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Mesures et modélisations des évolutions du niveau marin, des vagues, des tempêtes et des évolutions des littoraux pour une gestion durable des littoraux

Eric Chaumillon, Guy Wöppelmann, Mikhail Karpytchev et Xavier Bertin

Résumés

Cet article fait une synthèse des résultats obtenus par notre équipe de recherche et présente quelques progrès récents dans le domaine de la mesure et de la modélisation des principaux facteurs d’évolution des littoraux, du niveau marin, des vagues et tempêtes, et des réponses morphologiques et stratigraphiques des côtes sédimentaires. Les mesures du niveau de la mer sont réalisées à la fois par altimétrie satellitaire et marégraphie et sont complémentaires tant par la distribution géographique des mesures que des durées des séries temporelles. Ainsi elles permettent à la fois d’estimer une valeur moyenne de l’élévation globale du niveau des océans (+ 1,7 mm par an sur le siècle passé) et de déterminer les variations relatives à la côte qui peuvent localement s’écarter notablement de la valeur moyenne (+10 mm par an dans certains secteurs du Golfe du Mexique, par exemple). La variabilité de la houle à long terme (60 ans) est évaluée à partir de modélisations validées par des mesures ponctuelles. Elle montre par exemple que, pour la zone nord-est Atlantique (au nord de 45° nord), la taille moyenne des vagues hivernales a augmenté de 0,70 m en 60 ans. Les conséquences de type de variation sont importantes, car le transport par les courants liés aux vagues est crucial dans l’évolution de nombreuses côtes et il varie entre autres en fonction de la hauteur des vagues. Les surcotes provoquées par les tempêtes en mer sont des causes majeures des submersions marines et de l’érosion des côtes. Seule leur modélisation permet d’explorer les processus physiques responsables de ces élévations locales et rapides du niveau de la mer, et d’évaluer leur rôle respectif. La modélisation de surcotes en Charente-Maritime a permis de quantifier les contributions respectives des couplages entre le vent, les vagues et le frottement sur le fond. Des améliorations de ces travaux en vue de prévisions à haute résolution sont en cours et utiliseront des données topographiques et des modèles à haute résolution grâce à l’emploi de codes de calcul parallélisés. Pour les périodes de temps plus longues (siècles à millénaires) les évolutions morphologiques et la stratigraphie des environnements côtiers sont utilisées pour leurs qualités en termes d’archivage sédimentaire des changements environnementaux. Ainsi les sédiments côtiers ont une mémoire des évolutions du niveau de la mer, des changements climatiques (climat de houle, débits des fleuves) et des perturbations d’origine anthropiques. Un exemple d’enregistrement sur plusieurs décennies à siècles des variations du climat de houle est apporté par l’analyse d’une flèche sableuse, la pointe d’Arçay en Vendée. Des études stratigraphiques comparatives de plusieurs systèmes estuariens et lagunaires actuels de France permettent de hiérarchiser les nombreux facteurs de contrôle de leurs évolutions. Elles soulignent en particulier le rôle prépondérant des variations du niveau marin et de la balance hydrodynamique entre la houle et la marée. Dans le cas des littoraux appauvris en sédiments, l’héritage géologique est également un paramètre important. Lorsque les variations du niveau marin sont modérées, ces systèmes sédimentaires sont sous le contrôle des changements climatiques et des activités anthropiques pour les périodes les plus récentes.

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Texte intégral

Introduction

1Une gestion durable des zones côtières doit reposer sur une compréhension et une anticipation de la diminution de l’espace disponible sur de nombreux littoraux alors même que la population mondiale augmente rapidement et s’y concentre (Small et Nicholls, 2003). Cette diminution de l’espace littoral est principalement le résultat de l’érosion des côtes et de la submersion marine.

2L’érosion côtière touche principalement les côtes sédimentaires, dominées par les houles, ou mixtes, c'est-à-dire dominées par la houle et la marée. Ainsi dans le monde, plus deux tiers des côtes sableuses seraient en érosion (Bird, 1993 ; Nichols, 1998). En France métropolitaine, on a estimé à 1723 km le linéaire côtier en érosion pour un total de 7124 km (IFEN, 2007). Dans la région Poitou-Charentes, les érosions des côtes sédimentaires peuvent atteindre des records avec, localement, des reculs de plus de 20 m/an (Bertin et Chaumillon, 2005). Les causes de ces reculs côtiers sont multiples et incluent par exemple, l’augmentation du niveau marin, la diminution des apports sédimentaires fluviatiles, l’augmentation de la taille des vagues, les couplages entre les apports sédimentaires des plages et la dynamique des embouchures tidales. Cette liste n’est pas exhaustive et les parts relatives des différentes causes varient d’un site à l’autre et ne sont pas clairement élucidées.

