Sujet de thèse IFSTTAR

English version
Fiche détaillée :

Titre : Stratégies d’adaptation au changement climatique pour améliorer la gestion des eaux pluviales et le confort thermique : évaluation de scénarios d’aménagements à l’échelle de la métropole nantaise

Laboratoire principal - Référent principal GERS - EE  -  CHANCIBAULT Katia      tél. : +33 240845683

Directeur du laboratoire principal PEYNEAU Pierre-Emmanuel  -

Laboratoire 2 - Référent COSYS - LISIS  -  RUAS Anne  -    -  tél. : +33 181668099

Spécialité de la thèse sciences de la terre et de l'environnement

Axe 3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE DE NANTES

Ecole doctorale Matière, Molécules, Matériaux et Géosciences (3MG)

Directeur de thèse prévu GAUME Éric  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS

Co-directeur de thèse prévu RUAS Anne  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - IMSE

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte

L’urbanisation a beaucoup augmenté depuis la deuxième moitié du XXème siècle et va se poursuivre durant les prochaines décennies, dans le monde et en France (Nations Unies, 2019). Par l’imperméabilisation des sols et l’usage de matériaux stockant la chaleur, l’urbanisation modifie à la fois le cycle de l’eau et le bilan énergétique des surfaces, provoquant inondations, déversements et îlots de chaleur urbain (Fletcher et al., 2013 ; Grimmond, 2007). Le changement climatique pourrait aggraver encore ces effets. Les solutions fondées sur la nature (SFN) sont de plus en plus présentées comme des solutions d’adaptation au changement global (climatique ou urbanisation croissante). Par la désimperméabilisation des surfaces urbaines, elles favorisent une augmentation de l’évapotranspiration, de l’infiltration dans le sol ou du stockage de l’eau en surface, permettant de se rapprocher du bilan en eau du milieu naturel. L’évapotranspiration, via le flux de chaleur latente, permet aussi d’améliorer le bilan énergétique en rafraîchissant l’air, et complète les effets d’ombrages des arbres. Nombre des SFN sont ainsi multifonctionnelles : elles peuvent avoir un impact sur différents enjeux dont la gestion de l’eau, le confort thermique et le bien-être et la qualité de vie des habitants.

Des outils permettant d’évaluer conjointement ou séparément ces effets, sont en cours de développement. L’Université Gustave Eiffel (Laboratoire Eau et Environnement), en collaboration avec le CNRM (Météo-France et CNRS) a développé un outil de recherche (TEB-Hydro, Stavropulos-Laffaille et al, 2018 ; Stavropulos-Laffaille et al, 2020) couplant de façon cohérente et homogène les bilans en eau et énergétique et disposant de paramétrisations adaptées à la végétation en ville (Lemonsu et al, 2012 ; de Munck et al, 2013 ; Redon et al, 2017). Cet outil est ainsi adapté à l’évaluation hydro-microclimatique de différentes SFN.

L’élaboration de stratégies d’adaptation au changement global constitue un verrou scientifique. En effet, de nombreuses questions subsistent quant aux effets positifs ou négatifs induits par l’association de différentes SFN (Gunawardena et al, 2017 ; Haghighatafshar et al, 2018). De plus, l’élaboration de telles stratégies nécessite une forte interdisciplinarité permettant d’englober les différents enjeux environnementaux ou en lien avec l’aménagement du territoire. Ainsi, dans le cadre d‘une collaboration avec l’Université Technologique de Compiègne, des scénarios d’aménagement du territoire, introduisant des SFN, en lien avec les enjeux hydro-microclimatiques de la métropole nantaise et en cohérence avec les documents d’urbanisme sont en cours d’élaboration.

Les conditions sont ainsi réunies pour étudier et évaluer l’impact de diverses solutions fondées sur la nature, sur la gestion de l’eau et le confort thermique, dans le cadre d’une stratégie d’adaptation au changement climatique à l’échelle d’une métropole. Ceci constitue ainsi l’objectif de cette étude, qui soulève trois problématiques : i) la traduction de scénarios d’aménagement pour la modélisation hydro-microclimatique, ii) l’identification d’indicateurs pour l’évaluation et l’analyse des scénarios, iii) le potentiel de SFN à l’échelle d’une métropole. Enfin, par le croisement du microclimat urbain et de l’hydrologie urbaine, avec l’urbanisme réglementaire, ce travail participe à l’étude de la ville par une approche plus systémique.

