Le système d’observation et d’expérimentation URBIS

La ville est aujourd’hui au cœur des problématiques d’environnement. Plus de la moitié de la population de la planète vit en ville et environ 80% de la population française est urbaine. Cette concentration des activités et des services est aujourd’hui largement responsable de la perturbation à la fois des milieux naturels et du système urbain lui-même, si l’on entend par ce dernier terme l’ensemble des infrastructures, superstructures ainsi que les acteurs qui font fonctionner la ville.

Si les recherches antérieures ont beaucoup exploré la perturbation de l’environnement liée aux déchets produits par les activités humaines et aux moyens de les traiter, peu de recherches ont encore été menées sur la manière dont l’activité, l’organisation et le développement de la cité module les flux de matières et d’énergie susceptibles d’améliorer les performances écologiques des villes. Pour cela, décrire et comprendre les interactions entre le milieu urbain (objets artificialisés et pratiques humaines) et les biocénoses apparaît donc comme un défi devant faire appel à des approches diversifiées et pluri disciplinaires.

Cela est particulièrement vrai dans le domaine de l’Hydrologie urbaine qui fait l’objet plus spécifiquement de ce SOERE dont l’objectif est d’observer et comprendre le fonctionnement et l’évolution des hydrosystèmes naturels ou artificiels en milieu urbain en interaction avec les forçages atmosphériques et climatiques auxquels ils sont soumis.

En matière de recherche, l’Hydrologie Urbaine et l’observation des hydrosystèmes urbains présentent plusieurs spécificités :

-          la diversité et les particularités des objets au sein desquels ont lieu les transformations de l’eau.

La diversité vient du large éventail d’éléments rencontrés tout au long du cycle de l’eau (atmosphère, bassins versants, réseaux de conduites, ouvrages « alternatifs », milieux récepteurs souterrains, milieux superficiels…). Les particularités viennent à la fois de leur interdépendance et de la diversité des échelles spatiales (quelques mètres carrés à plusieurs km² par exemple pour un bassin versant urbain).

La spécificité urbaine est caractérisée, quant à elle, par la forte artificialisation des surfaces et du drainage se traduisant par une modification de la nature du ruissellement par rapport à celle d’un bassin naturel ou d’un bassin rural (pertes au ruissellement réduites, vitesse plus importante de propagation des flux, lessivage et entraînement des polluants « produits » par les activités urbaines accumulés par temps sec). Cela a pour conséquence d’une part d’augmenter la vulnérabilité des surfaces aux phénomènes d’inondation et d’autre part d’accroître le risque de pollution des milieux aquatiques. L’extension urbaine se traduit également par l’interpénétration des espaces urbains et ruraux, se caractérisant par une anthropisation progressive dans l’espace et dans le temps s’étendant du centre vers la périphérie, mais aussi par la persistance de milieux à caractère quasi « naturel » au cœur même de l’espace urbain : plantations, parcs, jardins, rivières et plans d’eau contribuent à la biodiversité du milieu urbain et constituent des composants de la trame verte et bleue préconisée par le Grenelle de l’Environnement .

- la diversité et la particularité des phénomènes naturels et anthropiques. Elle tient essentiellement à ce que l’eau est un élément soumis à un cycle au cours duquel nombre de modifications s’opèrent tant en terme de quantité que de qualité. Ainsi, il est nécessaire pour décrire le comportement d’un système hydrologique de prendre en compte des phénomènes atmosphériques et climatiques, hydrodynamiques (mode d’écoulement), physico-chimiques (mobilisation et transfert des polluants), biologiques (caractérisation des impacts des rejets sur les milieux, modification de la biodiversité suite à l’introduction de certaine stratégies de gestion des eaux) dont les dynamiques temporelles sont très différentes couvrant des échelles de temps allant de quelques minutes à quelques décennies, de la microclimatologie au changement climatique. La particularité essentielle réside dans le fait que les transformations de l’eau sont fortement soumises à la main de l’homme et à ses pratiques (activités sociales, politiques, juridiques, …), elles-mêmes en relations fortes avec d’autres composantes de l’environnement urbain, qui pourront être intégrés ultérieurement dans les dispositifs de suivi et d’observation (pollution atmosphérique, bruit, déchets, sols pollués, biodiversité, ambiances…).