3La submersion marine peut-être considérée à différentes échelles spatio-temporelles. À une échelle globale et sur de longues périodes de temps (années à siècles), il existe des variations du niveau marin, qualifiées d’eustatiques, qui reflètent les variations de volume des océans en relation avec les variations climatiques et la fonte ou le piégeage de l’eau sous forme de glace continentale. Depuis 6500 ans environ, le niveau marin est considéré comme relativement stable par rapport aux fortes variations enregistrées lors des deux derniers millions d’années (Bindoff et al., 2007). Néanmoins, des mesures montrent sur les côtes stables ou en subsidence, des élévations relatives du niveau marin de plus de 1 mm/an et atteignant localement plusieurs millimètres par an (Wöppelmann et al., 2007). En France des mesures par marégraphie obtenues à Brest sur près de 300 ans montrent une rupture de pente nette de l’augmentation du niveau marin vers la fin du 19e siècle (Wöppelmann et al., 2008 b), en accord avec des résultats indépendants, issus de l’analyse de carottes de sédiments dans le Golfe de Gascogne (Leorri et al., 2008) ou dans l’Atlantique nord-est (Donnelly et al., 2004). À une échelle locale et sur de courtes périodes de temps (quelques heures), il existe des variations du niveau marin liées aux tempêtes (surcotes) dont les amplitudes peuvent être très importantes (plusieurs mètres) et entraîner des dégâts considérables. De tels évènements ont touché par deux fois, dans un passé proche, les côtes atlantiques, en particulier dans la région Poitou-Charentes. Il s’agit des tempêtes Martin (26 décembre 1999) et Xynthia (26 février 2010), avec des dégâts estimés à plusieurs milliards d’euros.

4Dans le contexte actuel de réchauffement climatique (Pachauri et Reisinger, 2007), l’érosion et la submersion marine sont susceptibles de croître. En effet, le réchauffement climatique entraîne une élévation eustatique du niveau marin et donc une submersion des côtes. Il pourrait également entraîner une augmentation des instabilités climatiques et une augmentation de la fréquence des tempêtes (Lozano et Swail, 2002) qui pourraient contribuer à accroitre l’érosion des côtes.

5Il est donc crucial de mieux comprendre les processus physiques d’érosion, de submersion et d’évolution des littoraux pour gérer durablement la zone côtière. À l’heure actuelle, nous identifions des verrous scientifiques qui justifient nos travaux de recherche : (1) des mesures insuffisamment précises ou incomplètes des variations relatives et absolues du niveau de la mer à la côte, facteur de submersion à long terme ; (2) un manque de connaissance sur les évolutions temporelles de la taille des vagues, facteur principal responsable de l’érosion des côtes ; (3) une lacune dans la compréhension, la modélisation à haute résolution et la prévision des surcotes, facteur de submersion à court terme ; (4) un niveau de compréhension insuffisant des relations entre les évolutions morphologiques à moyen et court termes des côtes, les évolutions climatiques et les influences des activités humaines. Des résultats récents obtenus par notre équipe apportent des éléments de réponse face à ces verrous.

Mesures des variations relatives et absolues du niveau marin

6Depuis la mission franco-américaine Topex/Poseidon, la surface des océans est sous la surveillance précise des radars embarqués sur satellite, fournissant des hauteurs d’eau à quelques centimètres près, par rapport au centre des masses de la Terre (repère terrestre géocentrique naturel par rapport auquel s’expriment les lois du mouvement des satellites). Les satellites ont permis l’accès au large, autrement difficile par les mesures in situ, avec une couverture spatiale dense et régulière. L’analyse de ces mesures spatiales a fait l’objet de nombreuses études qui indiquent une élévation générale du niveau de la mer de quelques 3,3 mm/an (0,4 mm/an depuis 1993) (Cazenave et Llovel, 2010). De plus, le budget entre observations du niveau de la mer et contributions climatiques (fonte des glaces continentales et dilatation thermique des océans) semble équilibré sur cette même période. Qu’en est-il des variations passées à plus long terme ? La valeur de quelque 3,3 mm/an est-elle anormale ? Peut-on la relier à un changement climatique planétaire ? Ou bien est-elle le résultat d’une observation incomplète d’oscillation de longue période, par exemple inter décennal, comme révélé parfois dans les enregistrements longs des marégraphes (Figure 1) ? Les enregistrements des marégraphes sont en effet les seuls témoins directs d’observation du niveau marin passé, parfois remontant près de 300 ans (Wöppelmann et al., 2008b). Le travail de recherche et de sauvetage des enregistrements historiques revêt alors une importance particulière dans le contexte actuel de changement climatique. Les séries temporelles de plus de cent ans sont rares et inégalement réparties dans le monde. Depuis quelques années, notre équipe s’est s’investit dans cette activité de recherche avec des résultats originaux, obtenus aussi bien en métropole (Pouvreau et al., 2006 ; Gouriou et al., 2008) que dans les territoires où la France est présente de par son passé, par exemple à Dakar (Wöppelmann et al., 2008a) ou à Saint-Paul dans l’océan Indien (Testut et al., sous presse).

