Le tissu urbain se caractérise par des propriétés très spécifiques, et notamment par:

* une extrême parcellisation, avec des échelles caractéristiques allant du mètre à la dizaine de mètres pour les parcelles et objets à étudier (bâtiments par exemple), quelques centaines de mètres pour des entités de type "quartier", jusqu'à quelques kilomètres ou myriamètres pour l'agglomération (dont les limites sont souvent mal définies);
* une extrême hétérogénéité des surfaces en termes de géométrie, de matériaux, de propriétés physiques;
* une structure fondamentalement tridimensionnelle, non seulement en couches superposées (sous-sol, surface, canopée, basse atmosphère) mais aussi du fait des objets qui le constituent (bâtiments, monuments, arbres isolés, etc.) qui présentent des surfaces verticales ou inclinées, et qui sont disposés dans un plan ni totalement ordonné ni totalement aléatoire.
Enfin, l'environnement urbain ne peut pas être étudié en faisant abstraction des usages, de la qualité de vie des habitants, qui en sont les acteurs et qui les subissent (vulnérabilité, risques, santé) ou les ressentent (ambiances).
Les recherches sur les environnements urbains doivent se mener simultanément à trois échelles spatiales. L'échelle de l'agglomération ou de grands secteurs est celle des systèmes urbains (et des forçages météorologiques). La micro-échelle est celle des processus physiques (ruissellement, échange thermo-radiatifs sur les surfaces de bâtiments, transferts thermiques et hydriques sol-canopée-atmosphère et sol-réseau) au niveau des composants de ces systèmes (une façade, un bâtiment, une rue, une parcelle, un avaloir, un exutoire) dont le "fonctionnement" n'est pas indépendant de leur place dans le système. L'échelle intermédiaire est l'échelle pertinente pour les opérations d'aménagement urbain, notamment dans la perspective du développement durable (éco-quartiers, etc.), et pour la gestion des eaux de temps de pluie : quartier homogène en climatologie ou bassin versant en hydrologie. La modélisation réclame donc des aller-retours de désagrégation (down-scaling) et d'intégration spatiale (up-scaling). De même les recherches doivent porter simultanément sur le chronique et l'événementiel, respectivement liés à l'environnement géré et ressenti dans la durée et aux évènements extrêmes, souvent moins bien maîtrisés.

I - Hydrosystèmes urbains


Un hydrosystème en milieu urbanisé est un objet de recherche particulièrement intéressant. Il présente de fortes hétérogénéités spatiales tant en surface que dans le proche sous-sol, très remanié. Le réseau hydrographique est transformé et artificialisé. Les caractéristiques des bassins versants sont modifiées par le développement urbain, et l'évolution de la gestion des eaux de temps de pluie. Le fonctionnement des hydrosystèmes urbanisés reste d'autant plus mal connu que l'on cherche à décrire leur réponse à des longues chroniques temporelles de forçage hydro-météorologique: les réseaux drainent l'eau du sol, les écoulements de subsurface existent, l'évapotranspiration reste très importante, les bassins versants mixtes (partiellement urbanisés) sont des orphelins de la modélisation hydrologique. Les bassins versants urbanisés méritent donc un effort de recherche et leur modélisation peut tirer parti de la richesse de la description des espaces urbains (bases de données urbaines). L'observation de longue durée a toujours été une priorité de la Division Eau et Environnement du LCPC comme l'illustre le suivi d'une dizaine d'années d'un petit bassin versant à Rezé (Berthier et al., 1998, 2004). L'expérience ainsi acquise a été déterminante pour la mise en place d'un ambitieux projet expérimental de suivi d'hydrosystèmes urbains dans le cadre de l'IRSTV : le Secteur Atelier Pluridisciplinaire (SAP). Dans le domaine hydrologique, il s'agit d'assurer une observation de longue durée de trois bassins versants imbriqués du quartier Bottière-Chesnaie à Nantes :
-    le bassin versant du Pin-Sec, d'une surface de 30 ha, où il s'agit d'estimer les différentes composantes du bilan hydrologique en s'intéressant notamment aux échanges entre l'eau du sol et les réseaux d'assainissement. Ce bassin versant est équipé de mesures pluviométriques, débitmétriques (eaux pluviales et eaux usées), piézométriques (au nombre de 11) et fait l'objet d'un suivi très détaillé des flux de pollution (§ II ) et d'une observation des flux d'énergie (§ III)
-    le bassin versant des Gohards, d'une surface de 180 ha, instrumenté en mesures pluviométrique et débimétrique depuis 1998, et qui fait l'objet d'un suivi de la qualité des eaux depuis le printemps 2007 ;
-    le bassin versant des Grands Gohards, d'une superficie de 450 ha, sur lequel se situe un projet d'éco-quartier d'environ 2000 logements sur la période 2007-2012, instrumenté en mesure pluviométrique et débitmétrique depuis le mois de mai 2007. Il s'agit d'une opportunité unique d'étudier l'influence de l'urbanisation sur le comportement hydrologique dans une opération d'aménagement qui privilégie des techniques alternatives de gestion des eaux pluviales.
Exemple Env Urbain 1

