Accueil  >  ORSi Territoires  >  ORSi en cours  >  HyClAU 

Processus hydrologiques et climatiques au service de l'adaptation de l'aménagement urbain

Responsables

Katia Chancibault (Ifsttar/GERS/EE) et Julien Bouyer (CETE de l'Est, LR Nancy, ERA31)

Enjeux et objectifs

Les villes subissent une pression constante depuis plusieurs décennies avec l’accroissement de la population urbaine. Dans les prochaines décennies, les villes devront faire face au changement global : en plus de l’évolution de l’urbanisation, elles seront aussi soumises de façon plus ou moins forte au changement climatique. Leur adaptation à la pression démographique et au contexte climatique local présent et futur constitue un enjeu majeur  pour la planification urbaine. Même si les actions des collectivités sont encore limitées et peu valorisables, elles sont recommandées dans les plans d'actions territoriaux locaux et nationaux comme le PNACC (Plan National d'Adaptation au changement climatique) établi en 2011 par l'ONERC/DGEC.

En ce sens, les acteurs de l'aménagement urbain éprouvent la nécessité d'évaluer objectivement les impacts de leurs projets d'aménagement dans différents domaines : économiques, santé, gestion des ressources, confort de la population, etc. Ainsi, dans un premier temps, les aspects hydro-climatiques peuvent être étudiés de façon concomitante.

L'opération vise à regrouper, croiser et enrichir les connaissances et les outils d'évaluation des phénomènes climatologiques et hydrologiques à plusieurs échelles spatiales, pour favoriser l'évaluation de scénarios prospectifs d'adaptation du milieu urbain au changement globale.

Les objectifs scientifiques seront déclinés en trois aspects complémentaires :

  • l'enrichissement de la connaissance des processus physiques par leur mesure multi-échelles et multi-sites, et la mise en relation avec des bases données urbaines adaptées
  • l'amélioration des modèles de simulation climatique et hydrologique en favorisant leur couplage
  • l'évaluation de scénarios d'aménagement urbain de référence vis à vis de l'évolution de la ville, des hypothèses du changement climatique et de leur viabilité technico-économique
  • la réflexion prospective du développement d’une plateforme numérique de la ville, en intégrant d’autres disciplines environnementales (acoustique, pollution, etc.)

État de l'art

De nombreux travaux de recherche ont été initiés dans les deux champs disciplinaires de la climatologie et de l'hydrologie en milieu urbain. Ces deux disciplines nécessitent encore la capitalisation de nouvelles connaissances propres à la complexité et l'hétérogénéité physique de la ville. Pour l'évaluation et la mise en place de solutions d'adaptation, les futures recherches doivent être moins cloisonnées et utiliser des approches interdisciplinaires.

En guise d'exemple, la renaturation du milieu urbain faisant intervenir l'intégration de dispositifs végétaux divers, nécessite une bonne connaissance  des bilans énergétiques et hydriques, ainsi que de leurs interactions liées aux flux d'évapotranspiration (VegDUD, ANR « Ville Durable », 2010-2013). En effet ce processus d’évapotranspiration peut limiter l'effet d'îlot de chaleur urbain (ICU), qui peut s'accentuer sous l'effet de vagues de chaleur, dont la fréquence risque d’’augmenter durant les prochaines décennies (GIEC, 2007).

L'enrichissement des connaissances en « hydro-climatologie » passe par la constitution de bases de données riches et continues sur de longues périodes, ainsi que le développement d’outils de modélisation adaptés au milieu urbain ainsi qu’aux échelles caractéristiques des phénomènes étudiés. Il existe déjà plusieurs sites urbains de mesures hydrométéorologiques dédiés à différentes échelles (toitures végétalisées (CETE IdF, CETE Nancy), ONEVU (IRSTV-Ifsttar), campagnes de mesures (FluxSAP, CAPITOUL, EUREQUA,…)). Cependant, la mesure de l’évapotranspiration reste un enjeu majeur.

De même il existe de nombreux modèles permettant d’étudier le climat urbain, l’hydrologie urbaine ou le couplage des deux. Les modèles permettent de représenter des états passés, présents et futurs. Ainsi, dans le projet VegDUD, des modèles numériques, adaptés à diverses échelles (bâtiment, quartier, ville) ont permis d’étudier différents scénarios de végétalisation pour en étudier l’impact sur le micro-climat, l’hydrologie et le confort. 

Les observations hydro-météorologiques jouent alors un double rôle : en plus de permettre une compréhension directe après analyse des processus, elles permettent d’évaluer les modèles numériques sur les situations passées. Parfois des mesures supplémentaires ou à plus fine échelle temporelle et spatiale sont nécessaires. Des campagnes expérimentales sont alors mises en œuvre (FluxSAP , EC2CO 2010 et 2012). L’analyse des nombreuses données ainsi observées est un travail long qui s’étend sur plusieurs années après la campagne.