Figure 1. Série de moyennes annuelles du marégraphe de Brest auxquelles une tendance linéaire est retirée et un filtrage par moyenne glissante est appliqué (courbe lissée) afin de ressortir la variabilité basse fréquence au-delà de dix ans. L’origine des hauteurs est arbitraire

Figure 1. Série de moyennes annuelles du marégraphe de Brest auxquelles une tendance linéaire est retirée et un filtrage par moyenne glissante est appliqué (courbe lissée) afin de ressortir la variabilité basse fréquence au-delà de dix ans. L’origine des hauteurs est arbitraire

 Source des mesures : SHOM via SONEL, http :www.sonel.org

7Selon le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), le niveau général de la mer se serait élevé de 10 à 25 centimètres sur les quarante à cent dernières années, avec une valeur centrale préférée de 1,7 0,5 mm/an (Bindoff et al., 2007). Cette valeur provient de la synthèse des nombreuses études, réalisées sur les séries d’observations longues de marégraphes, appliquant des critères de sélection qui diffèrent, selon les auteurs et leurs stratégies d’analyse, pour surmonter les difficultés inhérentes à ce type de données et base de données disponibles, à savoir, la représentativité spatiale et les oscillations de longue période qui peuvent biaiser les estimations. Dans le 3e rapport du GIEC, le bilan entre contributions climatiques à l’élévation générale du niveau de la mer (observations de la fonte des glaces continentales et de la dilation thermique des eaux marines à partir de mesures de température et de salinité) et observations directes du niveau de la mer faisait apparaître un facteur deux (0,7 mm/an versus 1,5 mm/an). S’il semble réduit dans le 4e rapport, publié en 2007, l’écart reste cependant de 0,7 mm/an. Depuis ce 4e rapport, de nombreuses études ont été menées pour tenter de réduire les incertitudes et comprendre les variations climatiques du niveau de la mer. Les travaux de Domingues et al. (2008), sur les contributions climatiques et de Wöppelmann et al. (2009) sur les observations directes du niveau de la mer, ont abouti à une réduction de l’écart, indiquant un budget également équilibré à des échelles de temps de plusieurs dizaines d’années à séculaire (1,5 mm/an versus 1,6 mm/an).

8Si la détermination de la tendance du niveau global de la mer se révèle un indicateur important, permettant de valider les théories de réchauffement climatique ou d’améliorer les prédictions des modèles, la question de son intérêt pratique se pose dans l’évaluation des risques et la définition de stratégies de prévention et d’aménagement du littoral. Les variations spatiales des tendances du niveau de la mer sont désormais reconnues. Les processus à l’origine de ces variations sont multiples ; nous avons commencé à les évoquer plus haut : (i) dilatation thermique des couches superficielles des océans (Ishii et al., 2006) ; (ii) fonte des glaces continentales et effets gravitationnels associés à la redistribution des masses d’eau (Mitrovica et al., 2009) ; (iii) redistribution des champs de pression atmosphérique (Woodworth et al., 2010) ; (iv) mouvements verticaux du sol à la côte (Wöppelmann et al., 2007). Alors que le GIEC a, jusqu’à présent, surtout porté son attention sur l’estimation de paramètres indicateurs du changement climatique à l’échelle globale, l’intérêt scientifique, économique et social se concentre sur les variations locales du niveau marin, lesquelles pourront s’écarter notablement de la moyenne globale. C’est pourquoi, après avoir concentré son attention à l’échelle globale, nécessaire pour bien maîtriser les paramètres à cette échelle, par exemple le repère géocentrique (Collilieux et Wöppelmann, in press) et l’analyse des mesures GPS pour du positionnement ultra précis des marégraphes (Wöppelmann et al., 2009), nos travaux se tournent désormais vers les échelles régionale (Golfe du Mexique, thèse de doctorat de C. Letetrel et projet financé par l’ANR 2010-2012) et locale, avec des études de cas en Charente-Maritime (thèse de doctorat de T. Gouriou), mais aussi à Kerguelen, à Dakar et à Alexandrie.

