Thèse soutenue

Suivi et modélisation à haute résolution des flux hydriques d’une toiture végétalisée

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Auteur / Autrice : Filip Stanic
Direction : Daniel SchertzerPierre Delage
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
Date : Soutenance le 27/05/2020
Etablissement(s) : Paris Est
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 : Président / Présidente : Édith Perrier
Examinateurs / Examinatrices : Daniel Schertzer, Pierre Delage, Čedo Maksimović, Farimah Masrouri, Ning Lu, Yu Jun Cui, Pierre-Antoine Versini
Rapporteurs / Rapporteuses : Čedo Maksimović, Farimah Masrouri

Résumé

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Les toitures végétalisées représentent un type de solutions fondées sur la nature. Dans ce contexte, l’objectif de ces travaux de thèse est de trouver un moyen approprié de traiter les variabilités spatio-temporelles des différents processus hydrologiques mis en jeu à travers les échelles, sans masquer l'hétérogénéité caractérisant les échelles les plus fines. Ceci est important pour les concepteurs, car l'homogénéisation (dans l’espace et le temps) de ces processus dans un modèle peut avoir un impact significatif sur ses simulations, et produire des résultats peu fiables concernant les performances hydrologiques des toitures végétalisées. Afin d'améliorer la fiabilité des estimations réalisées à l’aide d’une modélisation hydrologique, diverses investigations ont été réalisées sur la Vague Verte de Champs-sur-Marne, une toiture végétalisée d’un hectare située à proximité de l'Ecole des Ponts ParisTech, en banlieue parisienne. Tout d'abord, différentes caractéristiques physiques du substrat ont été mesurées en laboratoire à l’échelle d'échantillons. La quantification des propriétés hydrauliques du substrat insaturé / saturé - et plus particulièrement la détermination de la fonction de conductivité hydraulique - a été réalisée au moyen d’une méthodologie et d'un appareil nouvellement développés à cette occasion. A l'échelle de l'échantillon, la variabilité spatiale du champ constitué par la densité du sol a été appréhendée à l'aide d'un microtomographe à rayons X. Les résultats ont ensuite été analysés dans le cadre des multifractals universels, particulièrement adapté pour caractériser les variabilités spatiales et temporelles de champs géophysiques complexes. Ces travaux ont permis de faire émerger de nouvelles méthodes et fonctions analytiques pour décrire les différentes propriétés du sol telles que la distribution granulométrique (ainsi que celle des pores), la courbe de rétention d'eau et la fonction de conductivité hydraulique. Ces nouvelles fonctions se sont avérées assez proches de celles issues des travaux effectués en laboratoire que ce soit pour le substrat de la vague verte, comme pour d'autres types de sols issus de la littérature. Á l'échelle de la vague verte, le comportement hydrologique de la structure a été étudié à l'aide du suivi expérimental continu des trois principales composantes du bilan hydrique : la précipitation, la teneur en eau (à l’aide d’un réseau de sondes TDR répartis le long de la pente) et le débit en sortie d’ouvrage. Ces mesures analysées à l’aide d'une nouvelle analyse multifractale conduite sur la variabilité temporelle de trois composantes, ont montré qu’il est possible d'aller au-delà dune simple quantification du coefficient de ruissellement et d'analyser l'impact de l'inclinaison du toit sur le mouvement latéral de l'eau à l'intérieur du substrat. Il en ressort que l'inclinaison du toit n'affecte pas le transfert de l’eau dans le substrat, permettant ainsi le développement d'un nouveau modèle hydrologique analytique unidimensionnel. Le modèle proposé repose sur une cascade de réservoirs non linéaires, où la sortie de chaque réservoir est décrite au moyen d’une fonction analytique de la conductivité hydraulique (également développée lors de ces travaux). Le modèle s'avère représenter une alternative intéressante pour la résolution numérique de l'équation de Richards en termes de précision et de fiabilité. Cette méthode entraine également une amélioration significative du temps de calcul. Ce modèle peut être utilisé pour tenir compte efficacement de l'hétérogénéité spatiale des toitures végétalisée à l'échelle du toit. Il doit aussi permettre de tenir compte de cette variabilité dans un bassin versant urbain et d’évaluer ainsi leur impact hydrologique à cette échelle