Evapotranspiration issue de solutions fondées sur la nature pour la gestion à la source des eaux pluviales urbaines : analyse à partir d’observations et de modélisations hydrologiques

Evapotranspiration from Nature-Based Solutions for Urban Stormwater Management: Analysis from Observations and Hydrological Modelling

• Auteur / Autrice : Ahmeda Assann Ouedraogo
• Direction : Marie-Christine Gromaire
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers et Environnement
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEESU - Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbain
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe SIE
• Jury : Président / Présidente : Erwan Personne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Gromaire, Emmanuel Berthier, Marjorie Musy, Fabrice Rodriguez, Ludovic Oudin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabrice Rodriguez, Ludovic Oudin

Mots clés

Mots clés libres

Évapotranspiration

Gestion des eaux pluviales urbaines

Solutions fondées sur la nature

Estimations

Modélisation hydrologique

Evapotranspiration

Urban stormwater management

Nature-based solutions

Estimations

Hydrological modelling

Résumé

L'évapotranspiration (ET) est un processus important dans la mise en œuvre des politiques de renaturation des villes via les Solutions Fondées sur la Nature (SfN), en particulier pour atténuer le ruissellement urbain, favoriser le rafraîchissement local et assurer la bonne santé des végétaux. Néanmoins, l'estimation et la modélisation du processus au sein de ces solutions demeurent complexes et posent des défis significatifs. La thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension, l'estimation et la modélisation de l'ET au sein des SfN dédiées à la gestion à la source des eaux pluviales urbaines, en se concentrant spécifiquement sur deux types représentatifs de SfN : les jardins de pluie et les toitures végétalisées. Les cas d’étude sélectionnés comprennent diverses configurations de SfN, en termes de type de substrat, de type de végétation, de présence ou absence de végétation, ainsi que de conditions de drainage. Les données disponibles intègrent également une description détaillée du site, de la solution mise en place, ainsi que des mesures relatives au bilan hydrologique, au bilan d’énergie et aux données météorologiques. La recherche s'est articulée autour de deux axes principaux. Dans un premier temps, l'ET a été estimée à partir des observations des dispositifs expérimentaux. Pour les jardins de pluie, l'ET journalière a été estimée pour chacun des huit lysimètres par le biais du bilan hydrologique (neuvième décile de l’ET journalière de 5,4 mm/j à 6,5 mm/j selon le lysimètre), avec une évaluation des incertitudes associées par la méthode de propagation allant de ±0,42 à ±0,58 mm/j. Pour les cinq configurations de toitures végétalisées étudiées, les estimations d’ET obtenues par les méthodes du bilan hydrologique (neuvième décile de l’ET journalière entre 0,8 mm/j et 3 mm/j), de la chambre (neuvième décile de l’ET journalière entre 1 mm/j à 1,5 mm/j selon le lysimètre) et du bilan d'énergie (neuvième décile de l’ET journalière entre 1,8 mm/j à 3,7 mm/j selon le lysimètre) ont été comparées et analysées. La réserve en eau interne, l’épaisseur du substrat, les conditions atmosphériques locales et la présence de végétation se sont révélés comme les principaux facteurs influençant le flux d'ET dans les différentes configurations de SfN testées. Dans un second temps, la thèse s'est penchée sur la modélisation de l'ET issue des configurations de SfN testées avec le modèle hydrologique Hydrus 1D. Une analyse de sensibilité globale de Sobol a permis d'identifier les paramètres hydrodynamiques du substrat comme étant les plus influents sur la variabilité des ETs simulées, en particulier ceux liés à la rétention d'eau (α et n). Des paramètres tels que le taux de couverture du sol, la hauteur de la végétation et la résistance stomatique présentent un rôle secondaire. Lors du processus de calage du modèle, la variable débit de drainage s’est avérée adaptée pour simuler à long terme l'ET dans une perspective d'analyses saisonnières et annuelle, tandis que la teneur en eau du substrat et l'ET observée sont plus appropriées pour le calage durant des périodes sèches. Les simulations à long terme (6 années pour les toitures et 2 ans pour les jardins de pluie) indiquent pour les configurations de toitures avec 15 cm de substrat, planté de sédums et/ou des graminées, une ET moyenne interannuelle dépassant 50 % des précipitations, tandis que pour les configurations de toitures avec 3 cm de substrat nu ou planté de sédums, l’ET représente 30-44 % des précipitations. Pour la configuration de jardins de pluie modélisée (impluvium égal à 4 fois la surface du jardin, un substrat argilo-limoneux de 80 cm d’épaisseur, une végétation herbacée, système drainé étanche sans stockage interne d'eau), une performance similaire a été observée avec une ET représentant 35 % des apports annuels de précipitations.

Evapotranspiration (ET) is an important process in the implementation of urban renaturalization policies through Nature-Based Solutions (NbS), particularly for mitigating urban run-off, promoting local cooling, and ensuring the good health of plants. However, the estimation and modelling of this process within these solutions remain complex and pose significant challenges. The thesis aims to improve the understanding, estimation, and modelling of ET within NbS dedicated to sustainable urban stormwater management, focusing specifically on two representative types: rain gardens and green roofs. The selected case studies include various NbS configurations, including substrate type, vegetation type, presence or absence of vegetation, and drainage conditions at the base of the solutions. The available data also integrate a detailed description of the site, the implemented solution, as well as measurements related to the water balance, energy balance, and meteorological data. The research was structured around two axes. Firstly, ET was estimated from observations of experimental setups replicating the functioning of NbS. For rain gardens, daily ET was estimated for each of the eight lysimeters through the water balance method (90% of ET values ranging from 5.4 mm/day to 6.5 mm/day), with an assessment of associated uncertainties using the method of propagation, ranging from ±0.42 to ±0.58 mm/day. For the studied five green roof plots, ET are obtained through the water balance (ET values ranging from 0.8 mm/day to 3 mm/day), the chamber (ET values ranging from 1 mm/day to 1.5 mm/day) and the energy balance (ET values ranging from 1.8 mm/day to 3.7 mm/day) methods were compared and analysed. The internal water storage, local atmospheric conditions, presence of vegetation and substrate depth were found to be the main factors influencing the ET flux in the different NBS configurations tested. Secondly, the study focused on the modelling of ET from the tested NBS plots using the Hydrus 1D hydrological model. A global sensitivity analysis employing the Sobol method identified the substrate hydrodynamic parameters as the most influential factors contributing to the variability of simulated ET, particularly those related to water retention characteristics (α and n). Parameters such as soil cover, vegetation height and stomatal resistance were considered to have a secondary role. During the model calibration process, the drainage discharge variable was found suitable for long-term simulation of ET for seasonal and annual analyses, while substrate moisture content and observed ET were more appropriate for calibration during dry periods. Long-term simulations (6 years for green roofs and 2 years for rain gardens) revealed that green roof plots with sedum and/or grasses associated with a 15 cm substrate showed an average inter-annual ET exceeding 50% of precipitation, while configurations with bare substrate or sedum with a 3 cm substrate exhibited an ET equivalent to 30-40% of precipitation. For rain gardens with an 80 cm thick substrate and herbaceous vegetation without internal water storage, a similar performance was observed, with ET representing 30 to 40% of annual precipitation inputs.