9Observer les mouvements verticaux du sol à la côte, et les prendre en compte dans l’évaluation des risques et la définition de stratégies de prévention et d’aménagement du littoral est donc aussi important que d’observer les variations climatiques du niveau de la mer. L’exemple du Golfe du Mexique est assez instructif à ce propos, avec des taux de subsidence dont le résultat est une élévation relative du niveau de la mer par rapport à la côte de l’ordre du centimètre par an (exemple de Grand Isle en Nouvelle Orléans), soit un taux équivalent à ce qui est prévu globalement par les modèles climatiques pour la fin 2100. La dimension géodésique est désormais intégrée dans le programme mondial d’observation du niveau de la mer GLOSS de la Commission océanographique intergouvernementale de l’Unesco (Merrifield et al., 2009), dans lequel la composante GPS du système d’observation SONEL (http://www.sonel.org), développé à l’université de la Rochelle en partenariat avec le laboratoire LEGOS et le SHOM, est appelée à jouer un rôle international de centre de données spécialisé dans la co-localisation des marégraphes avec des stations GPS.

10Ajoutons que l’objectif principal de SONEL est de rassembler et de diffuser des observations du niveau marin à la côte, enregistrées par des marégraphes, et de la meilleure qualité métrologique possible. Ces observations doivent apporter aux chercheurs des éléments qui leur permettront de répondre aux questions qu’ils se posent aujourd’hui sur les changements qui affectent les différentes composantes du niveau de la mer : le niveau moyen de la mer monte-t-il ? Où ? Comment ? Pourquoi ? Les ondes de tempête sont-elles plus fréquentes aujourd’hui ? La réponse à ces questions dépend de l’acquisition de longues séries temporelles d’enregistrement du niveau marin. La synergie de la marégraphie avec d’autres techniques de mesure, en particulier les techniques spatiales de positionnement précis (GPS) qui permettent de s’assurer de la stabilité géodésique du socle sur lequel reposent les marégraphes, est aussi un élément clé de leur interprétation.

Variabilité de la houle

11Depuis une quarantaine d’années, plusieurs études ont été menées pour analyser les évolutions du climat de houle dans le nord-est Atlantique. Par exemple, le Wasa Group (1998) et Wang and Swail (2001) ont montré localement une augmentation de la hauteur des vagues lors des dernières décennies. À l’inverse, au niveau du golfe de Gascogne, Dupuis et al (2006) n’ont pas identifié de tendance significative sur la période 1980-1998. Prenant en considération les prévisions de changement climatiques qui suggèrent une intensification des tempêtes (IPCC, 2007) et le pouvoir morphogène de ces évènements sur les côtes, il existe un réel besoin d’étudier l’évolution à long terme des principaux paramètres des vagues (hauteur, période et direction).

12Nous présentons les résultats d’une action de recherche initiée au Laboratoire National d’Ingénierie Civile du Portugal (LNEC, Lisbonne) et poursuivie à l’UMR LIENSs. Ces études ont profité de la mise à disposition, par la « National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) des États-Unis, de champs de vents réanalysés sur la période de 1953-2009. À partir des données de vent, les vagues ont été modélisées dans l’Atlantique Nord grâce au code numérique « WaveWatch 3 » (Tolman et al., 2009). Cette étude montre, entre autres, aux latitudes nord (au nord de 45° nord), la moyenne hivernale des hauteurs significatives des vagues Hs augmente et atteint localement +0,70 m au nord de l’Irlande (Figure 2a). À l’inverse, aux latitudes sud de la zone d’étude, les moyennes hivernales des Hs diminuent légèrement, jusqu’à -0.15 m au niveau des Açores. Aux latitudes intermédiaires (autour de 45° N), il n’y a pas de tendances significatives. Une carte de coefficients de corrélation Pearson, entre les moyennes hivernales des Hs et l’indice de l’Oscillation Nord Atlantique (NAO), montre que les zones où les Hs augmentent sur la période de cette étude sont des zones de forte corrélation positive (Figure 2b). À l’inverse, les zones où les Hs diminuent sont caractérisées par des coefficients de corrélation négatifs. Cette oscillation nord-atlantique est calculée à partir des différences de la pression atmosphérique aux Açores et en Islande. L’indice associé a été défini comme la différence de pression entre Ponta Delgada (Açores, Portugal) et Reykjavik (Islande), normalisé par l’écart-type de cette différence. Cet indice renseigne donc sur la position relative et l’intensité de l’anticyclone des Açores et des dépressions nord-atlantiques. Quand l’indice NAO est positif, des dépressions creuses se développent aux latitudes nord, un anticyclone puissant est centré sur les Açores et cette situation atmosphérique génère des vents d’ouest intenses et donc des vagues plus importantes à ces latitudes. Ainsi l’augmentation de la taille des vagues, entre 1959 et 2009 au large des îles britanniques, est-elle expliquée par une augmentation de l’indice NAO sur la même période. Les perspectives de ces recherches sont nombreuses, car il est possible, à partir des résultats de ce modèle numérique de grande emprise géographique, de réaliser des modélisations de détail sur des territoires côtiers (à condition que des données de bathymétrie précises soient disponibles) afin de calculer des transports sédimentaires et tenter de relier les variations de hauteur des vagues avec les variations de budget sédimentaires des côtes.

