Hydrologie urbaine (HU) : Différence entre versions

Version du 12 juin 2020 à 18:02

Traduction anglaise  : Urban hydrology

Dernière mise à jour : 9/5/2020

Discipline scientifique de l'environnement se donnant pour objet l'étude de l'eau et de ses relations avec les différentes activités humaines en zone urbaine. Elle traite tout particulièrement des relations entre la gestion des eaux de surface et l'aménagement de l'espace en milieu urbain. Elle est organiquement liée à une technique urbaine particulière : l'assainissement.

Domaine d'application et spécificité

L'hydrologie urbaine s'intéresse à la partie du cycle de l'eau affectée par l'urbanisation ou affectant le fonctionnement de la ville : infiltration de l'eau dans les sols et fonctionnement des nappes, ruissellement des eaux en surface et écoulements dans des biefs naturels (rivières) ou artificiels (canaux, conduites souterraines), évacuation et épuration des eaux usées, etc.. Le traitement et la distribution de l'eau potable, même s'ils sont indubitablement liés à la gestion urbaine de l'eau, ne sont cependant généralement pas rattachés au champ de l'hydrologie urbaine.

L'hydrologie urbaine s'est constituée en domaine spécifique (voir § Historique) pour mieux adapter ses méthodes aux particularités des espaces urbains :

• faibles dimensions des bassins versants, et par conséquence particularités des pluies critiques (pluies courtes et violentes liées à des phénomènes convectifs) ;
• forte imperméabilisation des sols en zone urbaine qui modifie la nature du ruissellement quantitativement (diminution des pertes à l'écoulement, accélération du mouvement de l'eau) et qualitativement (modification de la nature des polluants entraînés par l'eau) ;
• caractère souvent artificialisé du réseau hydrographique ;
• grande vulnérabilité des espaces urbains face au risque d'inondation et importance des enjeux financiers, environnementaux et sociaux ;
• modification de la perception et des usages de l'eau ;
• évolution rapide de l'occupation des sols limitant les possibilités d'utilisation de méthodes statistiques fondées sur l'observation du passé pour prédire l'avenir.

Éléments d'historique

L'hydrologie urbaine est indissociable de l'une des plus significatives manifestations de l'activité humaine amorcée à la fin du 19ème siècle dans les pays industrialisés : l'urbanisation. Elle est née avec la première révolution industrielle et la découverte des problèmes épidémiologiques posés par la concentration d'individus dans un espace limité, la ville.

Genèse ( - 1970)

A la fin du XIXème siècle, l'assainissement des agglomérations est considéré comme une technique d'infrastructure urbaine, qui relève principalement du Génie civil. Certes des hommes comme Kuilching (1889) aux Etat-Unis, Burkli-Ziegler (1880) en Suisse, Lloyd-Davis (1906) au Royaume Uni, Belgrand (1857, 1887) en France, jetèrent, dans leurs pays respectifs, les bases d'une approche scientifique du cycle de l'eau en milieu urbain. Leurs analyses furent cependant assez confidentielles et souvent transformées en règles simples d'ingénierie masquant totalement la complexité des mécanismes hydrologiques urbains. Durant toute la première moitié du XXème siècle, les ingénieurs des pays industrialisés consacrèrent beaucoup d'énergie à la production de guides et de normes techniques, dont certains connurent un retentissement international comme les ouvrages de Metcalf et Eddy aux Etats-Unis ou de Karl Imhoff en Allemagne.

En France, cette période de normalisation fut marquée par la production de la Circulaire Générale 1333 de 1949, qui constitua la référence technique essentielle jusqu'à la date de sa révision en 1977. Ce document introduisit, en particulier, une approche originale du calcul des apports pluviaux urbains due à l'Académicien Albert Caquot (1941). A la fin des années 50, la révolution des modes de production agricole, et la croissance de la production industrielle entraînèrent une véritable explosion de la démographie urbaine des pays industrialisés. L'urgence de bâtir limita souvent la réflexion sur les conséquences de l'urbanisation sur le cycle de l'eau. A la fin des années 60 ces conséquences devinrent un peu partout évidentes, et avec elles leur cortège de nuisances de tous ordres : inondations fréquentes, dysfonctionnements permanents des ouvrages de collecte, de transport et de traitement, pollutions graves des milieux récepteurs fragiles.

Cette situation fut ainsi à l'origine de l'émergence de l'hydrologie urbaine scientifique.

