# Modélisation hydrologique en contexte urbain - Mise en oeuvre des modèles URBS et TEB pour évaluer la composante d'évapotranspiration

Xenia Stavropulos-Laffaille, Katia Chancibault, Fabrice Rodriguez, Marie-Laure Mosini, Alexandra Mosset

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Xenia Stavropulos-Laffaille, Katia Chancibault, Fabrice Rodriguez, Marie-Laure Mosini, Alexandra Mosset. Modélisation hydrologique en contexte urbain - Mise en oeuvre des modèles URBS et TEB pour évaluer la composante d'évapotranspiration. Journée Technique : Les rôles de l'évapotranspiration en milieu urbain, CEREMA; OFB; Université Gustave Eiffel; Arceau IdF; Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Dec 2023, Marne La Vallée, France. hal-05267297

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Submitted on 15 Jan 2026

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# Modélisation hydrologique en contexte urbain – Mise en œuvre des modèles URBS et TEB pour évaluer la composante d'évapotranspiration

Xenia Stavropulos-Laffaille¹, Katia Chancibault², Fabrice Rodriguez², Marie-Laure Mosini², Alexandra Mosset²

¹ Cerema, BPE, F-44262, Nantes, France

² Université Gustave Eiffel, GERS, EE, Campus Nantes, 44344 Bouguenais, France

Le flux d'évapotranspiration (ET) est au cœur de différents enjeux modernes de la ville durable, dont les enjeux hydrologiques et microclimatiques. Les changements globaux incitent les villes à adapter l'aménagement urbain, en lien avec l'urbanisation toujours croissante. L'augmentation des surfaces revêtues, ainsi induite, génère une augmentation des volumes ruisselés en temps de pluie et des phénomènes d'îlot de chaleur urbain (Fletcher et al., 2013; Grimmond, 2007). Par ailleurs, le changement climatique conduira à l'augmentation en nombre, en intensité et en fréquence des canicules et pourrait modifier le régime des pluies impactant le confort thermique des villes et la gestion des eaux pluviales.

Afin de réduire ces effets négatifs, les politiques publiques d'aménagement locales et nationales ont progressivement préconisé une re-végétalisation des villes, avec la mise en place de trames vertes et bleues (Li et al., 2017) ou des forêts urbaines, ainsi que le développement d'ouvrages végétalisés de gestion des eaux pluviales (Solutions Fondées sur la Nature). L'évaluation de cette stratégie doit toutefois être consolidée, en particulier pour les questions de gestion de l'eau en ville, ainsi que pour les questions de confort thermique des habitants (Nastran et al., 2019). Le flux d'évapotranspiration est une variable clé pour cette évaluation, car c'est un élément commun du bilan hydrique et du bilan énergétique des surfaces urbaines. Initialement, ce processus supposé réduit en raison de l'imperméabilisation des surfaces (Zipper et al., 2016) était peu étudié dans la littérature scientifique traitant de modélisation hydrologique urbaine ; son enjeu opérationnel était alors faible. Aujourd'hui,
il est au cœur des préoccupations des aménageurs et des chercheurs pour mieux connaître les bénéfices de ces différentes solutions végétalisées.

Parmi les approches de modélisation proposées en milieu urbain, figurent les modèles hydrologiques (basés sur le bilan en eau) et les modèles hydro-climatiques (couplant les bilans énergétique et hydrologique). La représentation du flux d'évapotranspiration est souvent simplifiée dans les modèles hydrologiques et basée sur la variable de l'évapotranspiration potentielle. En modélisation hydro-climatique, ce flux est résolu explicitement mais il est dépendant de nombreuses variables : il doit donc être évalué.

Le projet ModelET a pour objectif d'étudier l'intérêt d'une représentation hydro-climatique par rapport à une représentation hydrologique, en qualifiant sa plus-value au regard de la paramétrisation plus complexe qu'elle engendre : dans quels cas, pour quelle application, à quelle échelle spatiale et temporelle, sous quelles conditions / une représentation hydrologique peut-elle être suffisante, / une représentation hydro-climatique est-elle parfois nécessaire ?

L'étude s'appuiera donc sur deux modèles : un modèle hydrologique (URBS, Rodriguez et al, 2008) et un modèle hydro-climatique (TEB, Bernard et al., 2022; Stavropulos-Laffaille et al., 2021, 2018), dédiées au milieu urbain et déjà appliqués et évalués sur divers bassins versants instrumentés de la métropole nantaise.

Le modèle hydrologique URBS, discrétise l'espace en éléments hydrologiques en s'appuyant sur la parcelle cadastrale. Il décrit explicitement le tissu urbain (bâti, voirie, zones perméables végétalisées ou non, réseau d'assainissement et hydrographique naturel) alors que le modèle TEB se base sur une grille à mailles régulières au sein desquelles le tissu urbain est moyenné, selon l'approche de la rue canyon (Masson, 2000). Le réseau hydrographique (assainissement et rivières) est adapté à la résolution de la grille. Cette différence de description du territoire amène à réfléchir aux configurations respectives des modèles, dans le but de mener une analyse comparative, en définissant pour chaque modèle différentes configurations : i) une configuration « équivalente » où les paramètres et données descriptives de chaque modèle sont similaires et ii) une configuration « optimale » à chaque modèle où la performance et les usages habituels de chaque modèle sont privilégiés.

