Même pluie, pourquoi la route devient-elle vite une rivière en ville ?
― Un sol sans terre laisse sans issue l'équivalent de 100 piscines d'eau en une heure
En montagne ou dans un champ, le sol boit l'eau même sous une forte pluie. En ville, avec la même averse, la chaussée se change en rivière en un rien de temps. La quantité tombée est la même. Ce qui change, c'est un chiffre méconnu : combien de millimètres le sol peut absorber en une heure.
Un soir d'été, une pluie violente éclate soudain. En moins de dix minutes, l'eau court en grondant le long du bord de la chaussée.
Au même moment, un peu plus loin, la même pluie tombe sur un bois. Mais le sol du bois, bien que boueux, n'est parcouru par aucun ruissellement.
Il n'y a qu'un seul nuage. La quantité tombée est la même. Pourtant, un seul des deux lieux devient une rivière.
Il y a seulement deux raisons
Le sol boit l'eau, mais pas à une vitesse infinie. Il existe une limite, un nombre de millimètres par heure. Si la pluie est plus faible que cette limite, l'eau disparaît dans le sol.
L'asphalte et le béton n'ont pas d'interstices où l'eau puisse passer. Leur vitesse d'absorption est quasi nulle : presque toute la pluie ruisselle en surface. Tout repose alors sur les canalisations d'évacuation.
Dans les deux cas, il est question de « vitesse » et non de « quantité ». C'est sans doute le point le plus déroutant de ce phénomène. Ce qui compte, ce n'est pas la taille du seau, mais la largeur de son goulot.
À quelle vitesse un sol absorbe-t-il l'eau ?
La vitesse maximale à laquelle un sol peut absorber l'eau s'appelle, en termes techniques, la capacité d'infiltration. Elle s'exprime en millimètres par heure, comme la pluie. On connaît des valeurs de plus de 50 mm par heure pour le sol d'un bois bien entretenu, et d'environ 10 mm par heure pour une cour d'école bien tassée.
Comparez ces chiffres à l'intensité de la pluie. Si la météo annonce « 30 mm en une heure », le bois absorbe presque tout, mais un sol tassé déborde aux deux tiers. La même pluie montre un visage différent selon le sol.
Regardez la figure 1. À gauche, un sol de terre ; à droite, un sol revêtu. La pluie qui tombe est la même.
En ville, où va cette eau ?
La pluie qui n'a pas pu s'infiltrer ne disparaît pas. Elle se rassemble en suivant la pente de la route, entre dans les caniveaux, puis dans les égouts. Le drainage d'une ville est conçu pour évacuer cette eau.
Mais cette conception a elle aussi ses limites. Dans beaucoup de villes, les égouts sont censés évacuer des pluies d'environ 50 mm par heure. Au-delà, l'eau ne rentre plus dans les conduites et commence à s'accumuler dans les points bas.
C'est pourquoi les flaques urbaines se forment toujours aux mêmes endroits : en bas d'une pente, sous un passage sous les rails, devant un escalier vers le sous-sol. La faible altitude d'un lieu donne la même réponse à chaque pluie.
On utilise parfois, pour les trottoirs et les parkings récents, des revêtements conçus pour laisser passer l'eau. Certains systèmes stockent d'abord l'eau de pluie dans des bassins souterrains, puis la relâchent lentement. Dans les deux cas, on cherche à rendre artificiellement au sol la vitesse d'absorption qu'il a perdue.
Quand une route est inondée, un couvercle de caniveau peut avoir disparu sans qu'on le voie sous l'eau. La profondeur est aussi impossible à juger à l'œil. Les passages souterrains et les parkings en sous-sol attirent l'eau : par forte pluie, n'y allez pas et gagnez un endroit en hauteur. Si vous sentez un danger, par exemple si quelqu'un est bloqué, appelez sans hésiter les secours (le 119 au Japon ; en France, le 18 ou le 112).
En résumé
Si les routes deviennent des rivières en ville, ce n'est pas parce que la pluie est exceptionnelle. C'est parce que le lieu a perdu sa « vitesse d'absorption de l'eau ». Le réceptacle invisible qu'est le sol ne peut plus travailler sous le revêtement.
Le problème n'est pas la quantité tombée.
C'est le nombre de millimètres que le sol absorbe en une heure.
