L'imperméabilisation est le phénomène par lequel un sol naturel, capable d'absorber l'eau de pluie, est recouvert d'une surface étanche qui interdit toute infiltration. Le ruissellement en est la conséquence immédiate : l'eau qui ne peut pas descendre dans le sol s'écoule en surface. Ces deux phénomènes sont indissociables, et c'est leur combinaison qui explique la plupart des problèmes hydrologiques des villes contemporaines.
Le glossaire propose des définitions courtes pour les deux termes : imperméabilisation et ruissellement. Cet article va plus loin, en examinant le mécanisme physique, ses effets en chaîne et les ordres de grandeur disponibles dans la littérature publique.
Sur un sol naturel végétalisé, la pluie suit plusieurs chemins simultanément. Une partie est interceptée par les feuilles et les tiges et s'évapore avant d'atteindre le sol (interception). Une partie s'infiltre dans le sol et alimente soit la végétation (eau du sol), soit les nappes phréatiques (percolation profonde). La partie restante ruisselle en surface, soit parce que l'intensité de la pluie dépasse la capacité du sol à l'absorber (ruissellement hortonien, décrit par Robert E. Horton à partir de ses expériences des années 1930 et 1940), soit parce que le sol est saturé (ruissellement par saturation). Dans des conditions normales, ce ruissellement est limité.
Sur une surface imperméable, il n'y a plus ni infiltration ni interception efficace. La totalité de la pluie, après déduction de la faible rétention des surfaces planes et des légères pertes par évaporation, se retrouve en ruissellement.
La relation entre taux d'imperméabilisation et coefficient de ruissellement est documentée de longue date. Schueler (1994) a montré, à partir d'une compilation de données sur des bassins versants urbains d'Amérique du Nord, qu'au-delà d'un taux d'imperméabilisation de 10 %, le comportement hydrologique du bassin commence à diverger significativement d'un bassin naturel, et qu'au-delà de 25 à 30 %, les cours d'eau récepteurs entrent dans un régime dégradé.
Chocat et al. (1997) et, plus récemment, Chocat et al. (2022) dans la revue Techniques Sciences Méthodes, ont contribué à préciser et à homogénéiser la terminologie dans le domaine de la gestion des eaux pluviales urbaines. La notion d'imperméabilisation directe (surfaces qui rejettent l'eau vers un réseau ou vers un cours d'eau sans aucune interception) et d'imperméabilisation indirecte (surfaces perméables mais connectées hydrauliquement à un réseau) est utile pour comprendre pourquoi l'effet du taux d'imperméabilisation brut peut être trompeur : un jardin non connecté et un parking directement branché sur le réseau pluvial n'ont pas du tout le même effet sur le ruissellement.
La conséquence la plus visible de l'imperméabilisation sur le régime des crues est l'accélération. Dans un bassin naturel, l'eau progresse lentement à travers le sol et les zones ripariennes avant d'atteindre le cours d'eau ; ce temps de transit naturel amortit les pics de crue. Dans un bassin urbanisé équipé d'un réseau pluvial, les eaux de ruissellement sont directement conduites, à grande vitesse, depuis les surfaces imperméables jusqu'au cours d'eau récepteur. Le temps de concentration du bassin s'effondre.
Leopold (1968) a mis en évidence, à partir de données sur des bassins versants de la région de Washington, que le débit de pointe d'une crue peut être multiplié par 2 à 6 selon le niveau d'urbanisation du bassin, pour un même événement pluvieux. Ces ordres de grandeur ont été confirmés depuis par de nombreuses études sur d'autres contextes géographiques.
En France, des résultats similaires ont été observés sur des bassins versants expérimentaux. Les bassins versants instrumentés gérés par des organismes publics (INRAE, anciennement Irstea) ont fourni des séries de mesures qui permettent de comparer des bassins avant et après urbanisation, ou de distinguer le comportement de bassins à différents degrés d'imperméabilisation dans un même contexte climatique.