Comprendre et modéliser ces systèmes demandent donc des systèmes d’observation inter-disciplinaires, pérennisés sur de longues périodes et à pas de temps parfois fin pour décrire les dynamiques rapides liées à la spécificité urbaine sur des durées diverses (événement pluvieux par exemple) jusqu’à des durées plus longues (la décennie par exemple) pour commencer à appréhender la non stationnarité des sollicitations climatiques, environnementales ou anthropiques.

C’est dans cet esprit qu’ont été créés les 3 observatoires français OTHU, OPUR et ONEVU.

Ces trois observatoires, dédiés à l’environnement urbain et initiés de façon indépendante, abordent des thématiques complémentaires (figure 1) avec un noyau commun concernant la production et le transport des polluants dans différents compartiments (air, surfaces, ouvrages, sol). Ils ont mis en place, en 2007, une structure de coordination non institutionnalisée, baptisée HURRBIS, pour fédérer et coordonner les actions de recherche menées sur les différents sites expérimentaux. Cette initiative correspondait à une prise de conscience que les données acquises par chaque observatoire pour des coûts relativement élevés, pouvaient se révéler dans un premier temps insuffisantes pour cerner la variabilité des phénomènes étudiés. L’harmonisation des protocoles expérimentaux et la mise en commun des données obtenues sur des sites différents devaient permettre une optimisation des recherches entreprises
La création du SOERE « URBIS » se situe dans la continuité de la dynamique crée dans le cadre d’HURRBIS. Elle permettra (1) d’optimiser et pérenniser le réseau d’observation ; (2) de veiller à la qualité de la programmation scientifique des travaux ; (3) d’assurer la mise en cohérence des questions scientifiques traitées et de leurs domiciliations entre les différents observatoires et (4) de mettre en place un système d’information permettant un portage commun des données et une valorisation des avancées et acquis du projet.

Objectifs scientifiques

Les processus étudiés
Ils concernent globalement l’ensemble des processus ayant cours lors de l’écoulement de l’eau en milieu urbanisé ou en cours d’urbanisation soumis aux sollicitations naturelles (climatiques principalement) et anthropiques liés aux pratiques urbaines (activités humaines en ville), à leur gestion par les diverses organisations (services techniques, stratégies socio-économiques et politiques de la ville…), de ses effets sur la ville et sur les milieux (effets physiques (thermique, énergétique, morphologique), biologique, chimique et socio-économique). Un résumé de ces processus basé sur les compartiments suivis est donné par la figure 2.

Thématique concernées par les observations

 

Les différents dispositifs de suivi sont définis en fonction des thématiques de recherche qui s’appuient sur les observations acquises dans les différents observatoires :

Flux de polluants entre les différents compartiments

Cette thématique, présente sur les trois observatoires, est au cœur de l’activité actuelle d’URBIS.

De très nombreuses espèces polluantes ou contaminantes sont potentiellement présentes dans l’atmosphère, les retombées sèches ou humides, les eaux météorites et ruisselées et les eaux usées et peuvent être quantifiées spécifiquement en termes de présence/absence (screening), de teneur (concentration), de masse et de flux, et plus globalement d’écotoxicité.

Au delà de l’identification des espèces pertinentes et de leur impact potentiel, la modélisation des flux polluants s’appuie sur une problématique de production et de transfert, comme celle des flux d’eaux à laquelle elle est intimement liée. La composante apportée par ruissellement sur les surfaces imperméables, qui comprend les apports du compartiment atmosphérique, joue un rôle essentiel dans la production. Elle se combine aux apports d’eaux usées alimentés par le réseau de distribution. La réalisation de bilans à différentes échelles de temps pour différents types de surface fournit des bases pour modéliser la production.

