Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Construction et évaluation de scénarios de déploiement d’ouvrages de gestion à la source des eaux pluviales, à l’échelle métropolitaine

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

Directeur du laboratoire principal PEYNEAU Pierre-Emmanuel  -

Spécialité de la thèse Hydro-climatologie urbaine

Axe 3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

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

Directeur de thèse prévu CHANCIBAULT Katia  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - EE

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte et objectifs
L’urbanisation se caractérise par une imperméabilisation des surfaces et modifie ainsi le cycle de l’eau. Elle conduit alors à des crues plus fréquentes et plus intenses dans les rivières urbaines (Fletcher et al., 2013). La présence de réseaux d’assainissement, en particulier unitaires, s’accompagne aussi de déversements vers le milieu naturel pouvant avoir des conséquences en termes de pollutions ponctuelles. De plus, avec l’usage des matériaux de construction et la forme du bâti, l’urbanisation favorise le phénomène d’îlot de chaleur urbain (Oke, 1981). Le changement climatique qui se traduira par une hausse des températures et une fréquence plus grande des vagues de chaleur ainsi que probablement par des pluies plus intenses (IPCC, 2022) risque d’accentuer les effets négatifs de l’urbanisation sur la gestion des eaux pluviales et le confort thermique.
Les solutions d’adaptation pour limiter les effets des changements globaux sont nombreuses et diverses (Bouzouidja et al., 2021 ; Tunqui-Neira et al., 2023). Elles peuvent être vertes, car fondées sur la végétation et plus spécifiquement la désimperméabilisation des surfaces ; grises et favoriser le stockage en surface ou en souterrain. Elles peuvent aussi combiner infiltration en surface et stockage souterrain (ex : arbre de pluie). De plus, nombre de ces solutions répondent à différents enjeux : le confort thermique et la gestion des eaux pluviales mais aussi le bien-être des citoyens, la qualité des sols, la biodiversité... L’adaptation, qui doit s’inscrire dans une stratégie d’atténuation du changement climatique, devra s’appuyer sur tout un panel de solutions, pouvant être connectées entre elles. La construction de scénarios d’adaptation basés sur ces solutions ne peut s’affranchir de la réalité terrain et doit donc prendre en compte les contraintes et leviers locaux. Les collectivités encadrent leur stratégie d’aménagement et de développement grâce aux documents d’urbanisme réglementaires (SCOT et PLUi). Dans le cadre d’une collaboration entre l’Université de Technologie de Compiègne, l’Université Gustave Eiffel et le Cerema (Chavez, 2024), une méthodologie d’analyse du Plan Local d’Urbanisme Métropolitain de la métropole nantaise, a été développée afin de déterminer dans quelle mesure la réglementation urbaine mise en place par la métropole nantaise favorise ou limite la diffusion de plus d’une vingtaine d’ouvrages de gestion à la source des eaux pluviales. Ces résultats ont ensuite permis de cartographier pour chaque solution son potentiel d’implémentation au sein de la métropole.
En permettant de tester plusieurs scénarios et d’en évaluer les effets dans le ou les domaines souhaités, les outils numériques peuvent être une aide précieuse, pour aider les décideurs à construire leurs stratégies d’adaptation territoriale. De tels outils sont en cours de développement, mais rares sont ceux qui croisent au moins deux enjeux. L’Université Gustave Eiffel, en collaboration avec Météo-France puis l’Ecole des Ponts ParisTech, a contribué à développer un modèle hydro-climatique (TEB – Town Energy Budget ; Stavropulos-Laffaille et al., 2021 ; Bernard, 2021), capable d’évaluer un très grand nombre de solutions vertes et grises, vis-à-vis des enjeux de gestion de l’eau et du confort thermique, à l’échelle de la ville, voire de la métropole.
L’objectif de cette thèse est donc d’élaborer des scénarios de diffusion des ouvrages de gestion à la source, à l’échelle de la métropole nantaise, puis de les évaluer du point de vue de la gestion des eaux pluviales ainsi que du confort thermique. Il s’agira donc de faire la synthèse des résultats de la thèse de Chavez (2024), en construisant différents scénarios selon différents objectifs, à déterminer avec les services de gestion de la métropole nantaise et d’intégrer les futurs résultats du projet PerméPolis (ANR, 2024-2027), en cours. Ensuite, l’objectif est de traduire ces scénarios en données d’entrée pour le modèle hydro-climatique et d’analyser les simulations résultantes, à l’aide d’indicateurs pertinents.
Verrous scientifiques
