Thèse Modélisation Intégrée des Interactions Entre les Eaux de Surface et les Eaux Souterraines dans les Systèmes Hydriques Urbains H/F Doctorat.Gouv.Fr

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 : 2027-10-01 Date limite de candidature : 2027-01-15T23:59:59 L'urbanisation rapide et le changement climatique modifient considérablement le cycle de l'eau en milieu urbain, soulignant la nécessité de mieux comprendre les interactions complexes entre les processus hydrologiques naturels et les infrastructures hydrauliques urbaines. Si les modèles hydrologiques distribués à base physique (par exemple, Multi-Hydro) permettent une représentation détaillée des processus hydrologiques à l'échelle locale, les modèles intégrés des systèmes hydriques urbains (par exemple, WSIMOD) représentent les interactions entre les différentes composantes de ces systèmes à des échelles plus larges. Cependant, l'articulation de ces différentes échelles spatiales et temporelles, tout en garantissant la cohérence des processus hydrologiques et l'efficacité des calculs, reste un défi méthodologique majeur.
Cette thèse vise à développer un cadre de modélisation intégrée multi-échelle permettant de relier les processus hydrologiques locaux détaillés à la modélisation des systèmes hydriques urbains à l'échelle de la ville. Elle s'articule autour de trois objectifs : (1) étudier la variabilité des principaux processus hydrologiques urbains, notamment les interactions entre les eaux de surface et de subsurface, à différentes échelles spatiales et temporelles ; (2) développer des méthodes de couplage et d'agrégation permettant d'intégrer les modèles hydrologiques distribués à base physique aux modèles intégrés des systèmes hydriques urbains ; et (3) évaluer l'influence de différents niveaux de représentation des processus hydrologiques sur la dynamique du cycle de l'eau urbain et les évaluations à l'échelle du système, à travers une étude de cas dans Paris intra-muros.
À terme, ces travaux contribueront à faire progresser la modélisation hydrologique urbaine multi-échelle et à soutenir des stratégies de gestion durable de l'eau en milieu urbain. Les systèmes hydriques urbains se caractérisent par des interactions complexes entre les eaux de surface, les processus hydrologiques de subsurface, les eaux souterraines et les infrastructures hydrauliques urbaines. L'urbanisation rapide modifie considérablement ces interactions, notamment par l'augmentation des surfaces imperméabilisées, qui influence le ruissellement de surface, l'infiltration, la recharge des nappes souterraines et le bilan hydrique urbain dans son ensemble. La compréhension de ces interactions est essentielle pour une gestion durable de l'eau en milieu urbain, particulièrement dans le contexte du changement climatique.
Les modèles hydrologiques distribués à base physique, tels que Multi-Hydro (Ichiba et al., 2018 ; Versini et al., 2016), permettent une représentation détaillée des processus hydrologiques urbains à l'échelle locale, notamment le ruissellement de surface, les réseaux de drainage et l'infiltration dans le sol. Parallèlement, les modèles intégrés des systèmes hydriques urbains, tels que le Water system integration modelling framework (WSIMOD), visent à représenter les interactions entre les différentes composantes des systèmes hydriques urbains, notamment l'approvisionnement en eau, les eaux usées, le drainage, les cours d'eau et les eaux souterraines (Dobson et al., 2024).
Cependant, ces approches de modélisation opèrent à différentes échelles spatiales et temporelles et reposent sur différents niveaux de représentation des processus hydrologiques. Comprendre comment les processus hydrologiques à l'échelle locale influencent la dynamique de l'ensemble du système hydrique urbain, et identifier les processus qui doivent être explicitement représentés à des échelles plus larges, constituent des questions scientifiques majeures. L'intégration de ces processus soulève également des défis méthodologiques liés à l'agrégation spatiale et temporelle, au couplage des modèles, à la cohérence de la représentation des processus et à l'efficacité des calculs.
Dans ce contexte, cette thèse vise à développer une approche de modélisation intégrée multi-échelle permettant d'articuler la représentation détaillée des processus hydrologiques avec la modélisation intégrée des systèmes hydriques urbains, depuis l'échelle du bassin versant urbain local jusqu'à celle de la ville. Les travaux chercheront à comprendre comment les dynamiques hydrologiques locales influencent le cycle de l'eau urbain dans son ensemble, ainsi que l'évaluation des stratégies de gestion durable de l'eau en milieu urbain. Cette thèse s'inscrira en interaction avec le projet ANR PENATE, démarré en 2025, et le projet ANR WRCities, dont le démarrage est prévu en 2027. L'objectif général de cette thèse est de développer et d'évaluer un cadre de modélisation multi-échelle permettant d'intégrer une représentation détaillée des processus hydrologiques dans la modélisation intégrée des systèmes hydriques urbains, afin d'améliorer notre compréhension de la dynamique du cycle de l'eau urbain à différentes échelles spatiales et temporelles et de contribuer à une gestion durable de l'eau en milieu urbain.
Cette recherche s'articule autour de trois objectifs spécifiques :
Objectif 1 - Comprendre les interactions entre les eaux de surface et de subsurface en milieu urbain.
Étudier la variabilité des principaux processus hydrologiques urbains, notamment le ruissellement de surface, l'infiltration, la recharge des nappes souterraines et les interactions avec les réseaux de drainage, à différentes échelles spatiales et temporelles, et identifier leur importance pour la modélisation intégrée des systèmes hydriques urbains.
Objectif 2 - Développer des méthodes de modélisation et de couplage multi-échelles.
Développer des méthodologies adaptées permettant de coupler des modèles hydrologiques entièrement distribués à base physique avec des modèles intégrés des systèmes hydriques urbains, en tenant compte des différences de résolutions spatiales et temporelles, des niveaux de représentation des processus, des échanges de flux hydrologiques et de la cohérence des bilans hydriques.
Objectif 3 - Évaluer les performances de la modélisation intégrée multi-échelle.
Étudier l'influence de la représentation des processus hydrologiques locaux sur le bilan hydrique urbain et les évaluations à l'échelle du système, et analyser les implications pour la gestion intégrée de l'eau en milieu urbain selon différents scénarios de gestion. Cette thèse sera organisée autour de trois tâches complémentaires et interdépendantes.
Tâche 1 - Analyse multi-échelle des processus hydrologiques urbains (Mois 1 à 8).
Une revue des approches existantes de modélisation hydrologique multi-échelle et de modélisation intégrée des systèmes hydriques urbains sera réalisée afin d'identifier les principaux défis liés à la représentation des processus hydrologiques urbains, depuis l'échelle du bassin versant urbain local jusqu'à celle de la ville. À partir des observations hydrologiques disponibles et des simulations issues de modèles distribués, la sensibilité des principaux flux hydrologiques à l'agrégation spatiale et temporelle sera étudiée. Une attention particulière sera portée à l'identification des processus et des informations nécessaires à une intégration fiable dans les modèles de systèmes hydriques urbains à plus grande échelle.