Quand le sol d'une ville change, il n'y a pas que la pluie : la température change aussi. Lisez aussi Pourquoi les villes sont-elles chaudes ? ― L'écart est plus grand la nuit que le jour pour voir l'ensemble des effets du revêtement. Et pour en savoir plus sur les liens entre sol et eau, voyez Pourquoi les glissements de terrain surviennent-ils aussi après la fin de la pluie ?
- Préparez une bouteille en plastique sans fond (coupée en haut et en bas pour faire un tube). Enfoncez-la de quelques centimètres dans la terre d'un jardin ou d'un parc, le côté du goulot vers le bas.
- Versez de l'eau dans le tube et chronométrez le temps que met le niveau à baisser de 2 cm. À partir du temps mis par 10 cm d'eau pour descendre, on peut estimer approximativement combien de millimètres sont absorbés par heure.
- Refaites la même chose avec la terre tassée au bord d'un chemin, puis avec celle sous un arbre couverte de feuilles mortes. La terre intacte devrait absorber bien plus vite.
※ Ne le faites pas sur le terrain d'autrui. Après l'expérience, rebouchez le trou et remettez tout en état.
Pour aller plus loin ― termes, formules, liens avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de sciences de la Terre au lycée (niveau de base)
- Lycée+Lycée approfondi, ou encadré de manuel
- Univ.Matières spécialisées de l'université (hydrologie, ingénierie fluviale), non vues au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient encore, non enseignés comme acquis même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Infiltration : entrée de l'eau de surface dans le sol par ses interstices. Sa vitesse dépend du nombre d'interstices et de la quantité d'eau déjà présente.
- Capacité d'infiltration : hauteur maximale d'eau qu'un sol peut absorber en une heure. Son unité est le millimètre par heure. C'est un chiffre directement comparable à l'intensité de la pluie.
- Ruissellement de surface : eau qui coule en surface faute de pouvoir s'infiltrer. La part de la pluie qui devient ruissellement s'appelle le coefficient de ruissellement.
CollègeLycéeVérifions par la formule : combien de tonnes s'écoulent en une heure d'une ville de 1 km² ?
Calculons, chiffres à l'appui, de combien diffèrent les volumes qui s'écoulent d'un bois et d'une ville après une heure de forte pluie.
| En symboles | Q ＝ C × r × A |
| En mots | volume d'eau écoulé ＝ coefficient de ruissellement × intensité de la pluie × surface |
| D'où vient cette formule | C'est la conservation de la quantité d'eau : l'eau tombée se répartit entre ce qui s'infiltre, ce qui stagne et ce qui s'écoule. Lors d'une forte pluie brève, l'évaporation est presque négligeable, et ce qui n'a pas pu s'infiltrer devient directement du ruissellement. Cette forme de formule s'appelle la formule rationnelle. |
| Q | Volume d'eau qui s'écoule en une heure. Unité : mètre cube |
| C | Coefficient de ruissellement. Part de la pluie qui s'écoule ; sans unité |
| r | Intensité de la pluie. Unité : mètre par heure (valeur en mm/h divisée par 1000) |
| A | Surface du terrain qui reçoit la pluie. Unité : mètre carré |
| Intensité de la pluie | 50 millimètres par heure (intensité que l'Agence météorologique japonaise qualifie de « pluie très violente ») |
| Surface du terrain | 1 kilomètre carré ＝ 1000000 mètres carrés |
| Coefficient de ruissellement d'une zone urbaine très revêtue | environ 0,9 |
| Coefficient de ruissellement d'un bois ou d'un champ | environ 0,2 |
| Eau d'une piscine de 25 mètres | environ 360 mètres cubes |
| Convertir la hauteur de pluie en mètres | 50 ÷ 1000 ＝ 0.05 |
| Volume d'eau tombé en une heure (mètres cubes) | 0.05 × 1000000 ＝ 50000 |
| Volume qui s'écoule de la zone urbaine | 50000 × 0.9 ＝ 45000 |
| Volume qui s'écoule d'un bois ou d'un champ | 50000 × 0.2 ＝ 10000 |
| La différence | 45000 － 10000 ＝ 35000 |
| Le volume urbain en nombre de piscines | 45000 ÷ 360 ＝ 125 |
③ Pour se rendre compte : avec la même pluie, la ville rejette d'un coup 4,5 fois plus d'eau que le bois. La différence de 35000 mètres cubes représente environ 97 piscines de 25 mètres. Toute cette eau doit être évacuée en une heure par les seuls caniveaux et égouts. Si l'eau déborde si facilement en ville, c'est à cause de cette proportion, et non de la quantité de pluie.
