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Theses Year : 2021

Multiscale assessment of hydrological responses of Nature-Based Solutions to improve urban resilience

Évaluation multi-échelle des réponses hydrologiques des Solutions Fondées sur la Nature pour améliorer la résilience urbaine

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Yangzi Qiu

Abstract

Over the past decades, the urban hydrologic cycle has been greatly altered by the built environment, resulting in rapid runoff and an increased risk of waterlogging. Nature-based solutions (NBS), which apply green infrastructures, have been widely considered as sustainable approaches for urban stormwater management. However, as the urban environment is heterogeneous, the hydrological responses of NBS are still unclear. Therefore, the main objective of this thesis is to evaluate the performance of Nature-based Solutions using a fully distributed hydrological model Multi-Hydro to better manage stormwater in urban watersheds.The field analysed in the case study is a 5.2 km2 semi-urban catchment belonging to the Guyancourt city, which is located in the South-West suburb of Paris. Three types of rainfall data are used as rainfall inputs for different purposes. They are: (i) polarimetric X-band radar data of École des Ponts ParisTech (ENPC); (ii) the Météo-France polarimetric C-band radar data of Trappes; and (iii) the uniform rainfall by spatially averaging the X-band radar data at each time step. Three types of NBS are studied: permeable pavement, rain garden and green roof. Based on the properties of these NBS and catchment conditions, several groups of NBS scenarios characterised with different spatial distributions were created and investigated by using the fully-distributed and physical-based hydrological model Multi-Hydro.Since the hydrological responses of NBS sensitively depend on: (i) the spatial variability of rainfall; (ii) the spatial distributions of NBS; and (iii) their intersection effects, which implies that the overall performances of NBS scenarios simulated with uniform rainfall or lumped/semi-distributed model may not be entirely convincing. Thus, the first goal of this thesis is to investigate the uncertainty of hydrological responses in various NBS scenarios resulting from the spatial variability of rainfall and the heterogeneous distribution of NBS at the urban catchment scale. The results show that the uncertainty on peak flow of NBS scenarios was largely influenced by the spatial variability of rainfall, and the intersection effects produce a somewhat significant impact on the peak flow of green roof scenarios and the total runoff volume of combined scenarios.To further investigate the impacts of small scale rainfall variability on the hydrological responses of NBS scenarios, six different rainfall products from C-band radar and X-band radar are used as the rainfall inputs. The result indicates that the hydrological performances of NBS scenarios simulated with X-band radar data are more stable than that of the C-band radar data in terms of the studied rainfall events.To characterise the hydrological performance of NBS scenarios over a wide range of scales, the theoretical framework of Universal Multifractals (UM) was applied. In particular, the maximum probable singularity has been shown to be the scale independent indicator to effectively infer the critical extremes of overland flow, to optimize the intervention, increasing the city's resilience for stormwater management at multiple scales.Finally, the scale-independent cost-effectiveness indicator based on the UM framework has been developed and validated in comparison to the scale-independent one. It appears to be much more adapted to the multi-scale developments and, hence, more effective in supporting the future process of urban planning and decision-making.
Au cours des dernières décennies, le cycle hydrologique urbain a été fortement modifié par l'environnement bâti, ce qui entraînant un ruissellement rapide et une augmentation du risque d'inondation. Les Solutions fondées sur la Nature (SFN), qui utilisent des infrastructures vertes, sont de plus en plus considérées comme des approches durables pour la gestion des eaux pluviales urbaines. Cependant, en raison de l'environnement urbain est hétérogène, les réponses hydrologiques du SFN ne sont toujours pas claires. Pour cette raison, l'objectif principal de cette thèse est d'évaluer les performances des Solutions fondées sur la Nature à l'aide du modèle hydrologique entièrement distribuée pour mieux gérer les eaux pluviales dans les bassins versants urbains.Le site analysé dans le cas d'étude est un bassin versant périurbain avec de surface environ 5,2 km2 appartenant à la ville de Guyancourt, située dans la banlieue Sud-Ouest de Paris. Trois types de données précipitations sont utilisés comme entrées précipitations à des fins différentes. Il s'agit (i) du radar polarimétrique en bande-X de l'École des Ponts ParisTech (ENPC) ; (ii) le radar polarimétrique en bande-C de Météo-France de Trappes ; et (iii) les précipitations uniformes en calculant la moyenne spatiale des données radar en bande-X à chaque pas de temps. Trois types de SFN sont étudiés : le pavé imperméable, le jardin pluvial et le toit vert. Sur la base les propriétés de ces SFN et les conditions du bassin versant, plusieurs groupes de scénarios SFN caractérisés avec différentes distributions spatiales sont créés et étudiés en utilisant le modèle physique complètement distribué Multi-Hydro.Étant donné que les réponses hydrologiques des SFN dépendent de façon sensible : (i) de la variabilité spatiale des précipitations ; (ii) les distributions spatiales des SFN ; et (iii) leurs effets d'intersection, ce qui implique que les performances globales des scénarios SFN simulés avec des précipitations uniformes ou un modèle forfaitaire / demi-distribué peuvent ne pas être entièrement convaincantes. Ainsi, le premier objectif de cette thèse est d'étudier l'incertitude des réponses hydrologiques dans divers scénarios SFN résultant de la variabilité spatiale des précipitations et de la distribution hétérogène des SFN à l'échelle du bassin versant urbain. Les résultats montrent que l'incertitude sur le débit de pointe des scénarios SFN a été largement influencée par la variabilité spatiale des précipitations, et les effets d'intersection produisent un impact assez significatif sur le débit de pointe des scénarios de toiture verte et le volume total de ruissellement des scénarios combinés. Pour étudier plus en détail les impacts de la variabilité des précipitations à petite échelle sur les réponses hydrologiques des scénarios SFN, six produits précipitations différentes du radar en bande-C et du radar en bande-X sont utilisés comme entrées de pluie. Le résultat indique que les performances hydrologiques des scénarios SFN simulés avec des données radar en bande-X sont plus stables que celles des données radar en bande-C pour les événements précipitations étudiées. Pour caractériser les performances hydrologiques des scénarios SFN sur une large gamme d'échelles, le cadre théorique de Multifractals Universels (UM) a été appliqué. En particulier, la singularité probable maximale s'est avérée être l'indicateur indépendant de l'échelle pour déduire efficacement les extrêmes critiques de l'écoulement de surface, pour optimiser l'intervention, en augmentant la résilience de la ville pour la gestion des eaux pluviales à plusieurs échelles. Enfin, l'indicateur coût-efficacité indépendante de l'échelle basée sur le cadre de l’UM a été développé et validé par rapport à l'indicateur indépendant de l'échelle. Il semble être beaucoup plus adapté aux développements multi-échelles et, ainsi, plus efficace pour soutenir le futur processus d'urbanisme et de prise de décision
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03404617 , version 1 (26-10-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03404617 , version 1

Cite

Yangzi Qiu. Multiscale assessment of hydrological responses of Nature-Based Solutions to improve urban resilience. Other. École des Ponts ParisTech, 2021. English. ⟨NNT : 2021ENPC0007⟩. ⟨tel-03404617⟩
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