La construction de scénarios réalistes de diffusion des ouvrages de gestion à la source, à l’échelle d’une ville, nécessite de bien connaître les enjeux du territoire. L’analyse des documents d’urbanisme est primordiale, cependant des échanges avec les services techniques et politiques de la ville seront indispensables, afin de s’assurer de notre bonne interprétation des règles mais aussi de profiter de la culture des agents afin de prendre en compte les pratiques qui ne sont pas explicitées dans les règles. Des ateliers devront donc être organisés avec les agents de la métropole de différents services (assainissement, urbanisme, données géographiques, adaptation au changement climatique) selon une fréquence et une formule partagées par les agents et l’équipe d’encadrement de la thèse. Ces échanges permettront de plus, de bien définir les indicateurs d’évaluation de ces scénarios, qui seront les plus utiles aux décideurs et gestionnaires mais qui ne correspondent pas toujours aux indicateurs utilisés dans le milieu académique, ni aux variables directement simulées par les modèles.
Une fois ces scénarios construits, ils devront être traduits en paramètres adéquats pour le modèle. Or tout modèle n’est qu’une représentation partielle de la réalité. Des choix et des hypothèses devront donc être faites et une critique des avantages et des limites d’un tel modèle (intrinsèques mais aussi vis-à-vis des autres modèles existants) sera possible. Cela questionnera plus généralement la possibilité d’évaluer des scénarios prospectifs d’aménagement des collectivités.
Des scénarios sortant des limites des documents d’urbanisme mais plus ambitieux en termes d’adaptation pourront aussi être proposés. Une fois simulés avec l’aide du modèle, ils permettront une critique des documents d’urbanisme actuels (PLUi) de la métropole, au regard de ses ambitions (PADD) en terme d’adaptation. Ceci nécessite de bien comprendre à la fois les opportunités offertes par les ouvrages de gestion à la source, les limites éventuelles de certaines règles et de leurs évolutions possibles et les contraintes en lien avec d’autres enjeux auxquels une collectivité doit faire face.
Déroulement de la thèse
Les six premiers mois seront consacrés à une phase de bibliographie sur :
◦ le modèle hydro-climatique (TEB) et ses derniers développements, utilisé dans cette étude,
◦ les ouvrages de gestion à la source et leurs caractéristiques,
◦ les indicateurs de performance de ces ouvrages usuels en gestion de l’eau (mais aussi en confort thermique pour certains d’entre eux),
◦ les études précédentes centrées sur le territoire étudié,
◦ les notions de prospectives, trajectoires et de scénarios de déploiement de solutions d’adaptation.
La bibliographie sera ensuite approfondie tout au long des 3 années.
En parallèle le.a doctorant.e prendra en main le modèle TEB. Il.elle bénéficiera des travaux de Betou (2024) qui a appliqué le modèle à la métropole. Le cadre de modélisation est donc déjà établi. Le.a doctorant.e pourra l’enrichir en fonction des dernières données d’occupation du sol mises à jour (Projet ANR Permépolis, 2024-2027) ainsi que des recommandations faites par Betou (2024). Le jeu de données débitmétriques sera enrichi, selon la période étudiée, avec l’aide de la collectivité. L’évaluation du modèle pourra être alors approfondie et les enjeux du territoire seront confirmés (Betou, 2024), en lien avec les services de la collectivité.
Durant les 12 mois suivants, les cartographies de potentiel d’implantation d’ouvrages de gestion à la source (Chavez, 2024) seront prises en main, synthétisées et croisées avec les enjeux du territoire identifiés avec l’aide des simulations faites avec le modèle TEB, pour permettre l’élaboration de différents scénarios de diffusion des ouvrages de gestion à la source. Les premiers résultats du projet Permépolis visant à identifier les zones où désimperméabiliser sur ce même territoire seront aussi utilisés pour produire un jeu de scénarios complémentaire. En parallèle des échanges avec différents services de la collectivité (urbanisme, assainissement, plan climat…) seront organisés pour co-construire ces scénarios et les faire évoluer en fonction des contraintes et leviers de leur territoire. La question des indicateurs pertinents pour ces services sera aussi traitée pour élargir le jeu d’indicateurs déjà identifiés.
Les 12 mois suivants seront consacrés dans un premier temps à la traduction des scénarios en valeurs de paramètres adaptés au modèle TEB. Certains outils de prétraitement ont été développés, selon le type d’ouvrages. Ils pourront être utilisés et devront peut-être être adaptés ou enrichis pour ce cas d’étude. Dans un second temps, les simulations de chacun de ces scénarios seront analysées, sur la base des indicateurs identifiés et comparés à ceux de la simulation initiale. Une présentation de ces résultats aux services de la collectivité pourra permettre une ultime version des scénarios produits, dans le but de corriger certains enjeux qui auraient été sous-estimés. Les six derniers mois seront consacrés à la rédaction de la thèse.