Figure 2. (a) Tendances des moyennes hivernales des hauteurs significatives des vagues sur la période 1953-2009 et (b) coefficients de corrélation Pearson entre ces moyennes hivernales et l’indice de l’oscillation Nord Atlantique.

Figure 2. (a) Tendances des moyennes hivernales des hauteurs significatives des vagues sur la période 1953-2009 et (b) coefficients de corrélation Pearson entre ces moyennes hivernales et l’indice de l’oscillation Nord Atlantique.

Modélisation des surcotes et des ondes de tempête

13Les surcotes provoquées par les tempêtes en mer sont des causes majeures des submersions marines et de l’érosion des côtes. Les plaines côtières de la Gironde à la Vendée ainsi que la Camargue, représentent, en termes de superficies inondables, les domaines côtiers le plus menacés de France. Les évènements Xynthia et Martin ont rappelé l’extrême sensibilité de ces côtes à la submersion marine et peuvent donc servir de modèle face à cet aléa. Le risque d’inondation en domaine littoral dépend de deux paramètres : le niveau de l’océan et l’altitude de la zone côtière. À courte échelle de temps, le niveau de l’océan est lui-même contrôlé par quatre paramètres, soit la marée, le vent, la pression atmosphérique et les vagues.

14Bien que les surcotes météorologiques soient régulièrement observées en période hivernale le long du littoral européen, leur prévision, et surtout celle des submersions dues aux surcotes, est encore un défi majeur pour prédire de façon opérationnelle le risque d’inondation. L’incertitude dans la prévision des surcotes est liée, tout d’abord, à la complexité de la propagation des ondes de tempêtes. Cette complexité tient à la présence de diverses interactions non linéaires entre les surcotes-décotes, les vagues, les marées et les vents, sans oublier, l’impact de la bathymétrie des fonds marins sur la répartition des surcotes près de la côte. À la suite de la tempête Martin en décembre 2009, l’une des tempêtes les plus destructrices du 20e siècle, les processus dominants de la propagation des ondes de tempêtes dans les Pertuis Charentais ont été étudiés en étroite collaboration avec les collègues du Laboratoire Nationale de l’Hydraulique et l’Environnement d’EDF, et ce, à partir de quatre exemples de surcotes observées entre 1999 et 2002 (Nicolle et al, 2009). Le modèle numérique de la propagation des surcotes est basé sur le programme de simulation des marées et des surcotes TELEMAC (Hervouet, 2007) et sur le code de calcul de propagation des vagues TOMAWAC (Benoit, 2002). Les surcotes et les vagues ont d’abord été calculées sur une grille de calcul qui englobe le Golfe de Gascogne et la Manche. Les variations temporelles du niveau de la mer et celles du spectre des vagues ont été transmises au modèle à haute résolution de la région des Pertuis Charentais. La comparaison des résultats du modèle avec les mesures a démontré la nécessité d’une haute résolution spatiale pour bien simuler l’amplification des surcotes par petits fonds dans les Pertuis. Cette étude a également révélé l’importance de la prise en compte des interactions non linéaires entre les courants de marée, la houle, le vent et les fonds marins. Par exemple, la présence des vagues augmente la rugosité de la surface de la mer et par conséquent le couplage avec le vent. Les simulations de la surcote, observées en octobre 1999, ont montré que la rugosité, accrue par les vagues, a entrainé l’augmentation de la traction du vent sur la surface de la mer et abouti à une amplification du pic de la surcote de presque 50 %. En contrepartie, le frottement sur le fond est amplifié par les vagues, ce qui atténue la surcote. En modélisant à la fois les effets amplificateurs (augmentation du couplage océan atmosphère) et atténuateurs (amplification du frottement sur le fond) des vagues, on peut montrer que l’amplification totale du pic de la surcote par les vagues est de seulement 20 %. La diminution des fonds vers la côte, quant à elle, amplifie la surcote (Figure 3). Les modélisations de surcotes dans les Pertuis charentais montrent qu’il s’agit d’un site privilégié pour y mener des études théoriques et expérimentales (observations in situ) sur la propagation des surcotes. Des travaux sont d’ailleurs en cours, pour affiner les modèles existants et pour aboutir à une prédiction plus fine des zones inondables. Pour atteindre cela, quatre actions sont prévues : (1) la réalisation d’un modèle numérique de terrain Terre-Mer et d’un maillage pour la modélisation numérique à haute résolution, à partir de la synthèse des données bathymétriques et topographiques existantes ou en cours d’acquisition, afin de prendre en compte les digues, les défenses de côtes et toutes les barrières sédimentaires naturelles ; (2) la réalisation de mesures complémentaires de hauteur d’eau et de houle, simultanément au large et à la côte, lors d’évènements extrêmes ; (3) la modélisation numérique des surcotes et de l’élévation du niveau de la mer sur le modèle numérique de terrain Terre-Mer à haute résolution, qui comportera environ un million de nœuds, ce qui nécessitera la mise en œuvre de codes de calcul parallélisés afin de réduire les temps de calcul.