Structuration (1970-1981)

Structuration internationale

Le développement de programmes nationaux de recherche en hydrologie urbaine dans les pays industrialisés, au début des années 70, attestait d’une similitude des relations parfois difficiles entre la ville et le cycle de l’eau. Ces programmes favorisèrent la croissance du nombre des chercheurs œuvrant dans la discipline et une certaine dynamique de recherche. Mais cette dernière ne pouvait trouver son plein épanouissement que dans la confrontation internationale des travaux entrepris.

Cette dernière fut rendue possible par la conjonction d’un important programme de recherche américain de l’American Society of Civil Engineers (ASCE, 1968) et de son Directeur Murray Mc Pherson.

Le premier financé par divers organismes dont la Fondation Nationale pour la Science (US NSF) attira de nombreux chercheurs américains, dont les travaux, publiés dans des revues scientifiques internationales, allaient créer une certaine émulation en Europe, favorisant l’apparition de nouveaux noyaux nationaux de chercheurs.

Le second consacra beaucoup de son énergie pour mener à bien un des volets du programme américain qui concernait l’inventaire des potentialités internationales de recherches en Hydrologie Urbaine. Les très grandes qualités humaines de Murray Mc Pherson lui permirent d’aller bien au-delà d’un simple inventaire. Murray visita ainsi de nombreux chercheurs européens et, par les contacts qu’il fit naître entre des chercheurs isolés, favorisa leur organisation mondiale. Pour améliorer l’efficacité de son action, Murray fusionna le volet international du programme de l’ASCE et les activités du groupe de travail de l’UNESCO dans le cadre de la décennie hydrologique internationale (1964-1974). Une première réunion internationale fut ainsi organisé en 1973 avec le concours de l’Association Internationale des Sciences Hydrologiques (ASCE 1974 ; UNESCO 1974).

Par la suite, Murray Mc Pherson jugea plus efficace de procéder à des réunions d’experts internationaux réalisant le point des recherches en hydrologie urbaine dans leurs pays respectifs (Desbordes et Normand, 1976 ; UNESCO, 1977 ; UNESCO, 1978 ; ASCE, 1979 ; Delleur et Torno, 1983). Murray fut assisté, dans cette activité, par Harry C. Torno, fonctionnaire de l’US American Protection Agency (localisée dans l’immeuble du Water Gate à Washington…). Les contacts établis à l’occasion de ces réunions et les échanges d’informations auxquels elles donnèrent lieu furent décisifs pour le regroupement mondial des chercheurs en hydrologie urbaine.

Parallèlement aux actions de l’ASCE, l’Université de Southampton (GB) organisa en 1978 la première conférence internationale entièrement consacrée à l’hydrologie urbaine (Helliwell, 1978). C’est au cours de cette conférence que de nombreux chercheurs, à l’initiative du Professeur Ben C. Yen, de l’Université d’Illinois, émirent l’hypothèse d’une structuration plus formelle de leurs activités. Ce fut réalisé en 1981 à la faveur d’une conférence internationale organisée par Ben à l’Université d’Illinois à Urbana (USA), à l’issue de laquelle fut créé le Comité Joint d’Hydrologie Urbaine (Joint Committee on Urban Storm Drainage (JCUSD)), parrainé par deux association scientifiques internationales : l’Association Internationale de Recherches Hydrauliques (AIRH/IAHR) et l’Association Internationale sur la Pollution des Eaux et son Contrôle (AIRPEC/IAWPRC), devenue depuis l’Association Internationale sur la Qualité des Eaux (IAQE/IAWQ), puis l'IWA (International Water Association).

Structuration nationale

En 1973, l'ingénieur Général Loriferne est chargé de mettre en place une commission chargée de rédiger une nouvelle Instruction Technique destinée à remplacer la circulaire CG 1333. Les travaux de cette commission vont s'appuyer principalement sur deux éléments :

• la mise en place de bassins versants expérimentaux de quelques dizaines d'hectares qui vont fournir les données indispensables à l'analyse des phénomènes hydrologiques ;
• la thèse de Michel Desbordes qui va analyser en détail les données obtenues et très largement orienter la démarche de la commission.

En 1974, Michel Desbordes soutient sa thèse (Desbordes, 1974) et créé la première équipe française de recherche dans le domaine au Laboratoire d'Hydrologie Mathématique de Montpellier.

