Réduction de la chaleur urbaine - l'importance de l'eau

L'avenir de l'assainissement urbain est soumis à des pressions de différentes parts. D'un côté, le développement vers l'intérieur concentre de plus en plus de personnes sur des surfaces imperméabilisées qui se réchauffent fortement sous l'effet du rayonnement solaire. D’autre part, ce sont précisément ces surfaces imperméabilisées qui perturbent le cycle naturel de l’eau et favorisent le ruissellement en cas de fortes pluies. L’imperméabilisation constitue donc à la fois un problème de drainage et un problème de chaleur, et ces deux défis frappent de plein fouet les villes suisses en pleine expansion.

Les chiffres parlent d'eux-mêmes: l’Europe se réchauffe environ deux fois plus vite que la moyenne mondiale et se situe aujourd’hui à environ 2,5 °C au-dessus du niveau préindustriel [1]. En Suisse, environ 542 décès ont été attribués à la chaleur pour la seule année 2023 [2]. Les nouveaux scénarios climatiques CH2025 confirment la tendance: davantage de journées de canicule et de nuits tropicales, des étés plus secs et des précipitations extrêmes plus intenses [3]. La canicule n’est donc plus un problème d’un avenir lointain, mais une question qui doit être prise en compte dès aujourd’hui dans la planification.

C’est là qu’ réside une opportunité souvent négligée: l’eau de pluie, qui est aujourd’hui généralement évacuée le plus rapidement possible, constitue, si elle est retenue de manière ciblée, un moyen de refroidissement passif efficace pour la ville. C’est précisément sur ce principe que repose le concept de «ville-éponge»: les précipitations sont stockées sur place et réintroduites dans le cycle local de l’eau par évaporation ou infiltration. Une contrainte devient ainsi une ressource. La littérature montre clairement que les infrastructures bleues et vertes (IBV) peuvent avoir un effet considérable sur la réduction de la chaleur: leurs principaux mécanismes de refroidissement sont avant tout l’évaporation et la réduction de la chaleur stockée dans les surfaces urbaines grâce à l’ombrage [4].

Le projet «Heat-Down» de l’Eawag et de l’ETH Zurich, financé par le Fonds national suisse (FNS), a étudié de manière systématique ce lien entre l’eau et la réduction de la chaleur. Cette approche associe deux volets complémentaires: d’une part, le perfectionnement de modèles rapides et adaptés à la pratique pour la simulation microclimatique; d’autre part, l’intégration d’un large éventail de mesures de réduction de la chaleur. Cette dernière va de la végétalisation des bâtiments à l’arrosage opérationnel, en passant par la question d’une répartition spatiale équitable du refroidissement (voir également la fig. 1).

Des modèles climatiques rapides comme base de planification

Avant d’affecter un espace urbain déjà rare à une mesure climatique, il convient de savoir ce qui fonctionne et où. Les modèles à haute résolution tels que ENVI-met [10] ou les approches CFD [11] fournissent certes des résultats physiquement détaillés, mais ils nécessitent d’importantes ressources de calcul et de données pour des villes entières. Cela limite leur applicabilité lorsqu’il s’agit d’explorer de nombreux scénarios d’aménagement. C’est précisément cette lacune que comble le modèle TARGET (The Air-temperature Response to Green/blue-infrastructure Evaluation Tool) [12], perfectionné dans le cadre du projet. TARGET ne nécessite que peu de données d’entrée: la proportion de couverture du sol, la géométrie des bâtiments et des données météorologiques standard. Il modélise la ville à l’aide d’une grille d’une résolution de 30 × 30 m et avec un pas temporel fin. À Zurich, le modèle a été validé à l’aide de deux réseaux de stations météorologiques privées à haute résolution. Les résultats montrent que TARGET reproduit bien les différences de température au cœur de la ville (r = 0,95; erreur moyenne d’environ 2,2 °C) [13, 14]. Une analyse de sensibilité a montré que la géométrie de l'espace routier (le rapport entre la hauteur des bâtiments et la largeur des rues) et les propriétés thermiques des surfaces en béton sont les facteurs qui influencent le plus la chaleur en centre-ville. De plus, les températures modélisées peuvent être associées à des données sur la fréquentation piétonne. Cela permet non seulement de mettre en évidence les lieux les plus chauds, mais aussi ceux où l’exposition humaine est la plus forte, ce qui place les personnes concernées au cœur de la planification [14].