Les processus de transfert vers les milieux aquatiques de surface ont lieu pour l’essentiel dans les réseaux canalisés et d’autres ouvrages d’assainissement, et sont en grande partie liés à la dynamique des particules en suspension. Le suivi temporel intensif de ce vecteur, sa caractérisation détaillée (granulométrie, vitesse de chute, taux de matière organique…) et la connaissance des processus intervenant dans sa dynamique (sédimentation, consolidation, érosion, croissance de biofilms…) constituent donc des voies d’approche privilégiées pour le transfert.

Les transferts dans le compartiment sol sont également abordés, essentiellement dans le cadre d’études d’ouvrages particuliers.

Hydrologie quantitative (compartiments : sol, surfaces, réseaux hydrographiques naturels, réseaux d’assainissement, et échanges avec l’atmosphère):

Il s’agit ici de préciser les modalités de transformation des précipitations atmosphériques en débits en différents points d’un réseau hydrographique canalisé ou plus naturel, et de les analyser en termes de production et de transfert. Les débits d’eau constituent le vecteur primaire des masses de polluants jusqu’aux milieux aquatiques, et cette thématique est donc en étroite liaison avec la précédente. Mais elle permet également d’aborder d’autres problématiques, telles que la prise en compte des apports périurbains dans la gestion urbaine de l’eau, la régulation des ambiances thermo-hydriques, via notamment les interactions entre l’eau du sol et la végétation, les variations de niveaux des nappes et leurs interactions entre avec les ouvrages entrerrés ou encore le développement de techniques alternatives de gestion des eaux pluviales.

A ce titre l’approche traditionnelle de l’hydrologie urbaine, focalisée sur la production des surfaces imperméables et son transfert dans un réseau canalisé doit être étendue pour intégrer les processus liés aux surfaces perméables et aux écoulements dans le sol, la notion de bassin versant doit être adaptée pour prendre en compte les multiples réseaux de drainage potentiellement mobilisables présents dans le sol urbain.

Micro climatologie urbaine (compartiments atmosphère, surfaces, sol)

La climatologie urbaine résulte de l’interaction entre la morphologie urbaine et la climatologie régionale, via des transferts énergétiques et hydriques entre l’atmosphère, les bâtiments, les surfaces et le sous-sol. Ces transferts peuvent être appréhendés à différentes échelles, du fragment urbain à l’agglomération. Ils sont impliqués dans les problématiques d’ambiance climatique et d’ilot de chaleur urbain, mais aussi d’hydrologie quantitative, de transports de flux polluants et de leur transfert entre le compartiment atmosphérique et les surfaces.

Comportement des ouvrages vis-à-vis des flux d’eau et de contaminants / polluants en milieu urbain et analyse performantielle

Une spécificité de la gestion de l’eau en milieu urbain est d’être en grande partie contrôlée par de multiples ouvrages, de collecte, de transport, de stockage, de dépollution et de rejet dans les milieux aquatiques. Historiquement ces ouvrages sont organisés dans une optique de centralisation des traitements et des rejets, mais l’évolution des pratiques tend désormais à privilégier un contrôle à la source via la mise en œuvre de partis d’aménagement et de techniques dites « alternatives » de récupération ou d’infiltration, appliquées en particulier aux eaux pluviales. Le fonctionnement réel de ces ouvrages, qu’ils soient traditionnels ou innovants, est souvent assez éloigné des hypothèses posées pour leur conception, et se répercute sur le comportement de l’ensemble du système. Le suivi d’ouvrages ou d’aménagements vise à modéliser cette influence globale, à évaluer leur efficacité locale vis-à-vis des objectifs assignés (souvent multiples) et à la mettre en relation avec des règles de dimensionnement et des modalités d’exploitation.

Impacts sur les milieux aquatiques

L’entrée en vigueur de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) étend la notion de « qualité de l’eau », reposant classiquement sur des critères physico-chimiques, à celle « d’état écologique ». L’évaluation des effets écotoxicologiques d’une perturbation anthropique peut être réalisée de nombreuses manières à différents niveaux d’organisation biologique, de l’organe à la communauté, sur divers groupes taxonomiques du règne animal ou végétal, voire sur des bactéries ou des virus. Il faut de plus chercher à identifier le rôle des différents facteurs de stress, incluant les divers polluants (en prenant en compte leur dynamique dans le milieu), mais aussi des facteurs physiques, tels que le régime hydraulique ou la température. Ces thèmes moins transversaux aux différents observatoires sont cependant amenés à se développer dans l’avenir ou à faire l’objet de collaboration avec des instances ou observatoires connexes (autres composantes de la ZABR, PIREN Seine, …). Pour l’instant les travaux concernent certains suivis de la dynamique des polluants et de l’état écologique des milieux, en particulier sur les sols et les eaux, et portent d’une part sur les invertébrés et d’autre part sur les micro-organismes, notamment les pathogènes les pathogènes.

