Fonctionnement hydrologique des jardins de pluie - de l’évaluation in-situ à la modélisation pour une diversité de contextes

Les solutions fondées sur la nature, telles que les systèmes de bio rétention, sont de plus en plus utilisées pour une gestion résiliente du ruissellement urbain. Un système de bio rétention est constitué d’une dépression végétalisée destinée à collecter et infiltrer les eaux de ruissellement, d’un substrat assurant la filtration et la rétention de l’eau ainsi que l’évapotranspiration et éventuellement d’une couche de transition, de drainage ou de stockage. La bio rétention permet de gérer le volume de ruissellement, de retarder les pics de débit et de favoriser l’évapotranspiration (ET), contribuant ainsi à un équilibre hydrique local plus naturel. Toutefois, ses performances hydrologiques peuvent varier selon le design du système et le contexte local. Les objectifs de cette recherche sont : i) d’élucider les effets de différentes caractéristiques de conception des systèmes de bio rétention sur leur fonctionnement hydrologique, avec un accent particulier sur les cas à faible potentiel d’exfiltration dans un climat océanique, typique des conditions observées en région parisienne ; et ii) d’évaluer la fiabilité et la robustesse du modèle HYDRUS-1D dans la représentation de conceptions variées et de paramètres d’entrée hétérogènes. Ce travail a débuté par une revue exhaustive de la littérature, fournissant une synthèse des types de conceptions, des dispositifs expérimentaux et des approches de modélisation considérées dans les études précédentes. L’analyse a également mis en évidence plusieurs lacunes dans les connaissances actuelles : 1) la sous-représentation de certains contextes locaux et designs 2) le nombre limité d’études portant sur la surveillance à long terme du bilan hydrique et 3) le manque d’investigations concernant les interactions entre le sol sous-jacent et les nappes phréatiques peu profondes. Cette thèse repose sur une surveillance continue de 3 prototypes de bio rétention en région parisienne et sur des investigations de terrain visant à évaluer l’efficacité de la réduction du volume de ruissellement dans des conditions pédologiques défavorables (par exemple, exfiltration limitée ou interdite), ainsi que l’importance relative des processus hydrologiques et les leviers d’optimisation. Les configurations de terrain incluent 1) un système non étanchéifié avec un ratio de charge hydraulique (HLR) élevé de 13, sur un sol argileux, analysant comment la zone de saturation intermittente (IWS) peut favoriser l’exfiltration 2) deux systèmes étanchéifiés, évaluant si la combinaison d’un faible HLR (i.e. 4), d’un substrat à texture fine et d’une IWS peut renforcer l’ET et constituer le principal mécanisme de réduction de volume. Dans l’ensemble, les trois systèmes ont permis une réduction significative du volume de ruissellement sur la période de surveillance (43 % pour JdB1, 48 % pour JdB2, 63 % pour SC), malgré l’absence d’exfiltration ou la faible perméabilité du sol. Pour le système non étanchéifié, la performance de réduction de volume est principalement déterminée par l’épaisseur de la zone saturée intermittente (IWS) : son augmentation de 2 cm à 22 cm a entraîné une amélioration de la réduction de 27 % à 55 %. Dans les systèmes étanchéifiés, la réduction est principalement liée à l’ET, qui a plus que doublé en présence d’une IWS. Dans le système non étanchéifié, une barrière capillaire entre la couche de transition et celle de drainage a favorisé la rétention d’eau dans le sol, bien que l’ET soit restée inférieure à l’évapotranspiration potentielle (ETP). Le substrat limono-argileux des systèmes étanchéifiés a soutenu la végétation, mais a également provoqué des problèmes de colmatage et de fissuration, atténués par la présence de l’IWS.