Afin de rendre le modèle facilement accessible dans la pratique, TARGET a été intégré sous forme de plugin librement accessible à l’outil open source UMEP (Urban Multi-scale Environmental Predictor – voir encadré «Remerciements et logiciels») pour la plateforme SIG QGIS et peut être utilisé sans connaissances en programmation [15]. Le flux de travail va du traitement des données à la simulation et à la cartographie des points chauds, en passant par la comparaison directe de scénarios.

Une étude de cas portant sur Zurich illustre ce potentiel. Une végétalisation ciblée, associée à un arrosage, a permis de réduire l’étendue des points chauds d’environ deux tiers [15] (Fig. 2). Toutefois, les quartiers densément bâtis et situés en hauteur sont restés chauds, car il est difficile d’y modifier la couverture du sol. Cette limite peut être contournée grâce à un refroidissement opérationnel, décrit dans le chapitre «Le refroidissement opérationnel: humidification des surfaces».
La rapidité des calculs a toutefois un prix: TARGET ne tient pas compte du brassage horizontal de l’air (advection), et les interventions testées sont idéalisées. Les effets de refroidissement calculés doivent donc être considérés comme des valeurs indicatives maximales.

Refroidissement structurel: les arbres

Les arbres constituent le levier infrastructurel le plus efficace pour le refroidissement, car ils fournissent de l’ombre tout en évaporant de l’eau par leurs feuilles. Deux facteurs sont régulièrement sous-estimés dans ces performances de refroidissement: la disponibilité en eau et le temps.

Eau

Des simulations multi-échelles avec validation empirique montrent que le refroidissement par évaporation est au moins aussi efficace que l’ombrage, à condition que le sol soit humide [16]. Si l’irrigation maintient le sol à sa capacité au champ et si le couvert forestier est suffisant, il est possible d’atteindre un état «sans stress thermique» dans les zones à faible densité de construction lors de journées d’été moyennes. Dans une zone ouverte et peu bâtie (généralement désignée dans la littérature comme la zone climatique locale LCZ 6 [9]), environ six arbres suffisent à cet effet. Dans une zone ouverte à bâtissage modéré (LCZ 5), il en faut environ 26 ou plus, et ce uniquement en cas d’irrigation active [16].

Dans les zones les plus denses (les plus compactes) (LCZ 2), cet état «sans stress thermique» était en revanche pratiquement impossible à atteindre. Lors d’une journée de chaleur extrême, même une couverture de cimes maximale et une irrigation à plein débit ne suffisaient pas à éliminer complètement le stress thermique; il était toutefois possible de réduire l’intensité de ce stress, le faisant passer de «très fort» à «fort». Il est intéressant de noter que l’évaporation peut contribuer davantage au confort thermique qu’on ne le pensait jusqu’à présent, mais uniquement tant que l’humidité du sol reste au-dessus d’un seuil critique [16]. L’humidité du sol est donc le facteur limitant et doit être explicitement prise en compte dans la planification.

Temps

Les données satellitaires permettent de quantifier le temps nécessaire à une végétalisation pour fournir une capacité de refroidissement stable; le projet introduit à cet effet le terme Cooling Establishment Time [7]. Les arbres et les plantes grimpantes ont besoin d’environ sept à dix ans, tandis que les pelouses ou les systèmes irrigués ne nécessitent qu’un à trois ans. L’irrigation accélère à la fois la mise en place et le refroidissement. Voir également à ce sujet la figure 3.

En d’autres termes: le refroidissement issu des plantations d’aujourd’hui ne produira pleinement ses effets que dans une décennie. Ce constat est un élément central lorsqu’il s’agit d’atténuer rapidement une vague de chaleur aiguë. C’est précisément là qu’intervient un argument en faveur du rafraîchissement opérationnel: des systèmes irrigués, qui s’établissent rapidement, peuvent faire le pont jusqu’à ce que les arbres plantés déploient pleinement leur effet.