Figure 3. Surcote observée dans la nuit du 23 au 24 octobre 1999 aux ports de La Pallice et du Chapus et surcote prédite par le modèle numérique prenant en compte les interactions non linéaires entre la marée, les vagues et le vent. Les différences d’amplitudes entre les surcotes aux ports de La Pallice et du Chapus sont remarquables et sont liées aux différences de morphologie et de bathymétrie des deux sites.

Figure 3. Surcote observée dans la nuit du 23 au 24 octobre 1999 aux ports de La Pallice et du Chapus et surcote prédite par le modèle numérique prenant en compte les interactions non linéaires entre la marée, les vagues et le vent. Les différences d’amplitudes entre les surcotes aux ports de La Pallice et du Chapus sont remarquables et sont liées aux différences de morphologie et de bathymétrie des deux sites.

Dynamique des côtes estuariennes et enregistrement sédimentaire des facteurs de contrôle

15Les côtes sédimentaires sont parmi les environnements physiques les plus mobiles de la planète. Leur dynamique est liée au transport sédimentaire, par les fluides côtiers (principalement les vagues, les courants de marée, les courants océaniques, les débits fluviatiles et le vent), eux-mêmes mis en mouvement par l’océan et l’atmosphère. De fait, le niveau de la mer et le climat sont des paramètres clés de la dynamique des littoraux. Ces deux paramètres étant variables à différentes échelles, une stratégie de recherche pour prévoir leurs évolutions futures consiste en l’élaboration de modèles numériques climatiques prédictifs (Lynch, 2007). Bien qu’incontournable, cette stratégie est limitée à la fois par le caractère stochastique des tempêtes et des évènements extrêmes, et par les temps de calculs importants pour prévoir des évolutions à long terme (plusieurs siècles à plusieurs millénaires). Une stratégie complémentaire, pour comprendre les changements actuels et à venir, consiste à évaluer les évolutions passées du niveau de la mer et du climat, grâce à l’archivage par la sédimentation. Les sédiments, par leur nature et leur organisation géométrique, sont une mémoire des changements environnementaux. En zone littorale et en particulier dans les estuaires et les lagunes, où les taux de sédimentation sont importants, ils permettent de reconstituer des évolutions du climat et du niveau de la mer.

16L’enregistrement sédimentaire des évolutions du climat de la houle a été mis en évidence au niveau de la Pointe d’Arçay en Vendée (Allard et al., 2008). Il s’agit d’une flèche sableuse, localisée dans le Pertuis Breton à l’embouchure du Lay, construite par les courants de houle (dérive littorale), et qui croît à plus 20 m/an en moyenne depuis 300 ans environ. Cette flèche se caractérise par des crochons (Figure 4) ce qui suggère que le transport par dérive littorale est variable dans le temps. Les évolutions sédimentaires de la Pointe d’Arçay ont été quantifiées par l’analyse de photos aériennes (Figure 4a), d’images Spot (Figure 4b) et de mesures topographiques par GPS. Cette première phase de l’étude a montré les fortes variations dans la croissance de la flèche, avec des phases paroxysmales d’allongement pouvant atteindre 50 m/an et des alternances de phases où la flèche s’allonge ou se recourbe sur elle-même (formation des crochons). La mesure du transport sédimentaire in situ a été réalisée à l’aide de sables marqués à la peinture fluorescente, de courantomètres et de capteurs de pression, afin de relier les paramètres de la houle (hauteur, période et direction) avec le transport sédimentaire. Ces résultats, combinés à ceux de la modélisation de la houle entre 1987 et 2007, ont permis de calculer les variations du transport sédimentaire par la houle sur la même période. Il a été ensuite possible de comparer les variations du transport sédimentaire par la houle avec les variations de croissance de la flèche. Ainsi pour la grande majorité des périodes, nous avons pu montrer que ce sont les variations de hauteur des vagues qui expliquent les variations de transport sédimentaire et les variations de croissance de la flèche. Ainsi les flèches sableuses, comme la Pointe d’Arçay, sont potentiellement des archives du climat de houle passé.