Mots-clefs: adaptation au changement climatique, hydrologie urbaine, microclimat urbain, urbanisme réglementaire, modélisation

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - EE - CHANCIBAULT Katia tél. : +33 240845683
Directeur du laboratoire principal	PEYNEAU Pierre-Emmanuel -
Spécialité de la thèse	Hydro-climatologie urbaine
Axe	3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	Matière, Molécules, Matériaux et Géosciences (3MG)
Directeur de thèse prévu	CHANCIBAULT Katia - Université Gustave Eiffel - GERS - EE
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Contexte et objectifs L’urbanisation se caractérise par une imperméabilisation des surfaces et modifie ainsi le cycle de l’eau. Elle conduit alors à des crues plus fréquentes et plus intenses dans les rivières urbaines (Fletcher et al., 2013). La présence de réseaux d’assainissement, en particulier unitaires, s’accompagne aussi de déversements vers le milieu naturel pouvant avoir des conséquences en termes de pollutions ponctuelles. De plus, avec l’usage des matériaux de construction et la forme du bâti, l’urbanisation favorise le phénomène d’îlot de chaleur urbain (Oke, 1981). Le changement climatique qui se traduira par une hausse des températures et une fréquence plus grande des vagues de chaleur ainsi que probablement par des pluies plus intenses (IPCC, 2022) risque d’accentuer les effets négatifs de l’urbanisation sur la gestion des eaux pluviales et le confort thermique. Les solutions d’adaptation pour limiter les effets des changements globaux sont nombreuses et diverses (Bouzouidja et al., 2021 ; Tunqui-Neira et al., 2023). Elles peuvent être vertes, car fondées sur la végétation et plus spécifiquement la désimperméabilisation des surfaces ; grises et favoriser le stockage en surface ou en souterrain. Elles peuvent aussi combiner infiltration en surface et stockage souterrain (ex : arbre de pluie). De plus, nombre de ces solutions répondent à différents enjeux : le confort thermique et la gestion des eaux pluviales mais aussi le bien-être des citoyens, la qualité des sols, la biodiversité... L’adaptation, qui doit s’inscrire dans une stratégie d’atténuation du changement climatique, devra s’appuyer sur tout un panel de solutions, pouvant être connectées entre elles. La construction de scénarios d’adaptation basés sur ces solutions ne peut s’affranchir de la réalité terrain et doit donc prendre en compte les contraintes et leviers locaux. Les collectivités encadrent leur stratégie d’aménagement et de développement grâce aux documents d’urbanisme réglementaires (SCOT et PLUi). Dans le cadre d’une collaboration entre l’Université de Technologie de Compiègne, l’Université Gustave Eiffel et le Cerema (Chavez, 2024), une méthodologie d’analyse du Plan Local d’Urbanisme Métropolitain de la métropole nantaise, a été développée afin de déterminer dans quelle mesure la réglementation urbaine mise en place par la métropole nantaise favorise ou limite la diffusion de plus d’une vingtaine d’ouvrages de gestion à la source des eaux pluviales. Ces résultats ont ensuite permis de cartographier pour chaque solution son potentiel d’implémentation au sein de la métropole. En permettant de tester plusieurs scénarios et d’en évaluer les effets dans le ou les domaines souhaités, les outils numériques peuvent être une aide précieuse, pour aider les décideurs à construire leurs stratégies d’adaptation territoriale. De tels outils sont en cours de développement, mais rares sont ceux qui croisent au moins deux enjeux. L’Université Gustave Eiffel, en collaboration avec Météo-France puis l’Ecole des Ponts ParisTech, a contribué à développer un modèle hydro-climatique (TEB – Town Energy Budget ; Stavropulos-Laffaille et al., 2021 ; Bernard, 2021), capable d’évaluer un très grand nombre de solutions vertes et grises, vis-à-vis des enjeux de gestion de l’eau et du confort thermique, à l’échelle de la ville, voire de la métropole. L’objectif de cette thèse est donc d’élaborer des scénarios de diffusion des ouvrages de gestion à la source, à l’échelle de la métropole nantaise, puis de les évaluer du point de vue de la gestion des eaux pluviales ainsi que du confort thermique. Il s’agira donc de faire la synthèse des résultats de la thèse de Chavez (2024), en construisant différents scénarios selon différents objectifs, à déterminer avec les services de gestion de la métropole nantaise et d’intégrer les futurs résultats du projet PerméPolis (ANR, 2024-2027), en cours. Ensuite, l’objectif est de traduire ces scénarios en données d’entrée pour le modèle hydro-climatique et d’analyser les simulations résultantes, à l’aide d’indicateurs pertinents. Verrous scientifiques La construction de scénarios réalistes de diffusion des ouvrages de gestion à la source, à l’échelle d’une ville, nécessite de bien connaître les enjeux du territoire. L’analyse des documents d’urbanisme est primordiale, cependant des échanges avec les services techniques et politiques de la ville seront