TEAM : Transferts et interactions liés à l'eau en milieu construit

Les travaux de TEAM aspirent à mieux appréhender l'effet des milieux construits (villes et infrastructures de transport) : altération des rejets hydriques, augmentation de rejets de polluants, élévation de température locale. Comprendre et penser les milieux construits permet la prise en compte des enjeux de transition écologique et aide à définir des stratégies de gestion, planification et adaptation de ces milieux.

Sites : Nancy et Trappes ; 32 agents impliqués dont 8 chercheurs permanents.

Enjeux de société

Contribution à des milieux construits durables, résilients, économes et agréables à vivre

D'importantes politiques publiques portent ces enjeux, comme la stratégie nationale pour la biodiversité (2011-2020) qui plaide pour un retour de la nature en ville, ou le document de la Stratégie Nationale de Transition Écologique vers un Développement Durable. La nouvelle politique de gestion à la source et naturelle des eaux pluviales est au cœur de ces préoccupations, car sa généralisation apporterait de nombreux services, qualifiés d'écosystémiques, pour l'environnement urbain, mais aussi pour la qualité de vie des citoyens.

Préservation des milieux récepteurs et de la ressource en eau

Vis-à-vis des rejets des milieux construits La lutte contre les pollutions est actuellement un enjeu majeur. Après l'amélioration des rejets et traitements d'eaux usées, l'effort se porte sur la réduction et le traitement des rejets de temps de pluie, avec des exigences croissantes demandées aux collectivités locales, maîtres d'ouvrage des réseaux d'assainissement. Une attention particulière est portée à la gestion des eaux pluviales, avec une volonté de mettre en place des politiques d'infiltration et d'évapotranspiration qui favorisent la gestion des eaux pluviales urbaines dès l'origine du ruissellement. Les eaux de ruissellement urbain peuvent représenter une part non négligeable des apports de polluants aux milieux naturels, en lien avec la nature des matériaux de surface et leur évolution au cours du temps et les usages faits de ces surfaces.

Adaptation aux changements climatiques

Les milieux construits sont sensibles aux nuisances induites par des choix de gestion locaux ou aux conséquences des changements plus globaux. Les activités anthropiques et les aménagements modifient localement le climat en milieu urbain, provoquant une élévation de température locale : le phénomène d'îlot de chaleur urbain. Les vagues de chaleur qui en découlent rendent le milieu urbain davantage exposé avec des populations, des infrastructures et des biens plus vulnérables. L'« atténuation » de ce phénomène consiste à mettre en œuvre, dans le cadre des politiques de gestion des eaux pluviales, une pluralité de modalités de limitation des effets des évolutions climatiques : re-naturation des espaces imperméables, modification de la morphologie urbaine... Les bénéfices rendus par l'emploi de ces mesures nécessitent encore d'être évalués et quantifiés. Une meilleure connaissance de l'organisation des milieux urbains, de leur dynamique et vulnérabilité est un préalable indispensable à l'élaboration d'une stratégie d'adaptation des territoires.

TEAM : Transferts et interactions liés à l'eau en milieu construit

 

Problématique scientifique

Le projet scientifique de TEAM vise à apporter des connaissances et développer des méthodes et outils d'analyse/représentation des modes de transferts d'eau, de polluants associés, et d'énergie dans les milieux construits. Les phénomènes de transferts et leur évaluation reposent sur des approches théoriques qui nécessitent encore la capitalisation de nouvelles connaissances sur un milieu à la fois complexe et hétérogène, selon des approches inter-, voire transdisciplinaires et multi-échelles spatiales.

