Atténuer les îlots de chaleur urbaines par une irrigation optimale de la végétation urbaine : approche expérimentale et numérique

Mitigating urban heat islands through optimal irrigation of urban vegetation: an experimental and numerical approach

• Auteur / Autrice : Martina Garcia de cezar
• Direction : Séverine Tomas
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : STE-Sciences de l'Eau
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2021
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : G-EAU - Gestion de l'Eau, Acteurs, Usages
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe 3 : Pratiques et usages agricoles de l'eau

Mots clés

Mots clés libres

Végétation Urbaine

Irrigation

Simulation Numérique

Computational Fluid Dynamic

Modèle de Culture

Indice de confort thermique

Urban Vegetation

Irrigation

Numerical Simulation

Computational Fluid Dynamic

Crop Model

Thermal comfort index

Résumé

Les projections pour l'année 2100 montrent une augmentation potentielle des températures moyennes terrestres de 1.5 à 2°C, accompagnée d'une augmentation de la fréquence et de l'intensité des vagues de chaleur (IPCC 2018). Ces scénarios climatiques appellent à l'adaptation et à la mise en œuvre de solutions permettant la thermorégulation urbaine. Dans ce contexte, la thèse a pour objectif de documenter, analyser et modéliser la capacité des différentes stratégies d'irrigation et de végétalisation urbaines à modifier l'indice de confort thermique (mesure du ressenti, combinant température, humidité de l'air et exposition aux rayons du soleil). On se concentrera sur l'échelle (microclimatique) du canyon urbain, en abordant également l'échelle inférieure (voisinage immédiat de la végétation) voire l'échelle supérieure (advection des flux dans la ville). On se propose de décrire le système urbain substrat-plante-atmosphère de manière intégrale et explicite : cartographier les flux d'air, de chaleur et d'eau, optimiser l'apport d'eau qui conditionne la réponse des plantes donc l'impact sur l'environnement, en étant un des leviers de la thermorégulation de la ville. Cette caractérisation s'appuiera sur le développement d'une modélisation multi-échelle et d'une étude expérimentale. L'approche numérique est basée sur le couplage bidirectionnel de deux logiciels : Optirrig (UMR G-Eau, modèle de culture et gestion de l'eau) et un modèle de dynamique des fluides (CFD, Computational Fluid Dynamics), algorithme de haute résolution qui permet la modélisation multi-physique (radiatif, thermique, aéraulique). L'approche expérimentale repose sur deux dispositifs pour comprendre les mécanismes et initialiser/valider de l'approche numérique : (i) un pilote de canyon urbain, simple mais équipé de très nombreux capteurs (site de Lavalette, Montpellier, construit dans le cadre de cette thèse) et (ii) sites réels, avec moins d'instrumentation (sites partenaires). Le modèle couplé construit permettra d'aider à la prise de décision en matière de choix de végétalisation des villes, suivant diverses contraintes hydrauliques, thermiques, énergétiques et esthétiques pour contribuer à construire des villes plus résilientes.

Projections for the year 2100 show a potential increase in average land temperatures of 1.5 to 2°C, accompanied by an increase in the frequency and intensity of heat waves (IPCC 2018). Such climate scenarios call for adaptation and the implementation of solutions for urban thermoregulation. In this context, the thesis aims to document, analyse and model the ability of different strategies of urban irrigation and vegetation to modify the thermal comfort index (a measure of feeling, combining temperature, air humidity and sunlight exposure). The focus will be on the (microclimatic) scale of the urban canyon, while also addressing the lower scale (immediate vicinity of the vegetation) and even the higher scale (advection of flows into the city). The goal is to describe the substrate-plant-atmosphere urban system in an integral and explicit way: to map the air, heat and water flows, to optimise the water supply which conditions the response of the plants and therefore the impact on the environment, by being one of the levers of the city's thermoregulation. This characterisation will be based on the development of a multi-scale model and an experimental study. The numerical approach is based on the bi-directional coupling of two softwares: Optirrig (UMR G-Eau, water cultivation and management model) and a fluid dynamics model (CFD, Computational Fluid Dynamics), a high-resolution algorithm that allows multi-physics modelling (radiative, thermal, aeraulic). The experimental approach relies on two devices to understand the mechanisms and to initialise/validate the numerical approach: (i) a simple urban canyon pilot, but equipped with a large number of sensors (Lavalette site, Montpellier, built within the framework of this thesis) and (ii) real sites, with less instrumentation (partner sites). The coupled model developed will be used to assist in the decision-making process regarding the choice of urban vegetation, according to various hydraulic, thermal, energy and aesthetic constraints, in order to contribute to building more resilient cities.