La rapidité des crues urbaines a une implication directe pour l'alerte : le temps disponible entre le début d'une pluie intense et la montée des eaux en zone basse peut se compter en minutes dans les bassins très urbanisés. Les systèmes d'alerte précoce et les modèles de prévision hydrologique urbaine doivent intégrer cette contrainte temporelle, bien différente de celle des crues de rivière à cinétique lente sur les grands bassins.
Le ruissellement de surface ne transporte pas que de l'eau. En traversant les voiries, les parkings, les toitures et les espaces urbains, il mobilise et transporte un ensemble de polluants accumulés entre deux événements pluvieux. Cette pollution de lessivage est l'une des préoccupations centrales de l'hydrologie urbaine de la qualité.
Les sources de polluants sont nombreuses et documentées : les hydrocarbures issus du trafic routier, les métaux lourds (zinc, cuivre, plomb, cadmium) provenant de l'usure des pneumatiques, des freins et des toitures métalliques, les microplastiques, les produits phytosanitaires utilisés sur les espaces verts urbains et les voiries, les matières en suspension. Dans les réseaux unitaires qui collectent à la fois les eaux usées et les eaux pluviales, les épisodes de pluie provoquent des déversements d'eaux brutes par les déversoirs d'orage, qui rejettent directement dans les cours d'eau des mélanges d'eaux usées non traitées et d'eaux de ruissellement.
La notion de « premier flot » (en anglais first flush) désigne le phénomène par lequel les premiers volumes de ruissellement d'un épisode pluvieux sont souvent les plus concentrés en polluants, après une période sèche pendant laquelle les dépôts se sont accumulés sur les surfaces. Ce phénomène, bien documenté pour les métaux lourds et les matières en suspension, est plus variable pour d'autres polluants ; sa réalité et son intensité dépendent fortement du type de surface, du délai entre deux pluies et de l'intensité de l'événement. Bertrand-Krajewski et al. (1998) ont contribué à préciser les conditions dans lesquelles l'effet premier flot est avéré et celles dans lesquelles il est absent.
Le ruissellement urbain est également un agent d'érosion. Sur les surfaces en construction, où les sols sont mis à nu, le ruissellement peut mobiliser des volumes importants de sédiments fins qui rejoignent les cours d'eau récepteurs. Les sites en chantier sont, à surface égale, parmi les sources de sédiments les plus actives dans un bassin versant urbanisé : les taux d'érosion sur ces surfaces peuvent dépasser de plusieurs ordres de grandeur ceux des surfaces végétalisées ou construites stabilisées.
Dans les cours d'eau récepteurs, l'apport de sédiments fins se traduit par un colmatage des substrats aquatiques (graviers et cailloux du lit) qui détruit les habitats de ponte des poissons et des macroinvertébrés. Cette perturbation physique s'ajoute aux perturbations hydrologiques et chimiques pour produire l'état dégradé des cours d'eau urbains que l'article L'urban stream syndrome décrit.
En France, les données sur l'imperméabilisation à l'échelle nationale sont principalement issues des travaux du Cerema sur l'artificialisation des sols, fondés sur la base de données Corine Land Cover et, depuis 2019, sur les données de l'Observatoire de l'artificialisation des sols (base OCSGE) en lien avec la loi Climat et Résilience.
Selon les données du Cerema, la France consommait entre 20 000 et 24 000 hectares de sols par an sur la période 2011-2021 (moyenne, données Cerema). Cette artificialisation n'est pas synonyme d'imperméabilisation totale (un sol artificialisé peut encore partiellement s'infiltrer), mais elle en constitue une approximation utile pour les tendances nationales. L'objectif de zéro artificialisation nette (ZAN) fixé par la loi Climat et Résilience de 2021 à l'horizon 2050, avec un objectif intermédiaire de diviser par deux le rythme d'artificialisation sur la décennie 2021-2031, constitue le principal levier réglementaire actuel.
À l'échelle locale, les études spécifiques sur des bassins versants ou des agglomérations fournissent des données plus précises. Les schémas directeurs d'assainissement et les plans de gestion des eaux pluviales élaborés par les collectivités contiennent des diagnostics d'imperméabilisation par sous-bassin versant. Ces documents, bien que d'accès variable, sont une source utile pour les chiffres locaux.