Les modèles ont aussi un grand besoin de données géographiques. L’occupation du sol doit être décrite avec plus ou moins de détails, selon la résolution et le détail de représentation du modèle utilisé. Aujourd’hui, de nombreuses sources de données sont disponibles, à des résolutions très variées (Rosenhy, EC2CO 2012-2013) et selon des classifications souvent différentes. Une étude de sensibilité des modèles à ces différentes sources de données est nécessaire avant peut-être une adaptation des modèles aux données les plus fines de plus en plus disponibles aujourd’hui.

La ville étant un objet complexe, le transfert vers l’opérationnel nécessite l’étude de scénarios futurs d’aménagements, pour quelques villes dont les impacts du changement global ont été identifiés. Ainsi, ils permettront d’analyser certaines stratégies d’adaptation, dans un contexte précis lié aussi aux stratégies d’aménagement locales. Ces scénarios prospectifs doivent donc être construits en lien avec les problématiques spécifiques des collectivités, doivent être traduits en paramètres physiques et géographiques pour alimenter les modèles, en tenant  compte de l'évolution de la ville et des projections du changement climatique.

Structure de l'ORSi

L'ORSI HyClAU est organisée en trois axes scientifiques principaux avec une déclinaison en sous-axes :

AXE 1 Documentation, caractérisation et analyse du milieu et des processus hydroclimatiques urbains multi-échelles

  • AXE 1.1 Production de données géographiques et physiques urbaines
  • AXE 1.2 Analyse des données hydro-climatiques pour une meilleure compréhension des processus à l'échelle de la ville, du quartier et de l'ouvrage ou du bâtiment

AXE 2 Modélisation multi-échelle et couplage hydro-climatique

  • AXE 2.1 Amélioration des modèles
  • AXE 2.2 Validation des développements dans les modèles

AXE 3 Construction, analyse et évaluation de scénarios urbains d'adaptation aux changement climatique

  • AXE 3.1 Construction des scénarios d’évolution globale urbaine
  • AXE 3.2 Évaluation hydro-climatique des scénarios et dispositifs à multi-échelle
  • AXE 3.3 Pratique opérationnelle d'aménagement urbain et mode d'intégration des démarches dans les documents de planification multi-échelle

AXE 4 Réflexion multidisciplinaire pour le développement d'une future plate-forme de modélisation intégrée de la ville

Produits principaux

Rapports

  • Un rapport final
  • Un rapport de synthèse par axe
  • Des fiches documentaires sur l'évaluation des scénarios de référence (Axe 3)

Publications, communications

  • Articles dans des journaux internationaux à comité de lecture
  • Communications en conférences internationales
  • Organisation d'une journée scientifique et technique
  • Organisation d'un séminaire de clôture
  • Thèses de doctorat (6 en cours, 1 en projet)

Base de données

  • Bases de données de mesures sur les sites sélectionnés
  • Bases de données géographiques sur les sites sélectionnés

Modélisation

  • Développement des modèles hydrologiques/climatiques existants (TEB, URBS, etc.) et/ou à construire

Partenariats

Réseau interne

  • IFSTTAR GERS/EE, COSYS/LISIS, COSYS/SII
  • CEREMA CETE Est (ERA31 + Construction), CETE IdF (UHGEP), CETE NC (CECP), CETE Lyon (PCI TCC), CETE SO (PCI AST), CERTU

Externes  CNRM-GAME/GMME-TURBAU, IRSTV, CSTB/CAPE, GEMCEA, Univ. de Lorraine

Projets collaboratif en lien avec l'ORSI HyClAU

  • 2013 CNRS-INSU 2013 (Appel EC2CO / BIOHEFFECT) ROSENHY "Rôle de l'occupation du sol vis à vis de la modélisation des flux hydriques et énergétiques sur les sites urbains et périurbains"
  • 2013-2015 Programme ADEME 2012 « Dispositifs de Rafraîchissement Urbain » TERRACES « Toitures vEgétales pour RafRaichir les Ambiances Climatiques urbainES »
  • 2012-2015 Programme ANR « Bâtiment et Ville Durable » 2011 EUREQUA « Évaluation mUltidisciplinaire et REqualification environnementale des QUArtiers »
  • 2014-2016 Programme MEDDE « Risques, Décision, Territoires » 2013 REPEXTREME Analyse et la représentation de phénomènes caniculaires dans les espaces urbains
  • 2015-2018 Région Pays de la Loire GeoTera  L’information spatiale au service du développement durable des territoires

Thèses

6 thèses en cours

 

Mesure embarquée de variables microclimatiques
Capteurs en réseau en cours de déploiement sur la ville de Nancy
Dispositif de mesure de l'évapotranspiration pour des toitures végétalisées