Modélisation

La plupart des données obtenues dans le cadre des différents observatoires sont acquises avec des objectifs clairs de modélisation qui portent sur les processus impliqués dans les échanges de flux d’eau, de polluants et de chaleur entre les différents compartiments et qui intéressent différentes échelles : locale, bassin versant, agglomération urbaine. Chaque observatoire est le support de travaux de modélisation portant sur ces différents compartiments et processus. L’enjeu scientifique commun aux trois observatoires réside dans la modélisation des flux polluants dans les hydrosystèmes urbains : de leurs sources qui sont très variées (atmosphériques, activités anthropiques …) et des surfaces urbaines jusqu’au milieu récepteur La modélisation de ces flux polluants sera donc un objectif du SOERE URBIS. Les progrès dans ce domaine impliquent la collaboration entre plusieurs disciplines et entre expérimentateurs et modélisateurs. Il est en effet nécessaire de caractériser les sources et les processus de génération et de transport de contaminants, y compris les micropolluants, leur variabilité et l’origine de cette variabilité en liaison avec les précipitations et les caractéristiques météorologiques locales et leurs effets potentiels sur les milieux.
Le SOERE URBIS est le cadre de travail adapté pour développer les collaborations, susciter des projets de recherche communs, effectuer la synthèse commune des avancées sur ce sujet. Cette coordination scientifique sera effectuée au sein du Groupe de Travail Modélisation dont les objectifs seront de:
- susciter et organiser le dialogue scientifique entre expérimentateurs et modélisateurs d’une part et entre modélisateurs des différents compartiments et processus d’autre part ;
- définir des objectifs de modélisation communs aux trois observatoires et élaborer les projets scientifiques permettant de les atteindre ;
- s’assurer de la compatibilité des modèles développés entre eux, dans la perspective du couplage des modèles de compartiments et de processus ;
- susciter le développement de modèles communautaires.

Synthèse des objectifs

- identifier un nombre réduit de traceurs ou d’espèces physico-chimiques représentatives de la multitude des polluants/contaminants à étudier ;
- au-delà des objets traditionnels de l’hydrologie urbaine (l’événement pluvieux et le bassin de collecte), définir de nouvelles logiques de segmentation de l’espace et du temps (continuité temporelle des phénomènes hydrologiques vs. événements pluvieux, bassins de collecte superposés multi exutoires d’extension variable vs. bassins versants fixes disjoints, approches maillées…) adaptés à de nouvelles problématiques telles l’étude de l’incidence des changements globaux (climatique, urbanisation, évolution des pratiques) sur les hydrosystèmes urbains ;
- identifier et quantifier les sources, les voies de transfert et les réservoirs (eau, vecteurs, contaminants), et équilibrer un bilan en intégrant le compartiment atmosphérique (terme d’évapotranspiration pour le bilan d’eau, et transport atmosphérique des polluants) ;
- préciser les interactions entre sources et vecteurs, formes dissoutes et particulaires ;
- quantifier les interactions entre des modes de gestion des eaux pluviales et au-delà la place de l’eau dans la ville et la climatologie urbaine ;
- évaluer les impacts des rejets de différentes natures sur les biocénoses ;
- appliquer ces connaissances pour développer des modèles prédictifs ou décisionnels à différentes échelles de temps et définir des stratégies d’actions, en termes de contrôle à la source et de gestion en temps réel des flux et évaluer leur efficacité.

