barrages glaciels (en marge sud du
Vatnajökull)
1.1 - Confirmer la
formation des
barrages glaciels
1.2 - Documenter
l’évolution du
potentiel de
vêlage
Débit proglaciaire et vêlage
Barrage glaciel
Crue limno-glacielle
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Objectif 2 – tester l’hypothèse « SOC » à l’aide d’un
modèle numérique
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
• Observation in situ de la formation redondante de barrages glaciels (Morsárjökull, Fjallsjökull,
Breiðamerkurjökull, Fláajökull et Hoffellesjökull).
• Observation in situ des conséquences de la crue limno-glacielle de 2006 sur la Morsá.
Objectif 1.1 - Confirmer la formation des barrages glaciels (in situ)
07/09/2012
200 m 200 m
29/07/2011
19/10/2012 07/07/2012
200 m 200 m
20/09/2012 03/08/2012
200 m200 m
A B
C D
E F
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Objectif 1.1 - Confirmer la formation des barrages glaciels (photo-interprétation)
L’impact du
barrage glaciel sur
la pente locale de
la ligne d’eau,
marquée par la
transition de
l’écoulement
laminaire à
turbulent, est
clairement visible
sur l’image
datant du
20/09/2012
du Jökulsárlón
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Objectif 1.2 - Documenter l’évolution du potentiel de vêlage
Entre 2003 et 2012 :
- augmentation de la superficie des
lacs proglaciaires de 0,88 km²
- le pourcentage des fronts
glaciaires avec une interface
lacustre, donc potentiellement
affectés par un processus de
vêlage, a augmenté de 13,04 %
Augmentation significative de la potentialité de vêlage qui se traduit vraisemblablement par une
hausse de la probabilité d’occurrence des crues de barrage glaciel
Objectif 2 – Tester l’hypothèse « SOC » à l’aide d’un modèle numérique
Cri. (1) - non-linéarité de l’occurrence d’événements Cri. (2) loi de puissance inverse entre la magnitude et la fréquence des événements
Cri. (3) L’existence d’un état critique vers lequel le système se réajuste après une perturbation
Cri. (4) le même processus peut initier la fois des événements de faible et de haute magnitude.
OK
OK
OK
BOF !
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Loi puissance bien
ajustée aux crues
les plus intenses
Loi puissance
surévalue les
crues faibles
«the frequency of low magnitude
events often falls below the
predictions of the power-law due
to the minimal size of the events
allowed by the physics of the
system studied » (Turcotte, 1999)
Hypothèse de criticalité auto-organisée
acceptée ou rejetée ?
Cri. (1) - non-linéarité de l’occurrence d’événements Cri. (2) loi de puissance inverse entre la magnitude et la fréquence des événements
Cri. (3) L’existence d’un état critique vers lequel le système se réajuste après une perturbation
Cri. (4) le même processus peut initier la fois des événements de faible et de haute magnitude.
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Objectif 2 – Tester l’hypothèse « SOC » à l’aide d’un modèle numérique
OK
OK
OK
BOF !
Hypothèse de criticalité auto-organisée
acceptée ou rejetée ?
Cri. (1) - non-linéarité de l’occurrence d’événements Cri. (2) loi de puissance inverse entre la magnitude et la fréquence des événements
Cri. (3) L’existence d’un état critique vers lequel le système se réajuste après une perturbation Cri. (4) le même processus peut initier la fois des
événements de faible et de haute magnitude.
- 3 des 4 critères sont vérifiés.
- la déviation observée par rapport à la loi puissance inverse pour
les évènements de faible magnitude est une propriété fréquemment
rapporté dans la littérature concernant les SOC (Bak, 1987 ;
Turcotte, 1999 ; Van de Wiel and Coulthard, 2010 ; Croke et al., 2014).
Les crues de barrage glaciel peuvent être considérées
comme un phénomène caractérisé par la criticalité
auto-organisé
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Objectif 2 – Tester l’hypothèse « SOC » à l’aide d’un modèle numérique
OK
OK
OK
BOF !
Tendances significatives sur le long terme :Nos simulations montrent que
les crues limno-glacielles deviennent
sur le long terme :
- et d’intensité de plus en
plus similaire au cours
du temps.
Cette tendance globale est liée à la
calibration progressive de la géométrie
du chenal à l’exutoire du lac
proglaciaire.
- moins fréquentes
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Implications des crues limno-glaciaires pour la connectivité sédimentaire marginale :
Peuvent contribuer à la
restauration de la connectivité
sédimentaire glacio-fluvial par
le biais de deux processus :
(1) l’élargissement et l’incision
des chenaux de
franchissement des
moraines frontales
(2) la destruction du pavage qui
se produit généralement
dans les chenaux de
franchissement des
barrages morainiques
Tasman Lake, New Zealand
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Conclusion
- Description d’un processus inédit de déclenchement de crues marginales
résultant de l’interaction entre les débits proglaciaires et une dynamique de vêlage.
- Mise en évidence de l’augmentation entre 2003 et 2012 du potentiel de vêlage, et
donc potentiellement de la formation de barrages glaciels.
- Progresser sur l’appartenance des crues limno-glacielles aux processus
présentant une criticalité auto-organisée (1 critère sur 4 non validé).
- Dessiner une tendance à la diminution de la fréquence et à une homogénéisation
de l’intensité des crues limno-glacielles en lien avec la calibration du chenal
exutoire.
- Suggérer les conséquences de l’occurrence des crues limno-glacielles les plus
intenses sur la restauration de la connectivité sédimentaire glacio-fluviale
(destruction du pavage proximal).
1. Contexte et objectifs 2. Terrains 3. Méthodes 4. Résultats et discussion 5. Conclusion et perspectives
Perspectives
- Observation de la rupture du barrage glaciel et du déclenchement de la crue
limno-glacielle :
- Cameras à demeure sur le terrain ?
- Monitoring des débits liquides et solides dans le chenal exutoire :
- Stations débitmétriques, hydrophones et pit tags ?
- Préciser le mode et le rythme de calibration de la géométrie du chenal exutoire
- En planimétrie, en quantifiant l’évolution de la bande d’activité fluviale proximale
de lacs bien documentés par les campagnes de photographies aériennes.
- En « 3D » , suivi de sections mouillées de lacs proglaciaires jeunes ou en cours
de formation.
Il manque franchement des mesures de validation terrain…