L'eau suit partout le même cycle : pluie, ruissellement ou infiltration, recharge des nappes ou alimentation des cours d'eau, évapotranspiration, condensation, pluie à nouveau. Ce cycle est unique. La note Un seul cycle de l'eau établit ce cadre de départ : il n'y a pas un « grand cycle naturel » et un « petit cycle artificiel », mais un cycle dont l'un des segments a été équipé de tuyaux. Ce que l'hydrologie urbaine mesure, c'est la façon dont cet équipement modifie les flux physiques.
Ce que la ville modifie, c'est la proportion de chaque flux à l'intérieur du cycle. Sur un bassin naturel en région tempérée, l'évapotranspiration absorbe environ 40 à 50 % des précipitations, l'infiltration en restitue 25 à 40 % aux nappes et aux cours d'eau souterrains, et le ruissellement de surface représente en général 10 à 30 %. Ces proportions sont celles que la végétation, les sols vivants et la topographie produisent à l'équilibre. L'urbanisation les renverse.
Le premier effet de l'urbanisation est mécanique. Les surfaces imperméables, béton, asphalte, toitures, empêchent l'eau d'atteindre le sol. Là où le sol naturel absorbait une partie de la pluie, la surface bétonnée la renvoie intégralement en surface.
Le résultat est documenté depuis les années 1970 dans les bassins versants expérimentaux : dès que le taux d'imperméabilisation d'un bassin dépasse 10 à 15 %, les réponses hydrologiques changent de régime (Leopold, 1968 ; Schueler, 1994).
Sur un bassin urbanisé à 75 à 80 %, la partition peut ressembler à ceci : l'évapotranspiration chute à 25 à 30 %, faute de végétation et de sol vivant capables d'intercepter et de restituer l'eau vers l'atmosphère ; l'infiltration profonde vers les nappes tombe à 5 à 15 % ; le ruissellement de surface monte à 55 à 70 %. Ces ordres de grandeur sont cohérents avec ceux rapportés par Marsalek et al. (2006) pour les villes d'Europe et d'Amérique du Nord. Ils varient selon le type d'urbanisation (pavillonnaire avec jardins contre centre-ville dense), le climat, la nature du substrat géologique et la présence ou l'absence d'infrastructure de gestion des eaux pluviales.
La conséquence directe est une accélération des crues. Le temps de concentration d'un bassin, c'est-à-dire le temps que met la pluie tombée aux points les plus éloignés pour atteindre l'exutoire, diminue fortement avec l'imperméabilisation. Sur un bassin naturel de quelques km², ce temps peut être de plusieurs heures ; sur le même bassin urbanisé avec un réseau pluvial actif, il peut tomber à quelques dizaines de minutes. Le pic de crue est donc plus fort et survient plus tôt, ce qui rend les crues urbaines à la fois plus intenses et plus difficiles à anticiper. Ces phénomènes sont décrits en détail dans l'article L'imperméabilisation et le ruissellement.
L'imperméabilisation coupe aussi l'alimentation des nappes phréatiques. Dans un bassin naturel, la pluie qui s'infiltre alimente la zone non saturée du sol, puis percole lentement vers la nappe. Ce flux, appelé recharge, est la ressource que la nappe consomme en continu pour alimenter les sources, les cours d'eau de base et les puits.
Quand l'imperméabilisation supprime l'infiltration, la recharge s'effondre. Les conséquences sont graduelles mais cumulatives : les niveaux piézométriques descendent au fil des années, les sources tarissent, les cours d'eau qui étaient alimentés par la nappe voient leur étiage s'intensifier. Foster et al. (1999) ont documenté ce phénomène dans plusieurs agglomérations d'Amérique latine, et les travaux sur les aquifères sous-jacents aux agglomérations européennes confirment des tendances similaires.
L'effet inverse peut aussi se produire, et il est souvent ignoré : dans certains contextes urbains, les réseaux d'eau potable et d'assainissement qui fuient alimentent les nappes de façon artificielle et maintiennent des niveaux piézométriques inhabituellement hauts. Des travaux conduits dans des villes européennes ont montré que ces fuites peuvent représenter une part notable de la recharge totale de la nappe sous l'agglomération. Réhabiliter les réseaux peut alors provoquer un abaissement inattendu de la nappe, avec des effets sur les fondations et les sous-sols. Ces interactions entre réseaux et nappes constituent l'un des aspects les plus complexes de l'hydrologie urbaine.
