Thèse Vers une Évaluation Intégrée du Métabolisme Hydrique Urbain Face aux Changements Globaux H/F

École nationale des ponts et chaussées

Établissement : École nationale des ponts et chaussées
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : LEESU - Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbain
Direction de la thèse : Yangzi QIU ORCID 0000000319653987
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-01T23:59:59

Les systèmes hydriques urbains font face à des pressions croissantes liées à l'augmentation de la densité de population, à l'urbanisation rapide et aux impacts du changement climatique. L'expansion des surfaces imperméabilisées, le vieillissement des infrastructures et la variabilité accrue des conditions météorologiques rendent les zones urbaines particulièrement vulnérables aux défis liés à l'eau, tels queles inondations, la dégradation de la qualité de l'eau et la rareté de la ressource. La gestion actuellement fragmentée des milieux aquatiques de surface et souterrains, de l'eau potable, des eaux usées et des eaux pluviales s'avère insuffisante pour répondre aux défis combinés que sont la sécurisation des ressources en eau, le renforcement de la résilience face aux événements climatiques extrêmes et la préservation des écosystèmes aquatiques dans la ville de demain.
La complexité des interrelations au sein des systèmes hydriques urbains nécessite une approche plus globale : la gestion intégrée de l'eauen milieu urbain, permettant de mieux appréhender les interactions entre les différentes composantes du système hydrique urbain et defavoriser une plus grande circularité de l'eau dans les villes.
Certaines infrastructures décentralisées de gestion de l'eau urbaine - par exemple, la gestion des eaux pluviales à la source, la réutilisation décentralisée des eaux usées et des eaux grises - ont déjà fait l'objet d'évaluations techniques. Cependant, ces évaluations demeurent le plus souvent limitées à des analyses à l'échelle du projet et segmentées par thématique. Ces solutions n'ont pas encore été évaluées à l'échelle de la ville ; leur cohérence, leur complémentarité, leurs éventuelles concurrences et leur intégration aux systèmes existants nécessitent encore des analyses approfondies afin d'évaluer leur contribution à un nouveau paradigme de gestion urbaine de l'eau. En résumé, cette thèse vise à évaluer les interactions et les impacts des infrastructures urbaines décentralisées de gestion de l'eau à l'échelle de la ville, dans un contexte de changements globaux, à l'aide d'une approche de modélisation intégrée du système hydrique urbain. Elle contribuera au développement de stratégies de gestion de l'eau urbaines résilientes et durables, tout en favorisant la circularité de l'eau et l'adaptation efficace aux événements climatiques extrêmes.

Les systèmes d'eau urbains sont soumis à des pressions croissantes dues à l'augmentation de la densité de population, à l'urbanisation rapide et aux effets du changement climatique (Flörke et al., 2018). L'expansion des surfaces imperméabilisées, le vieillissement des infrastructures et l'accroissement de l'imprévisibilité des événements météorologiques rendent les zones urbaines particulièrement vulnérables aux enjeux liés à l'eau, tels que les inondations, la dégradation de la qualité de l'eau et les pénuries.
La gestion actuelle, segmentée entre les milieux aquatiques de surface et souterrains, l'eau potable, les eaux usées et les eaux pluviales, ne permet pas de répondre aux défis conjoints consistant à sécuriser l'approvisionnement en eau, renforcer la résilience face aux événements climatiques extrêmes et préserver les écosystèmes aquatiques dans la ville de demain. Les interrelations complexes entre les différents composants du système d'eau urbaine exigent une approche plus globale : la gestion intégrée de l'eau en milieu urbain (Wong et Brown, 2009), afin de gérer les interactions entre les différentes composantes du système et de favoriser la circularité de l'eau en ville.
Certaines solutions innovantes dans le domaine de l'eau et de l'environnement urbains, telles que la gestion à la source des eaux pluviales (Tunqui Neira et al., 2023), la séparation et la valorisation des excrétas, ou la mobilisation de ressources alternatives, ont déjà fait l'objet d'évaluations techniques. Cependant, ces évaluations sont souvent limitées à l'échelle d'un projet et à une problématique spécifique. Ces solutions n'ont pas encore été évaluées à l'échelle d'une ville. Leur cohérence, leur complémentarité, leurs éventuelles concurrences et leur intégration dans les systèmes existants nécessitent une analyse plus approfondie pour évaluer leur contribution à un nouveau paradigme de gestion urbaine de l'eau.
Pour faire face à ces défis globaux, il est essentiel de passer d'une gestion urbaine fragmentée à une approche intégrée fondée sur le concept de métabolisme urbain. Cette approche repose sur plusieurs éléments clés permettant de mieux appréhender les impacts complexes du développement urbain et du changement global : la prise en compte de l'ensemble des composantes du système d'eau urbain (précipitations, ruissellement, interactions avec les eaux souterraines, eau potable, eaux usées, eaux pluviales, ressources en eau, etc.) ; l'analyse des besoins en solutions innovantes ainsi que de leurs modalités de mise en oeuvre, sous les angles quantitatif et qualitatif ; la représentation des dynamiques hydrologiques à différentes échelles spatiales, en intégrant à la fois les systèmes centralisés et décentralisés ; et enfin, l'intégration des effets du changement global (Bach et al., 2014 ; Behzadian et Kapelan, 2015 ; Dobson et al., 2023).

Cette thèse a pour objectif principal de modéliser le déploiement de solutions innovantes et d'évaluer leurs interactions ainsi que leurs impacts à l'échelle urbaine, dans un contexte de changement global, à l'aide d'un modèle intégré fondé sur le métabolisme urbain de l'eau. Les principales questions scientifiques investiguées dans cette étude sont les suivantes :
1)Comment modéliser quantitativement le métabolisme urbain de l'eau afin de représenter les flux d'eau naturels et anthropiques, ainsi que leurs interactions complexes au sein des villes ?
2)Quelles sont les solutions innovantes permettant de mieux gérer l'eau en milieu urbain, et quelles trajectoires de déploiement envisager pour leur mise en oeuvre à l'échelle urbaine ?
3)Comment analyser la cohérence, la complémentarité ou la concurrence entre ces solutions innovantes, et leur articulation avec les systèmes existants à l'échelle urbaine ?
4)Comment évaluer les performances de solutions innovantes dans un contexte de changement global, et quels indicateurs utiliser pour mesurer leur effet sur la circularité de l'eau urbaine.
5)Comment initier une transformation durable vers un paradigme de gestion des eaux urbaines plus résilient et adaptatif face aux effets du changement global ?

La thèse se déroulera sur une période de 36 mois, structurée en trois phases principales correspondant aux différentes questions scientifiques. L'approche principale reposera sur la modélisation intégrée du métabolisme de l'eau, accompagnée d'analyses de données et de méthodes d'évaluation multicritères.