Dans cette étude, les deux modèles sont appliqués sur le bassin versant urbain du Pin Sec sur une période de simulation de 3 ans entre mai 2010 et décembre 2012. Une première configuration est testée, impliquant un calage propre à chaque modèle pour obtenir la meilleure réponse hydrologique de chacun. Les paramètres à caler ont été identifiés dans des études antérieures. Pour URBS c'est notamment le coefficient qui décrit l'infiltration de l'eau du sol dans le réseau et la conductivité hydraulique à saturation. Pour TEB c'est également le coefficient d'infiltration et le taux d'infiltration à travers la voirie.

Les premiers résultats pour le modèle hydrologique URBS, notamment concernant la comparaison d'hauteurs écoulées et de débits de pointe lors des évènements pluvieux simulés et mesurés sont satisfaisants. En revanche, le débit sur toute la chronique et l'évolution de la profondeur de la nappe les sont moins. Dans le cas de TEB, Stavropulos-Laffaille et al. (2018 et 2021) ont montré une plus grande variabilité du débit simulé avec une tendance à surestimer le débit total et à sous-estimer quelques évènements extrêmes. Une évaluation de l'impact d'un calage hydrologique sur le bilan énergétique, notamment en comparant les flux de chaleur latente et sensible simulés a mis en évidence une meilleure représentation du modèle des flux de chaleur sensible que latente (Stavropulos-Laffaille et al., 2021). En plus, en comparant les cycles diurnes moyens pour les mois chaud et sec, TEB a tendance à surestimer les flux de chaleur latente et donc aussi l'ET. La nuit, les flux turbulents sont mal reproduits puisque la température de surface simulée est trop élevée. En
comparant les deux modèles vis-à-vis de la représentation des flux d'ET, les cycles diurnes mensuel moyens sur les 3 ans de simulation, montrent une grande différence. Cela est également souligné par les bilans, indiquant une plus grande part de l'ET pour TEB et inversement une plus grande part de ruissellement pour URBS. Le stockage du sol est également plus important dans URBS que dans TEB.

Références bibliographiques

Bernard, É., Munck, C. de, Lemonsu, A., 2022. Detailed Mapping and Modeling of Urban Vegetation: What Are the Benefits for Microclimatic Simulations with Town Energy Balance (TEB) at Neighborhood Scale? J. Appl. Meteorol. Climatol. 61, 1159-1178.
https://doi.org/10.1175/JAMC-D-21-0134.1

Fletcher, T.D., Andrieu, H., Hamel, P., 2013. Understanding, management and modelling of urban hydrology and its consequences for receiving waters: A state of the art. Adv. Water Resour. 51, 261–279. http://dx.doi.org/10.1016/j.advwatres.2012.09.001

Grimmond, S., 2007. Urbanization and global environmental change: local effects of urban warming. Geogr. J. 173, 83–88. https://doi.org/10.1111/j.1475-4959.2007.232_3.x

Li, F., Liu, X., Zhang, X., Zhao, D., Liu, H., Zhou, C., Wang, R., 2017. Urban ecological infrastructure: an integrated network for ecosystem services and sustainable urban systems. Urban Ecol. Infrastruct. Heal. Cities Gov. Manag. Eng. 163, S12–S18.
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.02.079

Masson, V., 2000. A Physically-Based Scheme For The Urban Energy Budget In Atmospheric Models. Bound.-Layer Meteorol. 94, 357-397. https://doi.org/10.1023/A:1002463829265

Nastran, M., Kobal, M., Eler, K., 2019. Urban heat islands in relation to green land use in European cities. Green Infrastruct. Nat. Based Solut. Sustain. Resilient Cities 37, 33–41.
https://doi.org/10.1016/j.ufug.2018.01.008

Stavropulos-Laffaille, X., Chancibault, K., Andrieu, H., Lemonsu, A., Calmet, I., Keravec, P., Masson, V., 2021. Coupling detailed urban energy and water budgets with TEB-Hydro model: Towards an assessment tool for nature based solution performances. Urban Clim. 39, 100925.
https://doi.org/10.1016/j.uclim.2021.100925

Stavropulos-Laffaille, X., Chancibault, K., Brun, J.-M., Lemonsu, A., Masson, V., Boone, A., Andrieu, H., 2018. Improvements to the hydrological processes of the Town Energy Balance model (TEB-Veg, SURFEX v7.3) for urban modelling and impact assessment. Geosci. Model Dev. 11.

Zipper, S.C., Schatz, J., Singh, A., Kucharik, J., C., Townsend, A., P., Loheide, P., S., 2016. Urban heat island impacts on plant phenology: intra-urban variability and response to land cover. Environ. Res. Lett. https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/5/054023