Des travaux de recherche permettant d'identifier les réelles performances des techniques modernes de gestion des eaux pluviales (toitures végétalisées, bassins de rétention des eaux de ruissellement routières, …) sont menés. L'enjeu de l'équipe est d'allonger la durée de vie de ces systèmes, tout en garantissant et optimisant un niveau de performances multicritères, en cohérence avec la doctrine du MTES d'« éviter, réduire et compenser les impacts sur l'environnement » qui s'inscrit dans une démarche de développement durable et vise à assurer une meilleure prise en compte de l'environnement dans les décisions publiques. Pour y arriver, il est nécessaire de comprendre le fonctionnement de ces systèmes, ainsi que leur évolution dans le temps. La mise en place de méthodes d'évaluation pertinentes (instrumentation de sites, analyses physico-chimiques, modélisations) permettra alors d'identifier les conditions optimales de conception et de maintenance des systèmes de gestion des eaux pluviales, informations indispensables pour les gestionnaires. L'équipe porte une attention particulière à la vision intégrée des services rendus par la végétation présente dans ces systèmes, celle-ci impactant fortement les performances multicritères des systèmes de gestion.

Les travaux de recherche de TEAM sont déclinés en trois axes :

A. Fonctionnement hydrologique multi-échelle des milieux construits ;

B. Pollution des milieux : transferts eau/sol/végétaux et ouvrages de traitement ;

C. Processus de régulation climatique en milieu urbain.

Les résultats de ces recherches appliquées contribuent à la connaissance et à la maîtrise des impacts des aménagements sur la ressource en eau, sur la qualité des milieux (eau, sol) et sur les effets climatiques locaux induits.

Verrous scientifiques abordés :

Interactions et rétroactions entre les différents transferts étudiés autour des milieux construits : coupler, tant dans les mesures effectuées que dans les modèles développés, les investigations pour avoir une évaluation complète des échanges et stocks mis en jeu dans les différents compartiments concernés (sol, végétation, atmosphère). Cette ambition de vision intégrée complexifie obligatoirement les méthodes et outils à développer.

Diversité des échelles spatio-temporelles d'étude : les enjeux se déclinent de l'échelle de l'ouvrage à celle de l'agglomération, et sur des durées de quelques minutes à de multiples décennies. Afin de comprendre les processus d'intérêt, des échelles d'étude encore plus fines sont parfois nécessaires. Quelle est l'échelle spatiale idoine à l'étude du processus souhaité ? Comment transférer des résultats locaux à des échelles spatiales plus grandes ?

Rôle de la végétation sur les différents transferts : alors que la végétation fait son retour dans les milieux construits, les spécificités de ces milieux vont modifier la phénologie des plantes, modifications qui restent sous-étudiées à l'échelle du plant : les végétaux sont singuliers, pour des raisons ornementales et d'entretien ; le sol urbain est le lieu d'écoulements hétérogènes et peut être pollué ; la couche limite de l'atmosphère en ville est fortement modifiée (rugosités importantes, écoulements plus turbulents, conditions de lumière très variables).

Résultats attendus

Pour l'axe A
Fonctionnement hydrologique multi-échelle des milieux construits

  • Acquisition d'une compréhension fine des transferts hydriques : étude de l'évapotranspiration et de son influence sur le comportement des couverts végétalisés ;
  • Etude des performances hydrologiques des techniques de gestion à la source des eaux pluviales urbaines : simulation du fonctionnement des ouvrages, quantification de leurs performances ;
  • Modélisation intégrée à l'échelle du quartier : compréhension des impacts des aménagements sur les différentes composantes du cycle de l'eau à l'échelle du quartier, incidence des ouvrages de gestion.

Pour l'axe B
Pollution des milieux : transferts eau/sol/végétaux et ouvrages de traitement

  • Compréhension du comportement des (micro)polluants : fonctionnement des systèmes de gestion des eaux pluviales, caractérisation de la pression des polluants cibles, évaluation de la vulnérabilité associée ;
  • Conception et évaluation des performances de techniques de gestion : mécanismes de rétention des polluants, rôle de la végétation et du sol dans les transferts de polluants dans les ouvrages végétalisés, plate-forme de démonstration/évaluation des techniques de gestion des eaux de ruissellement.

Pour l'axe C
Processus de régulation climatique en milieu urbain

  • Interaction entre processus hydriques et climatiques impactés par les modes d'aménagement urbain : connaissance des évolutions des performances couplées hydro-climatiques des aménagements urbains, en particulier végétalisés ;
  • Enrichissement des méthodes de diagnostic climatique multi-échelle (bâtiment → quartier → ville) : approfondissement des paramètres des modèles SVAT, développement de modèles empiriques de diagnostic climatique à l'échelle du fragment urbain, méthodologie d'utilisation des cartographies climatiques au sein des documentations d'urbanisme.