17L’augmentation du niveau marin entraîne généralement un recul des côtes, mais cette augmentation peut-être compensée par les apports sédimentaires qui varient beaucoup spatialement. Ainsi, pour une élévation identique du niveau de la mer, il est commun d’observer un recul des côtes exposées aux houles et une avancée des côtes abritées des houles. Or les apports sédimentaires sont contrôlés à la fois par les fluides côtiers, l’héritage géologique, le climat et plus récemment par l’homme, des études comparatives sont donc nécessaires pour discriminer ces facteurs et comprendre les réponses des différents types de côtes aux variations du niveau marin et aux apports sédimentaires. Sur le littoral de Charente-Maritime, l’opportunité de disposer de deux environnements estuariens (pertuis breton et pertuis d’Antioche-Baie de Marennes-Oléron) de morphologie comparable, soumis aux mêmes facteurs environnementaux et humains, a permis de comparer leurs enregistrements sédimentaires (Chaumillon et Weber, 2006). Cette étude montre que ce sont les apports sédimentaires marins qui expliquent les différences d’enregistrements sédimentaires. Le pertuis breton, situé au nord par rapport au pertuis d’Antioche, piège le sable provenant du nord par la dérive littorale liée à la houle. Par conséquent il est plus comblé et l’est majoritairement par des corps sédimentaires sableux. Le pertuis d’Antioche est quant à lui soumis à des apports sédimentaires majoritairement en suspension issus du panache turbide la Gironde, situé plus au sud, et enregistre préférentiellement des changements environnementaux liés à la déforestation et aux changements climatiques. Cette stratégie de comparaison, étendue à un grand nombre de systèmes estuariens français, a permis de mieux comprendre les évolutions sédimentaires de ces systèmes sédimentaires et de hiérarchiser leurs facteurs de contrôle (Chaumillon et al., 2010). Ainsi, cette comparaison montre que les variations du niveau marin sont le facteur de contrôle primordial des évolutions pluri millénaires des estuaires et des lagunes. Par contre, c’est la balance hydrodynamique entre la houle et la marée qui explique leurs principales différences de comblements sédimentaires et qui permet de classer leurs différents enregistrements sédimentaires (Figure 5). Dans le cas des littoraux appauvris en sédiments, l’héritage géologique, représenté par la morphologie de la vallée située sous l’estuaire, est également un facteur important. Lorsque les variations du niveau marin sont modérées, ces systèmes sédimentaires estuariens et lagunaires sont sous le contrôle des changements climatiques et des activités anthropiques pour les périodes les plus récentes.

Figure 5. Graphe utilisant les paramètres hydrodynamiques (marnage maximum et pourcentage annuel de hauteurs significatives de vagues supérieures à 1 m) pour classer les environnements estuariens et lagunaires français, en fonction de leur variabilité morphologique et stratigraphique. Les environnements dominés par la marée sont des estuaires ouverts dans lesquels la profondeur de ravinement par les courants de marée joue un rôle primordial dans la préservation de l’enregistrement sédimentaire. Les environnements dominés par la houle et la marée (énergie mixte) comprennent à la fois des estuaires ouverts et des lagunes semi-fermées par une flèche sableuse, le ravinement par les courants de marée à l’embouchure et le contrôle par le socle rocheux ([R]) jouent un rôle essentiel dans la préservation sédimentaire. Les environnements dominés par la houle sont des lagunes fermées par une barrière sédimentaire, construite par les apports sédimentaires liés à la houle, en période de stabilisation du niveau marin. La construction de cette barrière est déterminante pour la préservation de l’enregistrement sédimentaire dans la lagune.

Figure 5. Graphe utilisant les paramètres hydrodynamiques (marnage maximum et pourcentage annuel de hauteurs significatives de vagues supérieures à 1 m) pour classer les environnements estuariens et lagunaires français, en fonction de leur variabilité morphologique et stratigraphique. Les environnements dominés par la marée sont des estuaires ouverts dans lesquels la profondeur de ravinement par les courants de marée joue un rôle primordial dans la préservation de l’enregistrement sédimentaire. Les environnements dominés par la houle et la marée (énergie mixte) comprennent à la fois des estuaires ouverts et des lagunes semi-fermées par une flèche sableuse, le ravinement par les courants de marée à l’embouchure et le contrôle par le socle rocheux ([R]) jouent un rôle essentiel dans la préservation sédimentaire. Les environnements dominés par la houle sont des lagunes fermées par une barrière sédimentaire, construite par les apports sédimentaires liés à la houle, en période de stabilisation du niveau marin. La construction de cette barrière est déterminante pour la préservation de l’enregistrement sédimentaire dans la lagune.

Conclusion

18Les processus physiques de submersion marine et d’évolutions morphologiques des côtes sédimentaires doivent être mieux compris et quantifiés à différentes échelles de temps pour une gestion durable des zones côtières. En effet,dans un contexte de changement climatique et de pression anthropique croissante, l’espace disponible d’une grande quantité de littoraux décroit, en raison d’une élévation du niveau marin et d’une érosion des côtes. Face à ce défi, notre équipe pluri disciplinaire mesure et modélise les différents processus responsables de la submersion marine et des évolutions morphologiques des côtes. Elle analyse en outre les réponses morpho sédimentaires des côtes à différentes échelles de temps. Ces recherches sont réalisées à la fois à une échelle globale, pour appréhender les phénomènes planétaires des changements climatiques et de variations du niveau marin, mais également dans une dimension locale, afin de mettre en évidence les réponses variées des différents types de côtes à ces facteurs globaux. La prise en compte du changement climatique dans ces problématiques implique de réaliser des séries temporelles de mesures longues et continues, et donc, de maintenir des missions d’observation telles que préconisées par le Bureau des longitudes (BDL, 2009).