Contenu

Le territoire de la métropole nantaise sera la zone d’étude, compte-tenu des études récentes, des données déjà disponibles et des liens existants avec la collectivité. La thèse s’organisera en trois étapes. 1/ Dans un premier temps, un travail bibliographique sera mené. Il portera sur les outils numériques utilisés durant cette thèse et plus largement sur la modélisation hydrologique et micro-climatique, les solutions fondées sur la nature et la notion de scénarios de diffusion des SFN, les projections climatiques. La prise en main des outils, méthodologies et données s’effectuera à travers l’application du modèle TEB-Hydro à l’échelle de la métropole nantaise et l’évaluation sur le temps présent. 2/ Les scénarios de projection climatique seront produits lors de la deuxième étape, à partir des données disponibles sur le portail DRIAS et en lien avec les travaux précédents (Lotfi, 2015 ; Stavropulos-Laffaille, 2019). Une analyse de la réponse hydro-microclimatique de la métropole nantaise, au changement climatique, sera menée, à l’aide d’indicateurs combinant les deux enjeux hydro-climatiques ou propres à chaque enjeu. 3/ Lors de la dernière étape, des scénarios d’aménagement seront élaborés puis évalués. Leur construction s’appuiera sur les travaux en cours avec l’Université Technologique de Compiègne portant sur l’analyse des documents d’urbanisme (Thèse de S. Chavez) ainsi que sur les résultats obtenus lors de la deuxième étape de cette étude. Le.a doctorant.e devra ensuite les traduire en données et paramètres adaptés au modèle TEB-Hydro. Les variables et indicateurs simulés avec ou sans scénarios d’aménagement pourront être comparées.

Ainsi, un jeu de scénarios, évalués vis-à-vis de la gestion des eaux pluviales et du confort thermique sera disponible et soumis à l’avis de la collectivité, dans le cadre d’une collaboration avec Météo-France et l’Université Technologique de Compiègne. Plus largement, la synthèse des différentes études de constructions de scénarios prospectifs permettra d’établir un certain nombre de recommandations, pour la communauté scientifique d’une part, et les décideurs et urbanistes d’autre part.

Bibliographie
de Munck C, Lemonsu A, Bouzouidja R, Masson V, and Claverie R. 2013. The GREENROOF module (v7.3) for modelling green roof hydrological and energetic performances within TEB. Geoscientific Model Development 6, 1941–1960. DOI: 10.5194/gmd-6-1941-2013
Fletcher, T.; Andrieu, H. & Hamel, P., 2013. Understanding, management and modelling of urban hydrology and its consequences for receiving waters: A state of the art Advances in Water Resources , 51, 261 – 279.
Grimmond, S., 2007. Urbanization and global environmental change: local effects of urban warming Geographical Journal, Blackwell Publishing Ltd, 173, 83-88.
Gunawardena, K., Wells, M. & Kershaw, T. , 2017. Utilising green and bluespace to mitigate urban heat island intensity Science of The Total Environment, 584, 1040 – 1055.
Haghighatafshar, S., la Cour Jansen, J., Aspegren, H., Jönsson, K., 2018. Conceptualization and Schematization of Mesoscale Sustainable Drainage Systems: A Full-Scale Study. Water 10, 1041. doi:10.3390/w10081041
Lemonsu A, Masson V, Shashua-Bar L, Erell E and Pearlmutter D. 2012. Inclusion of vegetation in the Town Energy Balance model for modelling urban green areas. Geoscientific Model Development 5, 1377–1393. DOI: 10.5194/gmd-5-1377-2012
Lotfi, Z. Analyse des données de température et de précipitations issues des scénarios de changement climatiques: impact à l'échelle de la ville de Nantes. Master II TEU de l'Ecole Centrale de Nantes, 2015
Nations Unies- Department of Economic and Social Affairs World Urbanization Prospects: The 2018 Revision (ST/ESA/SER.A/420). United Nations, 2019
Redon, E. C.; Lemonsu, A.; Masson, V.; Morille, B. & Musy, M., 2017. Implementation of street trees within the solar radiative exchange parameterization of TEB in SURFEX v8.0 Geoscientific Model Development,10, 385-411.
Stavropulos-Laffaille, X.; Chancibault, K.; Brun, J.-M.; Lemonsu, A.; Masson, V.; Boone, A. & Andrieu, H., 2018. Improvements to the hydrological processes of the Town Energy Balance model (TEB-Veg, SURFEX v7.3) for urban modelling and impact assessment Geoscientific Model Development, 11, 4175-4194
Stavropulos-Laffaille, X., 2019. Pour une analyse des impacts du changement climatique sur l’hydrologie urbaine : Modélisation hydro-microclimatique de deux bassins versants expérimentaux de l'agglomération nantaise. ED Sciences pour l'Ingénieur, Centrale Nantes - Université Bretagne Loire

