Même pluie, mais pourquoi la rue se transforme-t-elle en rivière si vite en ville ?
― Un sol sans terre laisse, en une heure, l'équivalent de 100 piscines sans nulle part où aller
En montagne ou dans les champs, même une pluie forte finit par s'infiltrer dans le sol. En ville, pourtant, la même intensité de pluie transforme vite la rue en rivière. La quantité tombée est identique. Ce qui change, c'est un chiffre peu connu : combien de millimètres le sol peut absorber en une heure.
Un soir d'été, une pluie soudaine et violente se met à tomber. En moins de dix minutes, l'eau se met à courir bruyamment le long de la chaussée.
Au même moment, dans un petit bois un peu plus loin, la même pluie tombe. Mais le sol de la forêt, bien que détrempé, ne laisse ruisseler aucune eau.
Il n'y a qu'un seul nuage. La quantité tombée est la même. Et pourtant, un seul des deux endroits se change en rivière.
Il n'y a que deux raisons
La terre absorbe l'eau, mais pas à une vitesse infinie. Il existe un plafond : le nombre de millimètres qu'elle peut absorber en une heure. Si la pluie est plus faible que ce plafond, l'eau disparaît dans le sol.
L'asphalte et le béton n'ont pas d'interstices pour laisser passer l'eau. Leur vitesse d'absorption étant quasi nulle, presque toute la pluie tombée ruisselle en surface. Tout est alors confié aux canalisations d'évacuation.
Dans les deux cas, il s'agit d'une question de « vitesse », pas de « quantité ». C'est, je pense, le point le plus difficile à saisir dans ce phénomène. Ce n'est pas la taille du seau qui compte, mais la largeur de son goulot.
À quelle vitesse la terre peut-elle absorber l'eau ?
La vitesse maximale à laquelle un sol peut absorber l'eau s'appelle, techniquement, la capacité d'infiltration. Son unité est la même que pour la pluie : millimètres par heure. Pour une terre forestière bien entretenue, on connaît des valeurs supérieures à 50 mm par heure ; pour une cour d'école bien tassée, plutôt de l'ordre de 10 mm par heure.
Comparez ce chiffre à l'intensité de la pluie. Si la météo annonce « 30 mm en une heure », la forêt peut presque tout absorber, tandis que sur un sol tassé, les deux tiers débordent. Une même pluie montre donc un visage différent selon le sol qui la reçoit.
Regardez la figure 1. À gauche, un sol en terre ; à droite, un sol goudronné. La quantité de pluie qui tombe est identique.
En ville, où va donc cette eau ?
L'eau qui n'a pas pu s'infiltrer ne disparaît pas pour autant. Elle se rassemble en suivant la pente de la chaussée, entre dans les caniveaux puis dans les égouts. Le réseau d'évacuation des villes est conçu en partant du principe qu'il devra évacuer cette eau.
Mais cette conception a elle aussi un plafond. Les égouts de nombreuses villes sont dimensionnés, dit-on, pour évacuer environ 50 mm de pluie par heure. Au-delà, l'eau ne peut plus entrer entièrement dans les canalisations et commence à s'accumuler dans les points bas.
C'est pourquoi les flaques urbaines se forment toujours aux mêmes endroits : au bas d'une pente, sous un passage sous voie ferrée, devant un escalier menant à un sous-sol. Un point bas donne toujours la même réponse, pluie après pluie.
Certains trottoirs et parkings récents utilisent un revêtement volontairement conçu pour laisser passer l'eau. Il existe aussi des dispositifs qui stockent temporairement l'eau de pluie dans des bassins souterrains avant de la relâcher lentement. Dans les deux cas, il s'agit de tentatives humaines pour retrouver cette « vitesse d'absorption de la terre » qui a été perdue.
Quand une rue est inondée, même si le couvercle d'un caniveau a été soulevé, on ne le voit pas à la surface de l'eau. La profondeur non plus n'est pas visible à l'œil. Les passages souterrains et parkings en sous-sol sont des endroits où l'eau s'accumule facilement : par forte pluie, n'en approchez pas et déplacez-vous vers un point haut. Si vous sentez un danger, comme une personne bloquée, n'hésitez pas à appeler les secours.
En résumé
Si la rue se transforme en rivière en ville, ce n'est pas parce que la pluie y est particulièrement abondante. C'est parce que ce terrain a perdu sa « vitesse d'absorption de l'eau ». La terre, ce réceptacle invisible, ne peut plus jouer son rôle sous le revêtement.
Le problème, ce n'est pas la quantité tombée.
C'est combien de millimètres le sol peut absorber en une heure.