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Table des illustrations

Titre Figure 1. Série de moyennes annuelles du marégraphe de Brest auxquelles une tendance linéaire est retirée et un filtrage par moyenne glissante est appliqué (courbe lissée) afin de ressortir la variabilité basse fréquence au-delà de dix ans. L’origine des hauteurs est arbitraire
Crédits  Source des mesures : SHOM via SONEL, http :www.sonel.org
URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/10947/img-1.png
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Titre Figure 2. (a) Tendances des moyennes hivernales des hauteurs significatives des vagues sur la période 1953-2009 et (b) coefficients de corrélation Pearson entre ces moyennes hivernales et l’indice de l’oscillation Nord Atlantique.
URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/10947/img-2.jpg
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Titre Figure 3. Surcote observée dans la nuit du 23 au 24 octobre 1999 aux ports de La Pallice et du Chapus et surcote prédite par le modèle numérique prenant en compte les interactions non linéaires entre la marée, les vagues et le vent. Les différences d’amplitudes entre les surcotes aux ports de La Pallice et du Chapus sont remarquables et sont liées aux différences de morphologie et de bathymétrie des deux sites.
URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/10947/img-3.jpg
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Titre Figure 4. (a) Évolutions morphologiques de l’extrémité de la pointe d’Arçay en Vendée à partir de photographies aériennes entre 1945 et 2000. (b) Évolutions morphologiques de l’extrémité de la pointe d’Arçay en Vendée à partir de scènes satellites SPOT entre 1987 et 2005. Surfaces gagnées révèlent des apports sédimentaires par la houle qui sont variables et fonction de la hauteur des vagues.
URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/10947/img-4.jpg
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URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/10947/img-5.jpg
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Titre Figure 5. Graphe utilisant les paramètres hydrodynamiques (marnage maximum et pourcentage annuel de hauteurs significatives de vagues supérieures à 1 m) pour classer les environnements estuariens et lagunaires français, en fonction de leur variabilité morphologique et stratigraphique. Les environnements dominés par la marée sont des estuaires ouverts dans lesquels la profondeur de ravinement par les courants de marée joue un rôle primordial dans la préservation de l’enregistrement sédimentaire. Les environnements dominés par la houle et la marée (énergie mixte) comprennent à la fois des estuaires ouverts et des lagunes semi-fermées par une flèche sableuse, le ravinement par les courants de marée à l’embouchure et le contrôle par le socle rocheux ([R]) jouent un rôle essentiel dans la préservation sédimentaire. Les environnements dominés par la houle sont des lagunes fermées par une barrière sédimentaire, construite par les apports sédimentaires liés à la houle, en période de stabilisation du niveau marin. La construction de cette barrière est déterminante pour la préservation de l’enregistrement sédimentaire dans la lagune.
URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/10947/img-6.jpg
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Pour citer cet article

Référence électronique

Eric Chaumillon, Guy Wöppelmann, Mikhail Karpytchev et Xavier Bertin, « Mesures et modélisations des évolutions du niveau marin, des vagues, des tempêtes et des évolutions des littoraux pour une gestion durable des littoraux », VertigO - la revue électronique en sciences de l'environnement [En ligne], Hors-série 9 | Juillet 2011, mis en ligne le 13 juillet 2011, consulté le 16 novembre 2018. URL : http://journals.openedition.org/vertigo/10947 ; DOI : 10.4000/vertigo.10947

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Auteurs

Eric Chaumillon

UMR CNRS 6250 LIENSs, Institut du Littoral et de l’Environnement, 2 rue Olympe de Gouges, 17000 La Rochelle. Courriel : eric.chaumillon@univ-lr.fr

Guy Wöppelmann

UMR CNRS 6250 LIENSs, Institut du Littoral et de l’Environnement, 2 rue Olympe de Gouges, 17000 La Rochelle. Courriel : guy.woppelmann@univ-lr.fr

Mikhail Karpytchev

UMR CNRS 6250 LIENSs, Institut du Littoral et de l’Environnement, 2 rue Olympe de Gouges, 17000 La Rochelle. Courriel : mikhail.karpytchev@univ-lr.fr

Xavier Bertin

UMR CNRS 6250 LIENSs, Institut du Littoral et de l’Environnement, 2 rue Olympe de Gouges, 17000 La Rochelle. Courriel : xavier.bertin@univ-lr.fr

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