Mots-clefs: gestion de l'eau, confort thermique, adaptation au changement climatique, scénario d'aménagement, solutions fondées sur la nature

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - EE - CHANCIBAULT Katia tél. : +33 240845683
Directeur du laboratoire principal	PEYNEAU Pierre-Emmanuel -
Laboratoire 2 - Référent	COSYS - LISIS - RUAS Anne - - tél. : +33 181668099
Spécialité de la thèse	sciences de la terre et de l'environnement
Axe	3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE DE NANTES
Ecole doctorale	Matière, Molécules, Matériaux et Géosciences (3MG)
Directeur de thèse prévu	GAUME Éric - Université Gustave Eiffel - GERS
Co-directeur de thèse prévu	RUAS Anne - Université Gustave Eiffel - COSYS - IMSE
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Contexte L’urbanisation a beaucoup augmenté depuis la deuxième moitié du XXème siècle et va se poursuivre durant les prochaines décennies, dans le monde et en France (Nations Unies, 2019). Par l’imperméabilisation des sols et l’usage de matériaux stockant la chaleur, l’urbanisation modifie à la fois le cycle de l’eau et le bilan énergétique des surfaces, provoquant inondations, déversements et îlots de chaleur urbain (Fletcher et al., 2013 ; Grimmond, 2007). Le changement climatique pourrait aggraver encore ces effets. Les solutions fondées sur la nature (SFN) sont de plus en plus présentées comme des solutions d’adaptation au changement global (climatique ou urbanisation croissante). Par la désimperméabilisation des surfaces urbaines, elles favorisent une augmentation de l’évapotranspiration, de l’infiltration dans le sol ou du stockage de l’eau en surface, permettant de se rapprocher du bilan en eau du milieu naturel. L’évapotranspiration, via le flux de chaleur latente, permet aussi d’améliorer le bilan énergétique en rafraîchissant l’air, et complète les effets d’ombrages des arbres. Nombre des SFN sont ainsi multifonctionnelles : elles peuvent avoir un impact sur différents enjeux dont la gestion de l’eau, le confort thermique et le bien-être et la qualité de vie des habitants. Des outils permettant d’évaluer conjointement ou séparément ces effets, sont en cours de développement. L’Université Gustave Eiffel (Laboratoire Eau et Environnement), en collaboration avec le CNRM (Météo-France et CNRS) a développé un outil de recherche (TEB-Hydro, Stavropulos-Laffaille et al, 2018 ; Stavropulos-Laffaille et al, 2020) couplant de façon cohérente et homogène les bilans en eau et énergétique et disposant de paramétrisations adaptées à la végétation en ville (Lemonsu et al, 2012 ; de Munck et al, 2013 ; Redon et al, 2017). Cet outil est ainsi adapté à l’évaluation hydro-microclimatique de différentes SFN. L’élaboration de stratégies d’adaptation au changement global constitue un verrou scientifique. En effet, de nombreuses questions subsistent quant aux effets positifs ou négatifs induits par l’association de différentes SFN (Gunawardena et al, 2017 ; Haghighatafshar et al, 2018). De plus, l’élaboration de telles stratégies nécessite une forte interdisciplinarité permettant d’englober les différents enjeux environnementaux ou en lien avec l’aménagement du territoire. Ainsi, dans le cadre d‘une collaboration avec l’Université Technologique de Compiègne, des scénarios d’aménagement du territoire, introduisant des SFN, en lien avec les enjeux hydro-microclimatiques de la métropole nantaise et en cohérence avec les documents d’urbanisme sont en cours d’élaboration. Les conditions sont ainsi réunies pour étudier et évaluer l’impact de diverses solutions fondées sur la nature, sur la gestion de l’eau et le confort thermique, dans le cadre d’une stratégie d’adaptation au changement climatique à l’échelle d’une métropole. Ceci constitue ainsi l’objectif de cette étude, qui soulève trois problématiques : i) la traduction de scénarios d’aménagement pour la modélisation hydro-microclimatique, ii) l’identification d’indicateurs pour l’évaluation et l’analyse des scénarios, iii) le potentiel de SFN à l’échelle d’une métropole. Enfin, par le croisement du microclimat urbain et de l’hydrologie urbaine, avec l’urbanisme réglementaire, ce travail participe à l’étude de la ville par une approche plus systémique. Contenu Le territoire de la métropole nantaise sera la zone d’étude, compte-tenu des études récentes, des données déjà disponibles et des liens existants avec la collectivité. La thèse s’organisera en trois étapes. 