En 1976 est créé le service technique de l'urbanisme (STU) et en particulier la Division des Équipements urbains (DEU) qui va jouer un rôle décisif dans le développement et l'organisation de l'hydrologie urbaine en France. L'année suivante paraît l'Instruction technique relative à l'assainissement des agglomérations qui justifie, par ses préconisations, le développement des recherches en hydrologie urbaine.

En 1978 Bernard Chocat soutient sa thèse de doctorat (Chocat, 1978) et créé à l'INSA de Lyon une deuxième équipe de recherche française au sein du laboratoire Méthodes. En 1980 est également créé le CERGRENE, sous la double égide de l'ENPC et de l'ENGREF. La recherche universitaire en hydrologie urbaine commence à se développer. En parallèle des bureaux d'études (SOGREAH, Sauveterre, Hydratech, ...) développent des recherches finalisées ainsi que des outils, en particulier des logiciels de calcul. Plusieurs services décentralisés de l’État (CETE d'Aix en Provence ou de Bordeaux, LCPC, ...) commencent également à s'intéresser à la problématique. Cette effervescence est activée par la mise en place du plan urbain géré par la DEU et par le fonctionnement de nombreux groupes de travail qui permettent à l'ensemble des acteurs de se rencontrer et de partager leurs expériences.

Développement (1980-1995)

La mise en place du JCUSD en 1981 a permis de structurer la discipline au niveau international. En France, en 1982 est également créé une section hydrologie urbaine au sein de la Société Hydrotechnique de France (SHF). Cette section va également jouer un rôle important de dissémination des connaissances en organisant plusieurs conférences aux noms généralement évocateurs ("Orages aux déversoirs", "L'eau sous la ville, la ville sous l'eau, l'eau, la ville et les sous", ...) qui réuniront chaque fois un nombreux public. En parallèle des recherches au niveau national sont entreprises. Citons la campagne nationale de caractérisation de la pollution des rejets urbains de temps de pluie sur quatre bassins versants, pilotée par le STU et le programme de recherches sur l’Eau et la Ville du Plan Urbain. Dans la deuxième moitié des années 1980 l'ASTEE créé également un groupe de travail "Assainissement pluvial" qui va en particulier travailler sous l'animation de P.Valiron et J.P. Tabuchi à la rédaction d'un ouvrage sur la maîtrise de la pollution des rejets urbains de temps de pluie (Valiron et Tabuchi, 1992). La section hydrologie urbaine et ce groupe de travail fusionneront avant la fin de la décennie, constituant ainsi un groupe national équivalent en quelque sorte au JCUSD (la SHF est le correspondant français de l'IAHR et l'ASTEE celui del'IWA).

Au début des années 1980, les lois de décentralisation limitent le rôle de l’État an matière d'assainissement, et Jean Claude Deutsch milite pour la création de Groupes d'Action Régionaux (GAR) pour poursuivre l'action d'animation entreprise par la DEU. Finalement, 7 GAR sont créés, qui auront des évolutions diverses. Le GAR de la Région Rhône-Alpes, qui va s’appeler le GRAIE, va connaitre une grande réussite. En 1987 l'association Eurydice 92 est créée et en 1989 paraît le "Memento sur l'évacuation des eaux pluviales urbaines" (Deutsch et al, 1989) qui peut être considéré comme la première production d'Eurydice tant la composition du groupe de travail est voisine de celle des membres fondateurs de l'association.

Au niveau international le JCUSD se développe, avec une présence française permanente (Michel Desbordes de 1981 à 1987, puis Jean Claude Hemain de 1987 à 1993, puis Bernard Chocat à partir de 1993). Les ICUSD continuent à être organisés tous les trois ans et les acteurs français (GRAIE, Eurydice) déposent une candidature pour 1991. C'est finalement l'Allemagne qui est choisie pour organiser cette conférence, mais le JCUSD propose au GRAIE et à Eurydice d'organiser une conférence thématique. C'est ainsi que naissent les conférences Novatech à partir de 1992.

Maturité (1995-2020)

Au niveau international le JCUSD est désormais bien installé. Il anime de très nombreux groupes de travail sur des thématiques qui ne cesse de se diversifier. Une évolution géographique sensible se dessine. Les États Unis sont désormais en retrait, l'Europe constitue le centre de recherche le plus actif, des équipes fortes et structurées de développent en Australie et en Asie, et en particulier au Japon. Au vu de ces évolutions, le JCUSD décide de changer de nom et d'abandonner le S de Storm. Il apparaît en effet clairement que ce n'est pas uniquement les périodes de pluie intense qui concernent l'hydrologie urbaine, mais que celle-ci doit s'intéresser à toutes les conditions climatiques possibles ainsi qu'à leur succession. Cette idée sera reprise dans le guide technique "la ville et son assainissement" publié en 2003 après 5 ans de travail et qui introduira la notion de niveau de service à fournir en fonction de la situation pluviométrique.