indispensables, afin de s’assurer de notre bonne interprétation des règles mais aussi de profiter de la culture des agents afin de prendre en compte les pratiques qui ne sont pas explicitées dans les règles. Des ateliers devront donc être organisés avec les agents de la métropole de différents services (assainissement, urbanisme, données géographiques, adaptation au changement climatique) selon une fréquence et une formule partagées par les agents et l’équipe d’encadrement de la thèse. Ces échanges permettront de plus, de bien définir les indicateurs d’évaluation de ces scénarios, qui seront les plus utiles aux décideurs et gestionnaires mais qui ne correspondent pas toujours aux indicateurs utilisés dans le milieu académique, ni aux variables directement simulées par les modèles. Une fois ces scénarios construits, ils devront être traduits en paramètres adéquats pour le modèle. Or tout modèle n’est qu’une représentation partielle de la réalité. Des choix et des hypothèses devront donc être faites et une critique des avantages et des limites d’un tel modèle (intrinsèques mais aussi vis-à-vis des autres modèles existants) sera possible. Cela questionnera plus généralement la possibilité d’évaluer des scénarios prospectifs d’aménagement des collectivités. Des scénarios sortant des limites des documents d’urbanisme mais plus ambitieux en termes d’adaptation pourront aussi être proposés. Une fois simulés avec l’aide du modèle, ils permettront une critique des documents d’urbanisme actuels (PLUi) de la métropole, au regard de ses ambitions (PADD) en terme d’adaptation. Ceci nécessite de bien comprendre à la fois les opportunités offertes par les ouvrages de gestion à la source, les limites éventuelles de certaines règles et de leurs évolutions possibles et les contraintes en lien avec d’autres enjeux auxquels une collectivité doit faire face. Déroulement de la thèse Les six premiers mois seront consacrés à une phase de bibliographie sur : ◦ le modèle hydro-climatique (TEB) et ses derniers développements, utilisé dans cette étude, ◦ les ouvrages de gestion à la source et leurs caractéristiques, ◦ les indicateurs de performance de ces ouvrages usuels en gestion de l’eau (mais aussi en confort thermique pour certains d’entre eux), ◦ les études précédentes centrées sur le territoire étudié, ◦ les notions de prospectives, trajectoires et de scénarios de déploiement de solutions d’adaptation. La bibliographie sera ensuite approfondie tout au long des 3 années. En parallèle le.a doctorant.e prendra en main le modèle TEB. Il.elle bénéficiera des travaux de Betou (2024) qui a appliqué le modèle à la métropole. Le cadre de modélisation est donc déjà établi. Le.a doctorant.e pourra l’enrichir en fonction des dernières données d’occupation du sol mises à jour (Projet ANR Permépolis, 2024-2027) ainsi que des recommandations faites par Betou (2024). Le jeu de données débitmétriques sera enrichi, selon la période étudiée, avec l’aide de la collectivité. L’évaluation du modèle pourra être alors approfondie et les enjeux du territoire seront confirmés (Betou, 2024), en lien avec les services de la collectivité. Durant les 12 mois suivants, les cartographies de potentiel d’implantation d’ouvrages de gestion à la source (Chavez, 2024) seront prises en main, synthétisées et croisées avec les enjeux du territoire identifiés avec l’aide des simulations faites avec le modèle TEB, pour permettre l’élaboration de différents scénarios de diffusion des ouvrages de gestion à la source. Les premiers résultats du projet Permépolis visant à identifier les zones où désimperméabiliser sur ce même territoire seront aussi utilisés pour produire un jeu de scénarios complémentaire. En parallèle des échanges avec différents services de la collectivité (urbanisme, assainissement, plan climat…) seront organisés pour co-construire ces scénarios et les faire évoluer en fonction des contraintes et leviers de leur territoire. La question des indicateurs pertinents pour ces services sera aussi traitée pour élargir le jeu d’indicateurs déjà identifiés. Les 12 mois suivants seront consacrés dans un premier temps à la traduction des scénarios en valeurs de paramètres adaptés au modèle TEB. Certains outils de prétraitement ont été développés, selon le type d’ouvrages. Ils pourront être utilisés et devront peut-être être adaptés ou enrichis pour ce cas d’étude. Dans un second temps, les simulations de chacun de ces scénarios seront analysées, sur la base des indicateurs identifiés et comparés à ceux de la simulation initiale. Une présentation de ces résultats aux services de la collectivité pourra permettre une ultime version des scénarios produits, dans le but de corriger certains enjeux qui auraient été sous-estimés. Les six derniers mois seront consacrés à la rédaction de la thèse.
Mots-clefs:	adaptation au changement climatique, hydrologie urbaine, microclimat urbain, urbanisme réglementaire, modélisation

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