LycéeLycée+La vitesse d'absorption change pendant la pluie
LycéeUn sol sec absorbe d'abord l'eau avec vigueur. Ses interstices ne contiennent que de l'air, et l'eau y est attirée non seulement par la gravité, mais aussi par la force d'aspiration des fins interstices. On appelle cette force la capillarité.
Lycée+Mais quand les interstices se remplissent d'eau, cette force d'aspiration faiblit, la vitesse d'absorption baisse et finit par se stabiliser. Cette valeur stabilisée se rapproche de la conductivité hydraulique du sol. C'est pourquoi, lors d'une pluie qui dure, le ruissellement augmente soudain en cours de route. À intensité égale, le sol ne se comporte pas de la même façon au début de la pluie et deux heures plus tard.
Univ.Évolution de la capacité d'infiltration et prévision du ruissellement
La façon dont la capacité d'infiltration baisse avec le temps est décrite par l'équation d'infiltration de Horton. Dans cette formule, l'écart entre la capacité initiale et la capacité finale diminue de façon exponentielle avec le temps. En la combinant avec les relevés de pluie, on peut prévoir quand le ruissellement de surface commence. Une approche plus fidèle à la physique résout le mouvement de l'eau dans le sol par une équation aux dérivées partielles, l'équation de Richards. La formule rationnelle utilisée dans le texte simplifie à l'extrême ces calculs en les résumant en un seul coefficient ; elle reste très employée dans les bureaux d'études.
📖 Démonstration de la formule et contenus plus avancés : Formule rationnelle (Wikipédia en japonais) ／ Capacité d'infiltration (Wikipédia en japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- La détermination du coefficient de ruissellement. Les valeurs utilisées sur le terrain sont surtout empiriques, tirées d'observations passées. On ne dispose pas encore de méthode physique pour dire vers quelle valeur passer quand l'usage d'un terrain change.
- L'augmentation des pluies fortes et brèves. Quand la température monte, l'air peut contenir plus de vapeur d'eau, mais jusqu'où cela renforce l'intensité des pluies à l'échelle horaire varie beaucoup selon les régions, et les recherches continuent.
- La durée de vie des revêtements perméables. Leur performance baisse quand les interstices se bouchent de terre et de poussière. Combien d'années tiennent-ils dans une vraie ville, et comment les entretenir pour les remettre en état ? Les observations à long terme manquent.
Le contenu de cet article est donc lui aussi « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Les coefficients de ruissellement utilisés sont des repères représentatifs ; sur un terrain réel, ils varient beaucoup selon la nature du sol et la pente.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière, chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : transformations de la Terre / nature et humains | Interstices du sol et infiltration de l'eau, usage des sols et catastrophes |
| Lycée | Sciences de la Terre (base) : eau et atmosphère terrestres | Cycle de l'eau et répartition du devenir de la pluie |
| Lycée+ | Physique (approfondissement) : tension superficielle / capillarité | Pourquoi un sol sec absorbe vite seulement au début |
| Univ. | Hydrologie, ingénierie fluviale | Formule rationnelle, équation de Horton, équation de Richards |
| Recherche | Hydrologie urbaine, évaluation des effets du changement climatique | Détermination physique du coefficient de ruissellement, évolution future des pluies brèves et fortes |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Repérer les lieux qui s'inondent, décider de ses déplacements les jours de pluie |
- Formule rationnelle (Wikipédia en japonais) : formule d'estimation du débit de pointe et sens du coefficient de ruissellement
- Capacité d'infiltration (Wikipédia en japonais) : définition de la capacité d'infiltration et son évolution dans le temps
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Intensité et manière de pleuvoir » (雨の強さと降り方) : classement des précipitations horaires et description de leurs effets
- Société japonaise des ingénieurs civils (土木学会), éd., 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), éd., Sciences hydrologiques (『水文科学』) : bases de l'infiltration et du ruissellement
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. Le risque réel d'inondation varie beaucoup d'un lieu à l'autre. Consultez la carte des risques publiée par votre commune et, les jours de pluie, suivez les informations et consignes des services météorologiques, des autorités locales et des pompiers.