II - Flux de polluants à l'échelle d'un quartier urbain

 

Les rejets urbains de temps de pluie constituent une source considérable de pollutions. Les recherches antérieures ont tenté de quantifier les flux polluants sur différentes parties de leur cheminement vers les milieux récepteurs. Très peu de travaux ont toutefois considéré le milieu urbain dans sa globalité, d'une part, et ont cherché à pérenniser le suivi des flux polluants dans le temps, d'autre part. L'objectif visé est donc de parvenir, en s'inscrivant dans la durée, à une description des flux et des stocks de pollution : dans l'atmosphère urbaine, sur les surfaces urbaines et dans les systèmes d'assainissement.

Atmosphère urbaine : L'atmosphère est le premier compartiment à considérer pour établir un bilan global à l'échelle de l'écosystème urbain. Il s'agit donc de caractériser les aérosols porteurs de polluants et de quantifier les dépôts secs et humides sur différentes surfaces (toits, murs, sols) ;

Surfaces urbaines : En ruisselant, les eaux météoriques lessivent les polluants déposés sur ces surfaces, elles peuvent aussi provoquer une lixiviation des polluants présents dans les matériaux eux-mêmes. Il s'agit d'identifier et de quantifier les polluants issus du lessivage de différents types de surfaces urbaines ;

Dans les réseaux d'assainissement : Il s'agit de caractériser et quantifier les flux et les stocks de polluants dans les réseaux d'assainissement qui véhiculent les eaux de temps de pluie (réseaux unitaires et pluviaux). Cette action implique de mesurer en continu ces flux de pollution, et donc de s'intéresser également à l'interprétation des méthodes indirectes de mesure de la pollution par turbidimètrie. Plusieurs sites expérimentaux ont été installés dans l'agglomération nantaise dans cette perspective

III - Climatologie et micro-météorologie urbaines

La climatologie urbaine résulte de l'interaction entre la morphologie urbaine et la climatologie régionale. Les processus physiques qui sont au cœur de cette micro-climatologie sont les transferts énergétiques et hydriques entre l'atmosphère, les bâtiments, les surfaces et le sous-sol, à différentes échelles allant de la parcelle ou de la rue à l'agglomération toute entière dans son environnement régional. Basés sur les connaissances déjà acquises par les différentes équipes participantes et sur les modèles développés, les travaux visent à améliorer la compréhension des phénomènes physiques entrant en jeu dans ces bilans. L'objectif est une modélisation cohérente et intégrée multi-échelles, avec une focalisation sur l'échelle du quartier, intermédiaire entre les échelles des simulations micro-échelles (mailles de l'ordre du mètre) et meso-échelles (mailles de l'ordre de l'hectomètre). Comme les chroniques climatiques se construisent sur les observations météorologiques on ne distingue pas ici les deux domaines de la climatologie et de la météorologie. L'observation pour la compréhension réclame ici de dépasser la mesure des variables climatiques et météorologiques traditionnelles (température, humidité, force et direction du vent, rayonnement incident, pluie) pour évaluer les échanges entre le sol, la canopée et la basse atmosphère : flux turbulents de quantité de mouvement, de chaleur, d'eau, de CO2, termes du bilan radiatif, distribution des températures dans la couche de canopée et répartition spatiale sur l'agglomération.

IV - Télédétection des sols urbains

 

La modélisation du fonctionnement des tissus urbains ne peut se faire sans que leurs propriétés thermiques, radiatives, hydriques soient connues de manière précise, aux échelles caractéristiques des modèles. Au delà des catalogues de référence fournissant des fourchettes de valeurs possibles, si les matériaux sont identifiés, il s'agit de documenter un SIG avec les valeurs des matériaux réellement en place sur le site étudié. Ce domaine est également étudié à plusieurs échelles simultanément : la micro-échelle des surfaces élémentaires, l'échelle intermédiaire de l'identification des modes de couverture des sols, et la macro-échelle des changements de modes d'occupation des sols (MOS) et de la dynamique urbaine.
Thème piloté par GERS-EE GERS Eau Environnement
En étroite association avec la FR CNRS 2488 IRSTVDir Hervé Andrieu