Thèse soutenue

Évaluation multi-échelle des réponses hydrologiques des Solutions Fondées sur la Nature pour améliorer la résilience urbaine
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Auteur / Autrice : Yangzi Qiu
Direction : Daniel SchertzerIoulia Tchiguirinskaia
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
Date : Soutenance le 16/04/2021
Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hydrologie Météorologie et Complexité (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne)
Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Schertzer, Ioulia Tchiguirinskaia, Klaus Fraedrich, Ana Maria Tarquis, Jiannan Wu, Čedo Maksimović, Bruno Tisserand
Rapporteurs / Rapporteuses : Klaus Fraedrich, Ana Maria Tarquis

Résumé

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Au cours des dernières décennies, le cycle hydrologique urbain a été fortement modifié par l'environnement bâti, ce qui entraînant un ruissellement rapide et une augmentation du risque d'inondation. Les Solutions fondées sur la Nature (SFN), qui utilisent des infrastructures vertes, sont de plus en plus considérées comme des approches durables pour la gestion des eaux pluviales urbaines. Cependant, en raison de l'environnement urbain est hétérogène, les réponses hydrologiques du SFN ne sont toujours pas claires. Pour cette raison, l'objectif principal de cette thèse est d'évaluer les performances des Solutions fondées sur la Nature à l'aide du modèle hydrologique entièrement distribuée pour mieux gérer les eaux pluviales dans les bassins versants urbains.Le site analysé dans le cas d'étude est un bassin versant périurbain avec de surface environ 5,2 km2 appartenant à la ville de Guyancourt, située dans la banlieue Sud-Ouest de Paris. Trois types de données précipitations sont utilisés comme entrées précipitations à des fins différentes. Il s'agit (i) du radar polarimétrique en bande-X de l'École des Ponts ParisTech (ENPC) ; (ii) le radar polarimétrique en bande-C de Météo-France de Trappes ; et (iii) les précipitations uniformes en calculant la moyenne spatiale des données radar en bande-X à chaque pas de temps. Trois types de SFN sont étudiés : le pavé imperméable, le jardin pluvial et le toit vert. Sur la base les propriétés de ces SFN et les conditions du bassin versant, plusieurs groupes de scénarios SFN caractérisés avec différentes distributions spatiales sont créés et étudiés en utilisant le modèle physique complètement distribué Multi-Hydro.Étant donné que les réponses hydrologiques des SFN dépendent de façon sensible : (i) de la variabilité spatiale des précipitations ; (ii) les distributions spatiales des SFN ; et (iii) leurs effets d'intersection, ce qui implique que les performances globales des scénarios SFN simulés avec des précipitations uniformes ou un modèle forfaitaire / demi-distribué peuvent ne pas être entièrement convaincantes. Ainsi, le premier objectif de cette thèse est d'étudier l'incertitude des réponses hydrologiques dans divers scénarios SFN résultant de la variabilité spatiale des précipitations et de la distribution hétérogène des SFN à l'échelle du bassin versant urbain. Les résultats montrent que l'incertitude sur le débit de pointe des scénarios SFN a été largement influencée par la variabilité spatiale des précipitations, et les effets d'intersection produisent un impact assez significatif sur le débit de pointe des scénarios de toiture verte et le volume total de ruissellement des scénarios combinés. Pour étudier plus en détail les impacts de la variabilité des précipitations à petite échelle sur les réponses hydrologiques des scénarios SFN, six produits précipitations différentes du radar en bande-C et du radar en bande-X sont utilisés comme entrées de pluie. Le résultat indique que les performances hydrologiques des scénarios SFN simulés avec des données radar en bande-X sont plus stables que celles des données radar en bande-C pour les événements précipitations étudiées. Pour caractériser les performances hydrologiques des scénarios SFN sur une large gamme d'échelles, le cadre théorique de Multifractals Universels (UM) a été appliqué. En particulier, la singularité probable maximale s'est avérée être l'indicateur indépendant de l'échelle pour déduire efficacement les extrêmes critiques de l'écoulement de surface, pour optimiser l'intervention, en augmentant la résilience de la ville pour la gestion des eaux pluviales à plusieurs échelles. Enfin, l'indicateur coût-efficacité indépendante de l'échelle basée sur le cadre de l’UM a été développé et validé par rapport à l'indicateur indépendant de l'échelle. Il semble être beaucoup plus adapté aux développements multi-échelles et, ainsi, plus efficace pour soutenir le futur processus d'urbanisme et de prise de décision