Quand le sol des villes change, ce n'est pas seulement la pluie qui change, mais aussi la température. Lisez aussi Pourquoi les villes sont-elles si chaudes ? ― L'écart est plus grand la nuit que le jour pour saisir l'ensemble des effets du revêtement urbain. Pour approfondir la relation entre la terre et l'eau, voir aussi Pourquoi les glissements de terrain se produisent-ils parfois après l'arrêt de la pluie ?
- Préparez une bouteille en plastique sans fond (coupée en haut et en bas, en forme de tube). Enfoncez-la de quelques centimètres, goulot vers le bas, dans la terre d'un jardin ou d'un parc.
- Versez de l'eau dans le tube et chronométrez le temps que met le niveau à baisser de 2 centimètres. À partir du temps que met une baisse de 10 centimètres, vous pouvez estimer combien de millimètres par heure le sol absorbe.
- Comparez ainsi la terre tassée au bord d'une allée piétonne avec celle, sous un arbre, couverte de feuilles mortes. La terre intacte devrait absorber bien plus vite.
※ Ne faites pas cela sur un terrain qui ne vous appartient pas. Après l'expérience, rebouchez le trou pour remettre le sol en l'état.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières spécialisées de l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeContenu vu en sciences au collège
- LycéeContenu vu en « sciences de la Terre, tronc commun » au lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéNon vu au lycée : contenu de matières spécialisées universitaires (hydrologie, génie fluvial)
- RechercheNon encore enseigné comme « établi » même à l'université : sujet actuellement à l'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Infiltration : le fait que l'eau de surface pénètre dans le sol en passant par les interstices de la terre. La vitesse dépend du nombre d'interstices et de la quantité d'eau déjà présente.
- Capacité d'infiltration : le plafond de profondeur d'eau qu'un sol peut absorber en une heure. Son unité est le millimètre par heure, directement comparable à l'intensité de la pluie.
- Ruissellement de surface : l'eau qui, faute de pouvoir s'infiltrer, s'écoule à la surface du sol. La part de la pluie tombée qui devient ruissellement de surface s'appelle le coefficient de ruissellement.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien de tonnes d'eau s'écoulent en une heure depuis 1 km² de ville ?
Calculons concrètement l'écart de ruissellement entre une forêt et une ville lors d'une heure de pluie violente.
| En symboles | Q ＝ C × r × A |
| En mots | Volume d'eau ruisselée ＝ coefficient de ruissellement × intensité de la pluie × surface |
| D'où vient cette formule | C'est une conservation de la quantité d'eau : l'eau tombée se répartit entre ce qui s'infiltre, ce qui s'accumule et ce qui ruisselle. Pour une pluie forte et courte, l'évaporation est quasi négligeable, et la part non infiltrée devient directement du ruissellement. Cette forme de formule s'appelle la formule rationnelle. |
| Q | Volume d'eau ruisselée en une heure. Unité : mètre cube |
| C | Coefficient de ruissellement. Part de la pluie tombée qui ruisselle, sans unité |
| r | Intensité de la pluie. Unité : mètre par heure (millimètres par heure divisés par 1000) |
| A | Surface du terrain recevant la pluie. Unité : mètre carré |
| Intensité de la pluie | 50 mm en une heure (intensité que l'Agence météorologique japonaise qualifie de « pluie très violente ») |
| Surface du terrain | 1 kilomètre carré ＝ 1 000 000 mètres carrés |
| Coefficient de ruissellement d'une zone urbaine très bétonnée | environ 0,9 |
| Coefficient de ruissellement d'une forêt ou d'un champ | environ 0,2 |
| Volume d'une piscine de 25 mètres | environ 360 mètres cubes |
| Convertir la hauteur de pluie en mètres | 50 ÷ 1000 ＝ 0,05 |
| Volume d'eau tombée en une heure (mètres cubes) | 0,05 × 1 000 000 ＝ 50 000 |
| Volume ruisselé depuis la zone urbaine | 50 000 × 0,9 ＝ 45 000 |
| Volume ruisselé depuis la forêt ou le champ | 50 000 × 0,2 ＝ 10 000 |
| La différence | 45 000 － 10 000 ＝ 35 000 |
| Combien de piscines pour le volume urbain ? | 45 000 ÷ 360 ＝ 125 |
③ Pour se le représenter : pour une même pluie, la ville laisse ruisseler 4,5 fois plus d'eau que la forêt. La différence, 35 000 mètres cubes, représente environ 97 piscines de 25 mètres. Toute cette eau doit être évacuée en une heure, uniquement par les caniveaux et les égouts. Si les villes débordent si facilement, la cause n'est pas la quantité de pluie, mais cette proportion.