Les cours d'eau qui traversent ou jouxtent les zones urbanisées reçoivent les conséquences de cette redistribution. La crue est plus fréquente, plus intense, plus brève. Les débits d'étiage, en l'absence de recharge suffisante des nappes, tendent à baisser. Les polluants de toute nature, huiles, métaux lourds, microplastiques, pesticides de désherbage des voiries, rejoignent le cours d'eau par les eaux de ruissellement ou par les déversoirs d'orage qui libèrent les eaux unitaires par temps de pluie. La morphologie même du lit peut être modifiée : les crues plus fréquentes et plus énergétiques érodent les berges, creusent le lit et perturbent les habitats aquatiques.
L'ensemble de ces perturbations cumulées constitue ce que Walsh et al. (2005) ont nommé l'« urban stream syndrome », décrit dans l'article L'urban stream syndrome. Ce syndrome ne se réduit pas à un seul facteur : c'est la combinaison de l'hydrologie modifiée, de la qualité dégradée et du substrat perturbé qui produit un état caractéristique des cours d'eau en milieu urbain, souvent très éloigné du bon état écologique exigé par la directive cadre sur l'eau de 2000.
La distinction entre un bassin versant « urbain » et un bassin « naturel » est moins tranchée qu'elle n'y paraît. Une zone péri-urbaine pavillonnaire à 40 % d'imperméabilisation produit des comportements hydrologiques proches d'un centre-ville dense. Une prairie en lisière d'agglomération reste un maillon actif du cycle même si elle n'est pas classée comme « espace naturel » au sens réglementaire. Et un village rural dont les chemins agricoles ont été goudronnés dans les années 1970 peut présenter, lors des épisodes pluvieux intenses, des dynamiques de ruissellement proches d'un bassin urbanisé.
C'est pourquoi l'hydrologie urbaine travaille plutôt en termes de taux d'imperméabilisation et de connectivité hydraulique qu'en termes de catégories foncières. Ce que Schueler (1994) et Walsh et al. (2005) ont montré, c'est que les seuils d'imperméabilisation à partir desquels les comportements hydrologiques et écologiques changent de régime sont relativement bas : 10 à 15 % pour les premiers signes, 25 à 30 % pour une dégradation avérée des cours d'eau récepteurs. Ces seuils sont atteints bien avant que l'urbanisation soit visible à l'œil, dans des communes qui se perçoivent encore comme « rurales ».
L'hydrologie urbaine travaille avec des séries temporelles de mesures : pluies, débits, niveaux de nappes. Ces séries sont analysées dans l'hypothèse classique de stationnarité, c'est-à-dire l'hypothèse que les propriétés statistiques d'une variable ne changent pas au cours du temps. Cette hypothèse permet de calculer des périodes de retour, de dimensionner des ouvrages, de classer un événement.
Dans le contexte actuel, cette hypothèse est remise en cause par deux forçages distincts qui opèrent simultanément. Le changement climatique modifie les régimes de précipitation. Le changement d'usage des sols modifie les réponses hydrologiques aux mêmes pluies : la même averse produit un ruissellement plus fort sur un bassin qui s'est urbanisé depuis que la série de mesures a commencé. Milly et al. (2008) ont posé le problème en ces termes dans Science : « Stationarity is dead ».
Pour l'hydrologie urbaine, cette non-stationnarité a des conséquences pratiques. Les périodes de retour calculées sur des séries historiques peuvent sous-estimer les fréquences réelles des événements futurs, d'autant plus que ces séries mélangent des décennies d'urbanisation progressive. Dimensionner un réseau d'assainissement ou un bassin de rétention à partir de données anciennes, sans tenir compte de l'évolution du bassin versant et du climat, revient à concevoir un ouvrage pour un bassin qui n'existe plus. Ces questions sont au cœur de l'article Mesurer l'eau en ville.
