Revue des méthodologies pour quantifier l’impact de l’urbanisation

1.3.3. L’impact de l’urbanisation sur les chemins de l’eau

Dans les zones urbaines, l'augmentation du niveau de vie et le développement des infrastructures (réseau d’adduction et d’assainissement, déversoir d’orage, …) se sont accrus dans des proportions notables. L’imperméabilisation et le remplacement des réseaux naturels par des réseaux artificiels ont considérablement accru les vitesses d’écoulement et diminuer les temps de concentration. Dans les zones urbaines, la concentration des réseaux d'égouts et autres réseaux artificiels se traduit, par de forts débits de pointe, associés aux événements pluvieux plus ou moins importants.

Plusieurs études, y compris Hammer (1972), ont montré des changements morphologiques du réseau hydrologique liés à l’urbanisation. Pizzuto et al (2000) ont examiné les effets de l'urbanisation sur la morphologie fluviale à travers l’étude de huit bassins appariés (urbains et ruraux). Ils ont constaté que la largeur médiane de réseau (non artificiel) en milieu urbain est de 26% supérieure à celle en milieu. Nelson et al (2006) ont utilisé un modèle hydraulique pour étudier les impacts de l’urbanisation sur les réseaux. Ils ont montré que la forme du réseau est stable malgré le développement urbain.

1.4. Revue des méthodologies pour quantifier l’impact de l’urbanisation

1.4.1. Illustration des problèmes classiquement rencontrés

La quantification de l’impact de l’urbanisation se fait en général par deux types d’approches qui peuvent être complémentaires. Ces approches sont toutes les deux « comparatives » dans le sens où l’on analyse conjointement deux situations différentes en termes d’urbanisation. La première (et la plus utilisée) consiste à comparer temporellement deux périodes distinctes en termes d’urbanisation, et la deuxième consiste à comparer spatialement plusieurs bassins différents en termes d’urbanisation. La Figure 1-5 illustre les deux approches qui sont détaillées ci-dessous :

 Approche comparative temporelle : les études sur les bassins versants non stationnaires vis-à-vis de l’urbanisation permettent d’évaluer l’évolution des caractéristiques hydrologiques sur un intervalle de temps. Ces études sont souvent basées sur un seul bassin (Hollis, 1977), et la généralisation des résultats est difficile du fait du peu d’informations procurées par ce seul bassin. La variabilité

24 1. Contexte scientifique

temporelle des caractéristiques de débit peut comporter des erreurs de mesure dont il faut tenir compte. L’approche temporelle consiste à utiliser les chroniques de débits observés et à déterminer l’évolution des propriétés hydrologiques en découpant la chronique totale en différentes sous-périodes. Cette approche présente des limites bien connues telles que : (i) le rôle joué par la variabilité climatique (Lørup et al., 1998), (ii) la difficulté de prendre en compte une évolution progressive (et non brusque) de l’occupation du sol (voir e.g. Ashagrie et al., 2006; Andréassian, 2012) et (iii) des exigences fortes sur la longueur des chroniques analysées avant et après le changement d’occupation de sol. Pour pallier les problèmes liés à la variabilité du climat et distinguer l'effet du climat et de l'urbanisation, l’utilisation de modèles hydrologiques est possible (Mutayoba et al., 2008), mais l’utilisation de modèle reste relativement limitée dans la littérature.

 Approche comparative spatiale : Il s’agit d’étudier plusieurs bassins versants en même temps pour pouvoir généraliser les résultats de l’impact de l’urbanisation sur les caractéristiques hydrologiques. Les études suivant cette approche considèrent en général des bassins versants dans la même région (DeWalle et al., 2000; Rose et Peters, 2001; Konrad et Booth, 2005; Rozell, 2010), afin de limiter les autres facteurs pouvant expliquer la variabilité des écoulements. Une approche comportant des bassins versants appariés, très proches spatialement (et en termes de caractéristiques géomorphologiques), permet en général de diminuer l'impact de ces différences géomorphologiques (et climatiques) et de ne retenir que celui de l'urbanisation. Ces études visent à évaluer les changements de débit dans deux bassins versants voisins urbanisé et non urbanisé, en utilisant les données observées. Les limites de cette approche résident dans l’exigence sur la disponibilité des données : il est souvent difficile de trouver un bassin non-urbain à proximité d’un bassin urbain.

1.4. Revue des méthodologies pour quantifier l’impact de l’urbanisation 25

Figure 1-5. Illustration des approches comparatives existantes pour analyser l’impact de l’urbanisation sur la réponse hydrologique de bassins versants (exemple du débit de pointe). Les couleurs dans l’aspect spatial correspondent aux bassins versants avec différentes urbanisations.

Afin de lever les difficultés rencontrées par ces deux approches, des raffinements méthodologiques ont été proposés par le passé et sont listés dans les paragraphes suivants.

1.4.2. Approches statistiques spatio-temporelles

Il s’agit d’approches descendantes (« top-down »), qui consiste essentiellement à des analyses de tendances de la série de débits à long terme, en s’intéressant à deux bassins versants : un bassin versant sans changement et un bassin versant modifié au cours de la période d’observation. L’approche statistique spatio-temporelle peut être généralisée à un ensemble de

Dé b it d e p o in te Imperméabilité Im p ermé ab ili té année Dé b it d e p o in te année

26 1. Contexte scientifique

bassin versants présentant une plus grande variabilité d’occupation du sol (DeWalle et al., 2000; Rose et Peters, 2001; Konrad et Booth, 2005; Homa et al., 2013). En termes méthodologiques, ces approches sont très proches de la méthode des bassins versants appariés. La limite de ces approches est la disponibilité des données pour trouver un bassin versant non-urbain à proximité d’un bassin urbain (voir la discussion de McIntyre et al., 2014). Comme la méthode des bassins appariés est utilisée dans le cadre de la thèse, elle sera détaillée dans le chapitre 3.

1.4.3. Approches par modélisation conceptuelle

La modélisation hydrologique conceptuelle est également une approche descendante permettant de lever certaines difficultés liées à la disponibilité de données de bassins versants de référence non urbanisés. Comme les modèles conceptuels n’ont pas de paramètres explicitement liés à l’occupation de sol, le lien entre l’occupation du sol et les paramètres s’évalue par des méthodes statistiques (Lørup et al., 1998). Plusieurs déclinaisons de cette approche sont possibles :

- Analyse des résidus du modèle : il s’agit de simuler la période après urbanisation en calant un modèle sur la période avant urbanisation et de comparer la simulation sur la période urbaine aux observations.

- La comparaison des paramètres obtenus pour la période avant et après l’urbanisation. - La comparaison de débits simulés avec des jeux de paramètres calés sur différentes

sous-périodes (Schreider et al., 2002; Andréassian et al., 2003; Siriwardena et al., 2006; Seibert et McDonnell, 2010).

L’avantage de cette approche est que le modèle hydrologique permet de synthétiser le comportement dynamique du bassin versant non-urbain à partir d’un bassin versant urbain d’une manière relativement insensible à la variabilité climatique (Blöschl et al., 2007; Wagener, 2007). La difficulté de cette approche est que les impacts de changements d’occupation du sol sur les paramètres du modèle ne sont pas prévisibles (Hundecha et Bárdossy, 2004). Par conséquent, ce type d’approche ne permet pas d’évaluer l’impact hydrologique de l’urbanisation dans un cadre prospectif, par exemple avec des scénarios d’urbanisation.