Tâche 2 - Développement d'un cadre de modélisation intégrée multi-échelle (Mois 9 à 24).
Une méthodologie de couplage sera développée afin de relier les simulations hydrologiques détaillées issues du modèle à base physique Multi-Hydro, à l'échelle du bassin versant local, à un modèle conceptuel intégré des systèmes hydriques urbains, tel que WSIMOD, à l'échelle de la ville. Différentes approches d'agrégation spatiale et temporelle (Qiu et al., 2021), de transfert des flux hydrologiques et de représentation des processus locaux à l'échelle du système hydrique urbain seront étudiées.

Tâche 3 - Application et évaluation de la modélisation intégrée des systèmes hydriques urbains (Mois 25 à 36).
Le cadre de modélisation développé sera appliqué à une étude de cas dans Paris intra-muros, avec un ou plusieurs bassins versants urbains pilotes sélectionnés en fonction de la disponibilité des données et de leur compatibilité avec le modèle intégré du système hydrique urbain à plus grande échelle. Cette étude permettra d'analyser comment les processus hydrologiques locaux influencent le cycle de l'eau urbain dans son ensemble. Des comparaisons entre différents niveaux de représentation des processus hydrologiques seront réalisées afin de quantifier les performances de la modélisation intégrée multi-échelle. Cette dernière phase comprendra également la rédaction de la thèse.