1/ Dans un premier temps, un travail bibliographique sera mené. Il portera sur les outils numériques utilisés durant cette thèse et plus largement sur la modélisation hydrologique et micro-climatique, les solutions fondées sur la nature et la notion de scénarios de diffusion des SFN, les projections climatiques. La prise en main des outils, méthodologies et données s’effectuera à travers l’application du modèle TEB-Hydro à l’échelle de la métropole nantaise et l’évaluation sur le temps présent. 2/ Les scénarios de projection climatique seront produits lors de la deuxième étape, à partir des données disponibles sur le portail DRIAS et en lien avec les travaux précédents (Lotfi, 2015 ; Stavropulos-Laffaille, 2019). Une analyse de la réponse hydro-microclimatique de la métropole nantaise, au changement climatique, sera menée, à l’aide d’indicateurs combinant les deux enjeux hydro-climatiques ou propres à chaque enjeu. 3/ Lors de la dernière étape, des scénarios d’aménagement seront élaborés puis évalués. Leur construction s’appuiera sur les travaux en cours avec l’Université Technologique de Compiègne portant sur l’analyse des documents d’urbanisme (Thèse de S. Chavez) ainsi que sur les résultats obtenus lors de la deuxième étape de cette étude. Le.a doctorant.e devra ensuite les traduire en données et paramètres adaptés au modèle TEB-Hydro. Les variables et indicateurs simulés avec ou sans scénarios d’aménagement pourront être comparées. Ainsi, un jeu de scénarios, évalués vis-à-vis de la gestion des eaux pluviales et du confort thermique sera disponible et soumis à l’avis de la collectivité, dans le cadre d’une collaboration avec Météo-France et l’Université Technologique de Compiègne. Plus largement, la synthèse des différentes études de constructions de scénarios prospectifs permettra d’établir un certain nombre de recommandations, pour la communauté scientifique d’une part, et les décideurs et urbanistes d’autre part. Bibliographie de Munck C, Lemonsu A, Bouzouidja R, Masson V, and Claverie R. 2013. The GREENROOF module (v7.3) for modelling green roof hydrological and energetic performances within TEB. Geoscientific Model Development 6, 1941–1960. DOI: 10.5194/gmd-6-1941-2013 Fletcher, T.; Andrieu, H. & Hamel, P., 2013. Understanding, management and modelling of urban hydrology and its consequences for receiving waters: A state of the art Advances in Water Resources , 51, 261 – 279. Grimmond, S., 2007. Urbanization and global environmental change: local effects of urban warming Geographical Journal, Blackwell Publishing Ltd, 173, 83-88. Gunawardena, K., Wells, M. & Kershaw, T. , 2017. Utilising green and bluespace to mitigate urban heat island intensity Science of The Total Environment, 584, 1040 – 1055. Haghighatafshar, S., la Cour Jansen, J., Aspegren, H., Jönsson, K., 2018. Conceptualization and Schematization of Mesoscale Sustainable Drainage Systems: A Full-Scale Study. Water 10, 1041. doi:10.3390/w10081041 Lemonsu A, Masson V, Shashua-Bar L, Erell E and Pearlmutter D. 2012. Inclusion of vegetation in the Town Energy Balance model for modelling urban green areas. Geoscientific Model Development 5, 1377–1393. DOI: 10.5194/gmd-5-1377-2012 Lotfi, Z. Analyse des données de température et de précipitations issues des scénarios de changement climatiques: impact à l'échelle de la ville de Nantes. Master II TEU de l'Ecole Centrale de Nantes, 2015 Nations Unies- Department of Economic and Social Affairs World Urbanization Prospects: The 2018 Revision (ST/ESA/SER.A/420). United Nations, 2019 Redon, E. C.; Lemonsu, A.; Masson, V.; Morille, B. & Musy, M., 2017. Implementation of street trees within the solar radiative exchange parameterization of TEB in SURFEX v8.0 Geoscientific Model Development,10, 385-411. Stavropulos-Laffaille, X.; Chancibault, K.; Brun, J.-M.; Lemonsu, A.; Masson, V.; Boone, A. & Andrieu, H., 2018. Improvements to the hydrological processes of the Town Energy Balance model (TEB-Veg, SURFEX v7.3) for urban modelling and impact assessment Geoscientific Model Development, 11, 4175-4194 Stavropulos-Laffaille, X., 2019. Pour une analyse des impacts du changement climatique sur l’hydrologie urbaine : Modélisation hydro-microclimatique de deux bassins versants expérimentaux de l'agglomération nantaise. ED Sciences pour l'Ingénieur, Centrale Nantes - Université Bretagne Loire
Mots-clefs:	gestion de l'eau, confort thermique, adaptation au changement climatique, scénario d'aménagement, solutions fondées sur la nature

Liste des sujets

Candidatures fermées