En Suisse, ce constat revêt une importance particulière: les arbres de rue situés dans des zones densément urbanisées n’atteignent souvent que 20 à 25 ans. Il est donc essentiel de permettre une croissance optimale des arbres: Ainsi, dans son approche «Ville-éponge pour les arbres», la ville de Berne recommande de prévoir, dans la mesure du possible, environ 36 m³ d’espace racinaire, eau stockée comprise, par arbre, alors qu’aujourd’hui, dans de nombreux endroits, seule une fraction de cet espace est disponible [17]. 

Deux limites subsistent: les groupes d’arbres simulés correspondent à des cas idéaux et favorables, et l’effet de refroidissement se fait surtout sentir directement sous la canopée, et très peu dans les environs plus éloignés. Les valeurs répertoriées dans la figure 3 et le tableau 1 doivent donc être considérées comme des potentiels.

Refroidissement opérationnel: Humidification des surfaces

Là où la végétalisation n’est pas possible, par exemple dans les canyons urbains étroits ou sur des surfaces sans espace de plantation, l’humidification des revêtements peut fournir un refroidissement par évaporation à la demande. L’humidification active est par ailleurs une ancienne tradition estivale, pratiquée depuis des siècles au Japon sous le nom d’«Uchimizu».

Des essais et des modélisations montrent que l’humidification de surfaces imperméables permet de réduire la température de surface jusqu’à 15 °C et la température de l’air jusqu’à 2 °C [18].
Le projet a étudié les quantités d’eau à utiliser, le moment et la fréquence d’arrosage à l’aide d’une optimisation multicritères. Cette méthode identifie les stratégies qui équilibrent de manière optimale l’effet de refroidissement et la consommation d’eau, et couvre ainsi 48 combinaisons issues de six types de climat global et de huit zones climatiques locales.

Trois conclusions revêtent une importance particulière pour la pratique [13]. Premièrement, des quantités d’eau modérées, de l’ordre de 2 à 5 mm par jour, permettent d’exploiter la majeure partie du potentiel de refroidissement; au-delà, le bénéfice supplémentaire diminue rapidement. Deuxièmement, le moment et la fréquence sont plus importants que la quantité brute: un arrosage fréquent et bien cadencé avec peu d'eau est plus efficace que des apports rares et intensifs. Troisièmement, le climat ambiant détermine l’ampleur du refroidissement possible (les conditions de chaleur sèche offrent le plus grand potentiel), tandis que la géométrie de l’espace routier détermine le moment optimal.

Cela soulève la question de la consommation d’eau: une application à grande échelle correspond, selon la surface arrosée, à environ 30 à 200 litres par personne et par jour [13]. Il s’agit là de quantités substantielles, qui coïncident souvent avec des périodes de sécheresse, comme ce fut le cas lors de la canicule de l’été 2026. L’eau potable n’entre donc en ligne de compte que dans des cas particuliers (par exemple, un réseau d’approvisionnement en eau de lac bien développé). La faisabilité de telles mesures dépend des sources d’eau disponibles. L’eau de pluie stockée, provenant par exemple d’un bassin de rétention ou d’un étang, est idéale à cet effet. C’est là que le principe de la «ville-éponge» s’applique directement dans la pratique: l’eau de pluie stockée est utilisée de manière ciblée pour le rafraîchissement lors des journées de forte chaleur.
En Suisse, de telles mesures sont déjà à l’essai. La ville de Zurich a intégré la réduction de la chaleur dans ses plans d’aménagement [19] et teste notamment des applications de pulvérisation et d’humidification des revêtements dans l’espace public. «Heat-Down» fournit à cet effet la base quantitative: le «combien, quand et à quelle fréquence».

Le message central du projet devient ainsi concret: la végétalisation structurelle et l’arrosage opérationnel ne sont pas des alternatives, mais se complètent. Là où l’espace et le temps manquent pour planter des arbres, l’humidification prend le relais; là où les arbres peuvent pousser, l’eau stockée garantit leur effet rafraîchissant (Fig. 4).