Contractualisations et interfaces avec les services opérationnels

Chaque observatoire associe de manière étroite les services opérationnels, et plus particulièrement les collectivités locales à plusieurs niveaux :
- Participation à la définition des programmes de recherche : expression des besoins, formulation en problématiques de recherche, intégration d’une procédure et d’équipements d’observation dans la définition de projets innovants ;
- accès à des banques de données (formalisés par des conventions spécifiques) et à des informations moins formalisées sur les pratiques urbaines, notamment les pratiques d’entretien des ouvrages et des espaces publics ;
- Accès aux ouvrages et sécurité (formalisés par des plans de Plans de Prévention des Risques, et impliquant le cas échéant la mise à disposition de personnel) ;
- Présentation des résultats obtenus et échanges au cours de séminaires thématiques.

Nom du responsable

Claude Joannis, Ingénieur divisionnaire des travaux publics de l’Etat, chef du groupe Hydrologie et assainissement, 02 40 84 58 76, claude.joannis@ifsttar.fr

Laboratoire porteur : Département Géotechnique, eau et risques
IFSTTAR – Centre de Nantes
route de Bouaye
CS 05 44 344 44341 Bouguenais cedex

Laboratoires impliqués dans les observatoires

ONEVU – Observatoire Nantais de l’Environnement Urbain
IRSTV (FR CNRS 2488) Institut de Recherche en Sciences et Techniques de la Ville
GER Département Géotechnique, Eau et Risques, IFSTTAR
LMF (UMR 6598),- Laboratoire de Mécanique des Fluides, Ecole Centrale de Nantes
LPGN (UMR CNRS 6112)– Laboratoire de Planétologie et Géodynamique de Nantes, Université de Nantes
LRC IRSN – Laboratoire de Radioécologie de Cherbourg-Octeville, Institut de Recherche sur la Sureté Nucléaire
BRGM : Bureau de Recherches Géologiques et Minières – Service Géologique Régional Pays de Loire

OTHU – Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine
LGCIE (EA4126): Laboratoire de Génie Civil et d’Ingénierie Environnementale) / INSA Lyon – Université Lyon I.
LEHNA (UMR-CNRS 5023) : laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés – Lyon I / IPE)
E3S : Ecologie, Evolution, écosystèmes souterrains
IPE : Impacts des polluants sur les écosystèmes
LEM- BPOE (UMR CNRS 5557) Laboratoire d’Ecologie Microbienne, Equipe Bactéries Pathogènes Opportunistes et Environnement -– CNRS, VetAgro Lyon, Université Lyon 1 et USC INRA. – Lyon
EVS (UMR CNRS 5600) Laboratoire Environnement, ville et société (EVS), -CNRS, Université Lyon 2, Université Lyon 3, Université Jean Monnet Saint Etienne, INSA Lyon, ENTPE, Ecole Normale Supérieure –Lyon
LCRE : Laboratoire de Climatologie, Risques, Environnement (Rattaché au Centre de Recherche en Géographie et Aménagement (CRGA)).
ITUS Ingénieries, Techniques, Urbanisations, Sociétés
LRGE Laboratoire rhodanien de géographie de l’Environnement.
LMFA (UMR CNRS 5509) Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, Ecole Centrale de Lyon, Université Lyon I, INSA Lyon.
LSA (UMR CNRS 5180) Laboratoire des Sciences Analytiques – Université Lyon I.
BRGM : Bureau de Recherches Géologiques et Minières – Service Géologique Régional Rhône
Cemagref Lyon
UR HH (U.R. hydrologie hydraulique) .
UR MALY (U.R. Millieux Aquatiques Ecologie Pollutions)

OPUR – Observatoire des Polluants Urbains
LEESU – Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains, Laboratoire commun UPEC, UPEMLV, École des Ponts ParisTech, ENGREF
CEREA, Centre d’Enseignement et de Recherche en Environnement Atmosphérique, laboratoire commun Ecole des Ponts ParisTech et EDF R&D
CSTB, laboratoire Aquasim
MATIS, Méthodes d’Analyses pour le Traitement d’Images et la Stéréorestitution, IGN, Saint-Mandé
Sisyphe (UMR CNRS 7619), Université Pierre et Marie Curie, Ecole Pratique des Hautes Etudes, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris.