Introduction

1Depuis quelques années, face aux inquiétudes liées aux catastrophes climatiques ou météorologiques, à la dégradation de la qualité de l’air ou à la question du possible réchauffement de la planète, certains géographes ont fait de l’action anthropique sur le climat un de leurs pôles de recherche.

2Parmi ces thèmes de recherche il en est un, relativement nouveau, au moins en France, qui a été peu abordé par les scientifiques : celui de l’impact des grandes infrastructures linéaires de transport (remblais ferroviaires ou routiers) sur la circulation de l’air froid en surface et donc finalement sur la production agricole. Pourtant, en modifiant la nature et la rugosité de la surface, un ouvrage d’art, de plusieurs mètres de haut et de plusieurs centaines de mètres de long, a une influence sur le système climatique local et lorsque des cultures (principalement la viticulture et l’arboriculture) sont sensibles à certains aléas climatiques (gel, vent), l’introduction d’un nouvel obstacle dans le milieu peut permettre ou accentuer les dommages aux plantes. Jusqu’à ces dernières années, bien que souvent observé par les agriculteurs, ce type d’impact a peu interpellé les scientifiques ; probablement, parce que l’aire d’influence de ces obstacles est très localisée et qu’il paraissait difficile de le prouver par manque de référence à la situation avant la présence du remblai. Mais aussi parce que ce risque supplémentaire, provoqué par ces variations météorologiques et climatiques locales, est d’ordre économique et ne concerne qu’une minorité ou une catégorie spécifique d’agriculteurs (par exemple des viticulteurs).

3L’objectif de ce type d’étude vise donc à évaluer le différentiel thermique créé par l’ouvrage en remblai et à le cartographier de manière à fournir un document facilitant les négociations entre le Maître d’ouvrage et la profession agricole (agriculteurs, syndicat professionnel, chambre d’agriculture) dans une optique de gestion de ce risque supplémentaire (le bas des coteaux est souvent un espace relativement gélif, l’ouvrage de transport ne fait qu’accentuer ce risque). Lorsqu’il y a un enjeu économique avéré, ce type de démarche commence à être intégré dans les enquêtes d’utilité publique avant la construction de l’ouvrage linéaire en remblai. Cette étude permet de réduire les conflits potentiels entre les professionnels agricoles et le Maître d’ouvrage : soit en validant le tracé si le risque supplémentaire parait minime, soit en apportant des modifications à l’ouvrage (ouverture dans le remblai, changement de la forme et/ou de la hauteur…) ou encore en négociant des compensations financières pour l’agriculteur dans le cas où le risque supplémentaire parait évident et les possibilités d’aménagements insuffisantes.

1. Une prise en compte récente en  France: l’étude pionnière sur la future Ligne à Grande Vitesse du TGV Est européen

4Les premières études sur l’influence climatique des remblais ont été réalisées en Allemagne. En 1980, Geiger a montré que la présence d’obstacles de plusieurs mètres de haut accentuait le risque de gel dommageable pour les cultures viticoles dans la Haardt (Allemagne). En conclusion de son article, Geiger préconisait que l’impact climatique soit intégré dans les projets de grandes constructions : « les études topoclimatiques devraient être prises en considération pour la construction des routes… on a dressé récemment des remblais routiers jusqu’à une hauteur de 10 m au-dessus des fonds de vallée. Ceux-ci peuvent provoquer des variations climatiques locales, qui ont des conséquences négatives sur la viticulture ou sur l’habitat ».

5En France, au début des années 1990, la question de l’impact climatique du remblai ferroviaire sur le risque gélif a été posée lors de la présentation de l’avant-projet sommaire (APS) de la Ligne à Grande Vitesse (LGV) Est européenne. En réponse aux inquiétudes des professionnels viticoles champenois, sur la probabilité d’une accentuation du risque gélif printanier après l’implantation du remblai de la LGV, la SNCF puis Réseau Ferré de France (RFF, a été créé en 1997) ont timidement financées une première étude confiée à des universitaires afin d’essayer d’évaluer ce « risque climatique » (Beltrando et al., 1995). Une expérimentation agroclimatique réalisée dans le vignoble champenois sur les communes de Verzenay et Sillery (sud-est de Reims) et basée sur des mesures réalisées à proximité d’une bâche simulant le futur remblai, a permis d’observer qu’un remblai, aménagé dans le bas d’un coteau sur une longueur de 780 m. et avec une hauteur atteignant 5 m, accentuait, pour les situations météorologiques de type radiatives (ciel clair vent faible ou nul), le refroidissement nocturne en bloquant les écoulements gravitaires et en créant un lac d’air froid (figure 1).

6Au printemps, à partir du débourrement (moyenne mi avril en Champagne), les bourgeons des vignes sont sensibles aux basses températures : à partir de -2°C, ils peuvent geler et compromettre ainsi une partie de la récolte. La présence d’un nouvel obstacle représente donc, localement, un risque supplémentaire de gel notamment pour les situations radiatives où le fort déficit énergétique au niveau du sol favorise le refroidissement nocturne (7 et al., 1995 ; Bridier et al., 1995). Réseau Ferré de France (RFF), par l’intermédiaire du Maître d’œuvre du tronçon traversant la Montagne de Reims (société Tractebel Coyne et Bellier), a proposé une modification des caractéristiques du tracé dans le secteur afin de réduire le volume du lac d’air froid – abaissement du profil de la ligne, diminution de la longueur du remblai, remodelage du terrain en amont par l’apport de 60 000 m³ de terres, mise en place d’un rayon de courbure exceptionnel dans ce secteur (figure 2).

9Au fil de ces différentes études, des techniques de mesures météorologiques et de modélisation spatiale adaptées aux échelles fines ont été imaginées et testées afin évaluer l’impact agro-climatique des remblais et de fournir un document cartographique exploitable par la profession agricole et le Maître d’ouvrage.

2. Méthodologie : mesures et modélisation spatiale adaptées aux échelles fines

10Aux échelles spatiales fines, le climat de la couche limite est fortement tributaire des conditions de surface. La morphologie, les aspérités et la nature de la surface (relief, végétation, obstacles anthropiques, …) modifient le comportement des variables météorologiques et engendrent ainsi une forte variabilité spatiale de ces phénomènes sur des espaces relativement restreints (Yoshino, 1975 ; Mahrt, 1986 ; Oke, 1987 ; Carrega, 1994). Pour évaluer l’impact d’un élément perturbateur supplémentaire comme un remblai, la méthode de mesures et de modélisation spatiale doit prendre en compte les caractéristiques de la surface (topographie, occupation du sol, ...).

2.1. Mesures sur le terrain : fixes et itinérantes

12L'observation de la variabilité des paramètres météorologiques aux échelles fines nécessite l’installation de postes de mesures répartis sur l’ensemble du terrain d’expérimentation. Les données sont obtenues soit de manière ponctuelle par l’intermédiaire de mesures itinérantes effectuées par un ou plusieurs opérateurs, soit simultanément sur plusieurs points grâce à des capteurs reliés en réseau. Dans le premier cas, le matériel peut être meilleur marché, mais il faut une présence humaine permanente lors des nuits froides et le décalage temporel entre chaque relevé constitue un inconvénient pour les comparaisons. La seconde technique de mesures présente l’intérêt de pallier le problème d’intervalle entre les relevés ; cependant, le coût des capteurs peut devenir une contrainte.

13Dans le cadre des études d’impact climatique avant la construction de la ligne ferroviaire, où l’objectif principal est d’évaluer le risque  supplémentaire probable afin d’apporter des modifications au tracé, l’expérimentation sur le terrain s’est déroulée de deux manières :

14La simulation de l’obstacle, que constitue le remblai, est réalisée par l’intermédiaire d’une bâche en plastique dont la hauteur et la longueur sont similaires à celles du remblai (photo 1). Les mesures des variables atmosphériques sont réalisées sur le terrain initial sans, puis avec, la bâche simulant le remblai, de manière à obtenir un différentiel entre les deux situations. C’est ce type de méthode qui a été entreprise lors de l’étude d’impact du remblai de la LGV-Est sur le gel printanier dans le vignoble de Verzenay/Sillery.

15La simulation du remblai étant relativement onéreuse à mettre en place, la seconde méthode expérimentale consiste à effectuer des mesures des variables atmosphériques (par exemple, les températures et les écoulements nocturnes) sur le site avant l’implantation de l’obstacle ferroviaire. L’observation du climat local permet ensuite d’évaluer et de simuler par l’informatique l’impact du futur remblai. Par exemple, pour déterminer l’influence du remblai de la LGV-Est sur le risque gélif dans le vignoble de Vrigny (Sud-ouest de Reims), une première campagne terrain (2002) a permis d’évaluer la répartition spatiale des températures minimales et la localisation du lac d’air froid sur le site initial avant l’implantation de l’obstacle ferroviaire. Ensuite, l’impact du remblai a été simulé dans un Système d’Information Géographique de manière à évaluer l’extension du lac d’air froid (cf. méthodologie développée dans la partie 3.2). Une seconde série de mesures sur le terrain (2005) effectuée après la construction du remblai a montré que l’obstacle accentuait le blocage de l’air froid et a permis de valider la simulation informatique. La figure 3 montre que les températures minimales les plus froides ont été relevées dans les secteurs où la simulation informatique prévoit une accentuation du risque gélif.

16Concrètement, les mesures in situ destinées à étudier la variabilité spatiale du gel printanier nocturne se déroulent en plusieurs étapes :

• Une première série de mesures itinérantes avec une girouette ultra légère5 permet de déterminer l’aérologie locale nocturne en situation radiative. En effet, l’air froid issu des déperditions énergétiques du sol s’écoule par gravité suivant les lignes de pente.

• Une fois repérés les différents couloirs dans lesquels l’air froid va s’écouler (intensité du flux et fonction du bassin versant en amont du point de mesures), des capteurs thermiques sont disposés en fonction des caractéristiques du site (pente, cuvette, proximité du remblai...) et de manière à quadriller au mieux l’espace étudié et fonction des moyens financiers et humains disponibles). Ces capteurs vont enregistrer la température de l’air, hors abri météorologique (dans le jargon des météorologues et climatologues cela est appelé « température en indice actinothermique »), suivant un pas de temps défini et simultanément sur les différents postes de mesures. Ces mesures vont permettre d’évaluer et de quantifier les secteurs les plus froids pour un type de situation météorologique donnée.

• Après avoir acquis les données sur le terrain par l’intermédiaire de mesures météorologiques, l’étape suivante consiste à réaliser une spatialisation sur l’ensemble du site afin d’obtenir un document cartographique représentant de façon exhaustive les différents secteurs où le risque agro climatique est accentué par l’ouvrage en remblai. Le passage du « terrain » à la spatialisation du phénomène nécessite l’utilisation d’un outil s’inscrivant dans la démarche scientifique définit au cours des mesures météorologiques, c’est-à-dire, étudier l’influence des différents éléments du milieu (topographie, occupation du sol, remblai…) pouvant modifier le comportement des variables atmosphériques.

2.2. Spatialisation du risque accru : vers une modélisation informatique par Système d’Information Géographique

17Après avoir acquis les données sur le terrain, une modélisation spatiale sur l’ensemble de l’espace étudié permet de représenter les aires concernées par un risque supplémentaire et de produire des documents cartographiques destinés aux décideurs.

18En situation radiative, la variabilité climatique locale est en grande partie provoquée par les effets locaux de la topographie et de la nature de la surface. La principale difficulté de la modélisation spatiale aux échelles fines réside dans la manière d’intégrer l’influence de ces paramètres locaux sachant qu’ils agissent sur les variables météorologiques à différentes échelles spatiales et temporelles. Pour y parvenir, il faut utiliser une méthode de cartographie permettant d’établir les relations entre les caractéristiques de surface (morphologie, occupation du sol) et les variables météorologiques. Comme l’indique Kergomard et al. (2002) « Les méthodes les plus prometteuses de cartographie à échelle fine (…) reposent sur une interpolation supervisée des mesures localisées, utilisant des relations statistiques (généralement des régressions multiples) entre les paramètres climatologiques mesurés et des descripteurs quantifiés » de l’état de la surface. L’utilisation du Système d’Information Géographique (SIG) est un moyen approprié pour ce type de modélisation spatiale. Le SIG permet de mettre en relation les données mesurées ponctuellement sur le site d’étude (température, vitesse et direction des brises thermiques...) avec les différents obstacles (relief, remblai...) qui influent sur la variabilité spatiale du phénomène climatique.

19Les méthodes de spatialisation mises en place ont évolué au fil des études réalisées.

20- En 1994, lors de la première phase de l’étude d’impact du remblai du futur TGV Est européen dans le vignoble de Verzenay/Sillery, la cartographie du risque gélif a été réalisée manuellement après l’observation des feuilles de la vigne après des épisodes gélifs. En effet, en automne, lors des premières gelées (dont les conditions atmosphériques sont similaires aux situations printanières), les feuilles des vignes, situées dans les secteurs les plus froids, jaunissent puis rougissent. Même si ce type de carte parait rudimentaire, elle s’est avérée relativement efficace pour spatialiser, en automne, les limites des premières gelées d’origine radiatives, mais elle demande une bonne connaissance des plantes car l’âge de la vigne peut aussi avoir des conséquences sur la couleur des feuilles qui subissent le gel.

21- L’utilisation du SIG permet de confronter sous la forme de couches de données, les paramètres atmosphériques avec les caractéristiques de l’espace (topographie, remblai...) susceptibles de modifier le climat local et la vulnérabilité du végétal (variété, niveau de croissance...) (Bridier et al., 2004). La variabilité spatiale du gel printanier étant tributaire de la topographie (l’air froid s’écoule suivant les lignes de pente) et des différents obstacles pouvant ralentir voir bloquer l’air froid (cuvette, remblai), la superposition des couches représentant la pente et la direction théorique des écoulements gravitaires (réalisés à partir d’un Modèle Numérique de Terrain), la position et la hauteur du remblai ainsi que la localisation des cultures sensibles, permettent de spatialiser le risque de gel (encadré).

22Par exemple, dans le cadre de l’étude d’impact du remblai de la LGV-Méditerranée sur le gel printanier, une estimation de la surface du « lac d’air froid » a été réalisée en considérant que l’obstacle aura une hauteur de 10 m de haut dans le fond du secteur, qu’il est horizontal et que les écoulements gravitaires s’écoulent en direction de la ligne ferroviaire. La combinaison entre la couche comportant la hauteur du remblai et l’altimétrie a permis d’évaluer l’air d’extension du lac d’air froid. En croisant cette donnée avec celle des cultures vulnérables au gel, nous obtenons pour une surface totale de  120 hectares où l’aléa gel est accentué par la présence de l’obstacle ferroviaire, une surface d’environ 45 hectares de parcelles fruitières qui pourraient être soumises à un risque supplémentaire de gel printanier après la construction de la LGV-Méditérranée.

23Après avoir intégré dans le SIG les caractéristiques du remblai et des murs antibruit (hauteur, présence d’ouvertures, ...), les données liées à la morphométrie (altitude, pente, direction théorique des écoulements gravitaires, ...) ont été calculées et intégrées dans Mapinfo par l’intermédiaire de la grille (passerelle informatique) composée ici de carrés de 25 m de côté. Connaissant la topographie de l’espace étudié ainsi que la hauteur de l’obstacle ferroviaire, nous pouvons estimer la surface du « lac d’air froid » et donc estimer la surface couverte par de l’air froid lié à la présence du remblai. Ensuite, ces résultats sont combinés avec les parcelles fruitières les plus sensibles au refroidissement nocturne printanier ou avec le vignoble (vulnérabilité du végétal) afin d’obtenir une cartographie de la surface arboricole où le risque gélif est accentué par le remblai.

Synthèse, conclusion

24Les mesures sur le terrain et la spatialisation du risque agro climatique potentiel avec un SIG permettent de fournir aux professionnels arboricoles et au Maître d’ouvrage, une cartographie des secteurs agricoles où des dommages pourraient être provoqués par l’implantation d’un ouvrage linéaire en remblai. Elles apportent donc quelques éléments de réponse permettant de rationaliser les discussions et les négociations entre les divers protagonistes. Pour le Maître d’œuvre, ces études facilitent la prise de décisions sur les modifications à apporter à l’ouvrage afin de limiter le risque climatique supplémentaire que pourrait créer l’infrastructure de transport.

25La méthode présente bien sûr des limites car elle est basée sur quelques nuits d’observation or les conditions météorologiques sont changeantes d’une nuit à l’autre. Mais l’étude doit être réalisée rapidement (entre 6 à 18 mois pour les études présentées ici) et les autres méthodes basées sur la modélisation numérique présentent aussi des limites car il est bien difficile de prendre en compte toute la complexité d’un espace sur un modèle numérique.

26Ainsi, de telles études qui commencent à se développer – et qui connaîtront probablement de nombreuses avancées méthodologiques dans les années à venir – facilitent l’intégration locale de grands ouvrages qui aujourd’hui ne peuvent plus être imposés aux populations riveraines sans négociations. Elles permettent aussi d’améliorer l’image de marque des grandes entreprises publiques (RFF, DDE…) qui montrent ainsi leur capacité à prendre de nombreuses précautions et éventuellement à mettre en place des aménagements spécifiques dans leurs ouvrages avant qu’ils ne traversent des espaces agricoles à forte valeur ajoutée (création d’ouverture dans le remblai, modification de la hauteur lorsque cela est techniquement possible…).