LycéeLycée+La vitesse d'absorption change pendant la pluie elle-même
LycéeUne terre sèche absorbe d'abord l'eau avec vigueur. Comme les interstices ne contiennent que de l'air, l'eau y est attirée non seulement par la gravité, mais aussi par la force qui aspire l'eau dans les fins interstices. Cette force s'appelle la force capillaire.
Lycée+Mais à mesure que les interstices se remplissent d'eau, cette force d'aspiration s'affaiblit, la vitesse d'absorption diminue et finit par se stabiliser à une valeur constante. Cette valeur stabilisée se rapproche du coefficient de perméabilité du sol. C'est pourquoi, lors d'une pluie longue, le ruissellement augmente soudainement à un moment donné. Pour une même intensité de pluie, le sol ne se comporte pas de la même façon au début et deux heures plus tard.
UniversitéÉvolution temporelle de la capacité d'infiltration et prévision du ruissellement
La baisse de la capacité d'infiltration au fil du temps est décrite par l'équation d'infiltration de Horton. Elle prend la forme d'un écart entre la capacité d'infiltration initiale et la capacité finale qui décroît exponentiellement avec le temps. En la combinant avec les relevés de précipitations, on peut prévoir le moment où le ruissellement de surface commencera. Une approche plus physique résout le mouvement de l'eau dans le sol via l'équation de Richards, une équation aux dérivées partielles. La formule rationnelle utilisée dans le corps de l'article est une simplification extrême de ces calculs, réduite à « un seul coefficient », et elle reste aujourd'hui encore largement utilisée sur le terrain, dans la conception des ouvrages.
📖 Pour la dérivation de la formule et pour aller plus loin : Formule rationnelle (Wikipédia japonais) ／ Capacité d'infiltration (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore vraiment élucidé
- La détermination du coefficient de ruissellement. Les valeurs utilisées sur le terrain sont surtout établies empiriquement, à partir d'observations passées. Il n'existe pas encore de méthode physique établie pour déterminer vers quelle valeur se déplacer quand l'usage d'un terrain change.
- L'augmentation des pluies intenses de courte durée. Quand la température augmente, l'air peut contenir plus de vapeur d'eau, mais dans quelle mesure cela renforce l'intensité horaire des pluies reste très variable selon les régions, et fait l'objet de recherches en cours.
- La durée de vie des revêtements perméables. Leurs performances baissent quand les interstices se colmatent avec de la terre ou de la poussière. On manque encore d'observations à long terme sur leur durabilité réelle en ville et sur l'entretien nécessaire pour les restaurer.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi reste « une explication dans les limites de ce qui est connu aujourd'hui ». Le coefficient de ruissellement utilisé n'est qu'un repère représentatif ; il varie fortement selon le type de sol et la pente réels du terrain.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Évolution du sol / Nature et société humaine | Interstices du sol et infiltration de l'eau, usage des sols et catastrophes |
| Lycée | Sciences de la Terre, tronc commun・Eau et atmosphère terrestres | Cycle de l'eau et devenir de la pluie tombée |
| Lycée+ | Physique approfondie・Tension superficielle / capillarité | Pourquoi une terre sèche absorbe rapidement, seulement au début |
| Université | Hydrologie・Génie fluvial | Formule rationnelle, équation d'infiltration de Horton, équation de Richards |
| Recherche | Hydrologie urbaine・Évaluation de l'impact du changement climatique | Détermination physique du coefficient de ruissellement, évolution future des pluies intenses de courte durée |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Repérer les zones sujettes aux inondations, décider de ses déplacements les jours de pluie |
- 合理式 - Formule rationnelle (Wikipédia japonais) : formule d'estimation du débit de pointe et signification du coefficient de ruissellement
- 浸透能 - Capacité d'infiltration (Wikipédia japonais) : définition de la capacité d'infiltration et son évolution dans le temps
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Intensité de la pluie et façons de pleuvoir » : classification des précipitations horaires et description des situations correspondantes
- Société japonaise de génie civil (土木学会編), « Recueil de formules hydrauliques » (水理公式集) : valeurs représentatives du coefficient de ruissellement et domaine d'application de la formule rationnelle
- Société japonaise des sciences hydrologiques (日本水文科学会編), « Sciences hydrologiques » (水文科学) : traitement de base de l'infiltration et du ruissellement
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Le risque réel d'inondation varie fortement selon le terrain. Consultez la carte des risques (hazard map) publiée par votre collectivité, et suivez, en cas de pluie, les informations et instructions diffusées par l'Agence météorologique, votre collectivité et les services de secours.