En 1996 paraît, sous l'égide du JCUD un numéro spécial de "Journal of Hydraulics Research" (Ellis and Marsalek, 1996) qui fait le point sur l'état des connaissances scientifiques sur le domaine.

L'année suivante, en France, est publiée l'encyclopédie de l'hydrologie urbaine et de l'assainissement, rédigée par l'association Eurydice (Chocat et al, 1997). Ce document sera ultérieurement largement réutilisé et valorisé sous la forme d'un glossaire international (Ellis et al, 2004), essentiellement destiné à faciliter les échanges entre les chercheurs de différents pays.

En France, la recherche commence à se structurer de façon différente autour d'observatoires (OPUR à Paris, OTHU à Lyon, ONEVU à Nantes) qui fédèrent des spécialités de plus en plus nombreuses autour des hydrologues (météorologues, chimistes, biochimistes, géographes, microbiologistes, etc., mais aussi sciences humaines et sociales.) et qui permettent d'acquérir des données sur des durées beaucoup plus longues.

L'hydrologie urbaine scientifique est aujourd'hui devenue une discipline mature qui va bien au delà de la vision hydraulique qui a présidé à sa création 50 ans plus tôt.

Enjeux actuels de l'hydrologie urbaine

à developper

Bibliographie

• ASCE (1968) : Systematic study and development of long range program of urban water resources research ; ASCE ; New York ; 651 p.
• ASCE (1974) : Report on International Worshop on the hydrological effects of urbanization ; Warsaw 1973 to the National Science Foundation ; ASCE New York ; 61 p.
• ASCE (1979) : International Symposium on urban hydrology ; Washington june 1979 ; Technical Memorandum n° 38 ; ASCE New York ; 140 p.
• Chocat, B. (1978) : Un modèle de simulation des écoulements dans les réseaux d'assainissement pluvial ; thèse Docteur ingénieur ; INSA Lyon ; 304p.
• Chocat, B. (coord.) et Eurydice (1997) : Encyclopédie de l'hydrologie urbaine et de l'assainissement ; ed. Tec et Doc ; Lavoisier ; Paris (épuisé) ; 1124p.
• Delleur, J. W., Torno, H. C., ed. (1983) : Proceedings of International Symposium on Urban Hydrology ; Baltimore (USA) ; may 1983 ; ASCE ; New York ; 261 p.
• Desbordes, M. (1974) : Réflexions sur les méthodes de calcul des réseaux urbains d'assainissement ; thèse Docteur ingénieur ; Université des Sciences et Techniques du Languedoc ; Montpellier ; 171 p.
• Desbordes, M, Normand, D. (1976) : Urban hydrological modeling and catchment research in France ; Technical Memorandum IHP-8 ; ASCE ; New York ; 58 p.
• Deutsch, J.C. (coord.) et Groupe de Travail du STU (1989) : Mémento sur l'évacuation des eaux pluviales ; La documentation française ; Paris ; 349 p.
• Ellis, J.B., Chocat, B., Fujita, S. Marsalek, J., Rauch, W. (2004) : Urban Drainage: A Multilingual Glossary ; IWA Publishing.
• Ellis, J.B. and Marsalek, J. (1996) : Overview of urban drainage: environmental impacts and concerns, means of mitigation and implementation policies ; Journal of Hydraulics Research ; Vol 34 ; N°6.
• Helliwel, P. R. (1978) : Urban Storm Drainage ; Pentech Press ; London (GB) ; 728 p.
• UNESCO, ed. (1974) : Hydrological effects of urbanization, studies and reports in Hydrology ; n° 18 ; UNESCO Press ; Paris ; 280 p.
• Valiron, F., Tabuchi, J.-P. (1992) : Maîtrise de la pollution urbaine par temps de pluie ; ed. Tec et Doc ; Lavoisier ; Paris (épuisé).

Pour en savoir plus

• site du GRAIE
• site d'ARCEAU
• site du JCUD
• Site des Groupes de travail SHF "Hydrologie urbaine" et ASTEE "Pluvial"