Un objectif commun à l'équipe est l'étude des performances multicritères et services écosystémiques des ouvrages et des aménagements : développement d'indicateurs multicritères de performances vis-à-vis des fonctions visées, évolution et scénarisation de la performance des ouvrages (impact du vieillissement, des modes de gestion, du changement climatique) ; développement d'outils d'aide à la conception et au dimensionnement de dispositifs de gestion des eaux pluviales, préconisations sur le suivi et l'entretien des ouvrages.

Partenariat

Partenaires publics et réseau scientifique et technique des ministères de tutelle : ENTPE, IFSTTAR, Météo-France, CSTB, École des Ponts – ParisTech.

Partenariats académiques : Univ. de Lorraine, Univ. Paris-Sud Orsay, Univ. de Versailles Saint-Quentin, ENGEES, IRSTEA, INRA, AgroParisTech, IRSTV, ENSAIA

Publications récentes

Barbier L., Suaire R., Durickovic I., Laurent J., Simonnot M.-O. (2018). Is a road stormwater retention pond able to intercept deicing salt? Water, Air & Soil Pollution 229(8), 251.

Bouzouidja R., Séré G., Claverie R., Ouvrard S., Nuttens L., Lacroix D. (2018). Green roof aging: Quantifying the impact of substrate evolution on hydraulic performances at the lab-scale, Journal of Hydrology 564, pp. 416-423.

Kanso T., Tedoldi D., Gromaire M.-C., Ramier D., Saad M., Chebbo G. (2018). Horizontal and Vertical Variability of Soil Hydraulic Properties in Roadside Sustainable Drainage Systems (SuDS)—Nature and Implications for Hydrological Performance Evaluation. Water 10, 987. https://doi.org/10.3390/w10080987

Rodler A., Guernouti S., Musy M., Bouyer J. (2018) Thermal behaviour of a building in its environment: Modelling, experimentation, and comparison, Energy and Buildings 168, pp. 19-34.

Tedoldi D., Flanagan K., Chebbo G., Branchu P., Pierlot D. et al. (2018). Zirconium deficit as a tracer of urban sediment accumulation in Sustainable Urban Drainage Systems – Application to the calibration of a filtration model. Science of the Total Environment 644, pp. 941-953.

Flanagan K., Tedoldi D., Branchu P., Gromaire M.-C. (2017). Caractérisation du fonctionnement d'un ouvrage de gestion à la source du ruissellement de voirie : approche par modélisation hydrologique et par cartographie de la containation du sol. La Houille Blanche – Revue internationale de l'eau, EDP Sciences 3, pp. 5-13.

Leconte, F., Bouyer, J., Claverie, R. and Pétrissans, M. (2017). Analysis of nocturnal air temperature in districts using mobile measurements and a cooling indicators. Theoretical and Applied Climatology 130, pp. 365-376.

Pons-Branchu E., Roy-Barman M., Jean-Soro L., Guillerme A., Branchu P., Fernandez M., Dumont E., Douville E., Michelot J.L., Phillips A.M. (2017). Urbanization impact on sulfur content of groundwater revealed by the study of urban speleothem-like deposits : Case study in Paris, France. Science of the Total Environment 279, pp. 124-132.

Tedoldi D., Chebbo G., Pierlot D., Branchu P., Kovacs Y., Gromaire M.-C. (2017). Spatial distribution of heavy metals in the surface soil of source-control stormwater infiltration devices – Inter-site comparison. Science of the Total Environment 279, pp. 881-892.

Vandenbroucke P., Canavese M., Dacheux-Auziere B., Grenet M., Mouhot L., Berthier N., Melin G., Pouvesle C., Rémy E., Consales J.-N. (2017). Derrière l'utopie du jardin collectif, la complexité d'un projet social, technique et politique. Géographie et culture 103, pp. 19-37.

Bispo A., Branchu P., Legret M., Andrieux P., Chenu C., Fouché O. Frutos R., Martin E., Martin E., Soubelet H., Souchère V., Stauton S., Toumebize J., Winiarski T. (2016). Gestion de la fonction de filtration et de régulation des contaminants par les sols. In A. Bispo et al. : Les sols. Intégrer leur multifonctionnalité pour une gestion durable. Editions Quae, pp. 199-245.

Durickovic I. (2016). Using Raman spectroscopy for characterization of aqueous media and quantification of species in aqueous solutions, In M. Stauffer : Applications of Molecular Spectroscopy to Current Research in the Chemical and Biological Sciences. Rijeka : INTECH. ISBN 978-953-51-4803-5, pp. 405-427.

Flanagan K., Branchu P., Ramier D., Gromaire M.C. (2016). Evaluation of the relative roles of a vegetative filter strip and a biofiltration swale in a treatment train for road runoff. Water Science & Technology 75(4), pp. 987-997.

Joimel S., Cortet J., Jolivet C.C., Saby N.P.A., Chenot E.D., Branchu P., Consalès J.N., Lefort C., Morel J.L., Schwartz C. (2016). Physico-chemical characteristics of topsoil for contrasted forest, agricultural, urban and industrial land uses in France. Science of the Total Environment 545-546, pp. 40-47.

Sage J., Berthier E., Bonhomme C., Gromaire M.-C. (2016). Assessing the effect of uncertainties in pollutant wash-off dynamics in the context of stormwater management modeling – Consequences of using an inappropriate error model. Journal of Environmental Engineering 143(2).

Sage J., El Oreibi E., Saad M., Gromaire M.-C. (2016). Modeling the temporal variability of zinc concentrations in zinc roof runoff – Experimental study and uncertainty analysis. Environmental Science and Pollution Research 23(16), pp. 16552-16566.

Suaire R., Durickovic I., Framont-Terrasse L., Leblain J.-Y., De Rouck A.-C., Simonnot M.-O. (2016). Phytoextraction of Na+ and Cl- by Atriplex halimus and Atriplex hortensis L. : a promising solution for remediation of road runoff contaminated with deicing salts. Ecological Engineering 94, pp. 182-189.

Versini P.-A., Jouve P., Ramier D., Berthier E., de Gouvello B. (2016). Use of green roofs to solve storm water issues at the basin scale – Study in the Hauts-de-Seine County (France), Urban Water Journal 13(4), pp. 372-381.

Thèses en cours

Lucie BARBIER (2015-2019), « Dynamique des flux de fondants routiers et influence sur la pollution routière au sein d'un bassin de rétention-décantation », École doctorale SIMPPÉ – Univ. de Lorraine. Directrice de thèse : Marie-Odile Simonnot (Univ. de Lorraine), encadrement : Ivana Durickovic (Cerema).

Tala KANSO (2015-2019), « Mesure et modélisation du bilan hydrologique de dispositifs rustiques de gestion à la source des eaux de ruissellement de chaussées », École doctorale SIE– Univ. Paris-Est. Directrice de thèse : Marie-Christine Gromaire (École des Ponts ParisTech), co-directeur de thèse : Ghassan Chebbo (Université Libanaise ), co-encadrement : David Ramier (Cerema).

Lucie VARNEDE (2016-2019), « Des parkings perméables végétalisés pour une gestion durable des eaux pluviales urbaines », École doctorale SIE– Univ. Paris-Est. Directrice de thèse : Marie-Christine Gromaire (École des Ponts ParisTech), co-encadrement : David Ramier (Cerema).

Clarisse ABIVEN (2018-2021), « Mesure de l'évapotranspiration à petite échelle spatiale en milieu urbain. Un atout pour l'évaluation de modèles hydrologiques et climatologiques distribués », École Doctorale EGAAL – Univ. Bretagne Loire. Directeur de thèse : Fabrice Rodriguez (IFSTTAR), co-encadrement : David Ramier (Cerema).

Mithun HANUMESH (2018-2021), « Impact du vieillissement de substrats de toitures végétalisées sur leurs performances hydriques et thermiques », École Doctorale SIReNA – Univ. de Lorraine. Directeur de thèse : Geoffroy Seré (Univ. de Lorraine), encadrement : Rémy Claverie (Cerema).

Gwendal LIBESSART (2018-2021), «Modélisation prédictive de la qualité des sols urbains basée sur l'évolution de l'occupation des sols», École Doctorale SIRENA – Univ. de Lorraine. Directeur de thèse : Christophe Schwartz (Univ. de Lorraine), encadrement : Catherine Franck-Néel (Cerema), Philippe Branchu (Cerema).

William POPHILLAT (2018-2021), « Conséquences d'une systématisation des pratiques d'infiltration à la parcelle des pluies courantes à l'échelle du quartier – Apports de la modélisation intégrée », École Doctorale Terre Univers Environnement – Univ. Grenoble Alpes. Directeur de thèse : Fabrice Rodriguez (IFSTTAR), encadrement : Isabelle Braud, Jérémie Sage (Cerema)

Thèses soutenues

Rémi SUAIRE (2015), « Dynamique de transfert des fondants routiers dans un bassin de rétention des eaux de ruissellement routières : vers une solution d'assainissement par phytoremédiation », École Doctorale RP2E – Univ. de Lorraine. Directrice de thèse : Marie-Odile Simonnot (Univ. de Lorraine), encadrement : Ivana Durickovic (Cerema).

Li YINGHAO (2015), « Modeling of hydrological processes of an urban catchment : Study of a saturated soil flow module and application to an urban development zone of the future Paris-Saclay University », École Doctorale SPIGA – École Centrale de Nantes. Directeur de thèse : Fabrice Rodriguez (IFSTTAR), encadrant : Emmanuel Berthier (Cerema).

Ryad BOUZOUIDJA (2014), « Fonctionnement hydrique d'un Technosol superficiel – application à une toiture végétalisée », École Doctorale EMMA – Univ. de Lorraine. Directeur de thèse : David Lacroix (Univ. de Lorraine), encadrants : Geoffroy Séré (Univ. de Lorraine), Rémy Claverie (Cerema).

François LECONTE (2014), « Caractérisation des îlots de chaleur urbains par zonage climatique et mesures mobiles : Cas de Nancy », École Doctorale RP2E – Univ. de Lorraine. Directeur de thèse : Mathieu Pétrissans (Univ. de Lorraine), encadrants : Julien Bouyer (Cerema), Rémy Claverie (Cerema).

Julie SCHWAGER-GUILLOUX (2014), « Les toitures végétalisées, puits et sources d'éléments en traces métalliques », École Doctorale RP2E – Univ. de Lorraine. Directeurs de thèse : Jean-Louis Morel (Univ. de Lorraine), Véronique Ruban (IFSTTAR).

Responsable de l'équipe
Adjoint responsable
Emmanuel Berthier
Chercheur
Membres de l'équipe
Emmanuel Berthier
Chercheur
Julien Bouyer
Chercheur
Philippe Branchu
Chercheur
Rémy Claverie
Chercheur
David Ramier
Chercheur
Jérémie Sage
Chercheur
Didier Técher
Chercheur
Damien Carat
Ingénieur
Emmanuel Dumont
Ingénieur
Jean-Sébastien Finck
Ingénieur
Hugues Giroux
Ingénieur
Alexis Guilpart
Ingénieur
Christelle Neaud
Ingénieure
Rémi Suaire
Ingénieur
Amélie Charnoz
Technicienne
Phalkun Chin
Technicien
Jean-François Durmont
Technicien
Ludovic Etienne
Technicien
Lucie Framont-Terrasse
Technicienne
Didier Gallis
Technicien
Philippe Guezennec
Technicien
Sara Lerey
Technicienne
Laurent Meffray
Technicien
Camille Mingoïa
Technicienne
Mathieu Moutton
Technicien
Nadjwa Pailloux
Technicienne
Cédric Payet
Technicien
Isabelle Soubeyrand
Technicienne
Jérémy Thiriat
Technicien
Claude Trotzier
Technicienne
Mithun Hanumesh
Doctorant
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