Diagnostic multifonctionnel des CHAussées POreuses à structure réservoir : suivis in situ et modélisation intégrant des externalités environnementales extrêmes

Contexte général

Le constat alarmant de la perte de 65 000 hectares de terres chaque année en France lié à l’urbanisation, l'équivalent d'un département tous les 10 ans, ne peut être ignoré. Cette expansion urbaine accentue considérablement les conséquences du ruissellement pluvial et contribue à la dégradation de la qualité des eaux urbaines. En favorisant l’imperméabilisation des sols, l’urbanisation amplifie les volumes ruisselés, tandis que l’intensification des évènements climatiques (inondations, fortes chaleurs, sècheresse…) rend les territoires plus vulnérables. Dans ce contexte, le développement des stratégies d’adaptation des territoires devient essentiel pour préserver la ressource en eau. Les chaussées imperméables, dont les seules voiries communales représentent 46 200 km pour la Région Grand Est, offrent à ce titre un fort potentiel de désimperméabilisation. Les chaussées perméables à structure réservoir répondent à cet enjeu en associant fonctions mécaniques liées au roulement et au support du trafic et fonctions hydrauliques, comme le stockage temporaire des eaux pluviales avant infiltration dans la couche de sol. Ces fonctions sont associées à des processus géochimiques (précipitation, désorption/remobilisation) et biologiques (biodégradation, assimilation, (dé)nitrification) qui peuvent également moduler le devenir et la mobilité des contaminants à travers le profil de chaussée, voire le sol sous-jacent. La compréhension de ces mécanismes est essentielle pour s’assurer de l’efficacité de cette solution tout en maitrisant les impacts environnementaux.

Chaussées perméables et services écosystémiques

Les chaussées perméables constituent une technologie multifonctionnelle à laquelle sont associés des services écosystémiques dont les performances sont liées au contexte géo-climatique local, à l’usage de la structure, aux propriétés des matériaux qui la constituent et finalement aux influences de l’écosystème qui l’englobe. L’émergence de métriques permettant dans un contexte spécifique, l’objectivation des services de régulation hydrologique, des services de régulation de la qualité, des services supports, des services de régulation thermique est plus que nécessaire. La compréhension des fonctions hydrauliques, thermiques, acoustiques, mécaniques… associées à ces services ainsi que les facteurs les influençant sur le temps long demeure un défi scientifique à relever ; le phénomène de colmatage, de gel/dégel ne sont que des exemples. En effet la chaussée n’est pas un objet technique isolé, mais une composante d'un méta-système urbain dont la performance dépend autant de sa conception que de sa gestion dans le temps et de son intégration dans le tissu urbain.

Chaussées perméables et polluants routiers

Malgré les nombreuses études menées au cours des trois dernières décennies sur la rétention des polluants conventionnels routiers (MES, métaux lourds, hydrocarbures, sels de déverglaçage – NaCl-) par les chaussées réservoirs à enrobés bitumineux poreux plusieurs verrous scientifiques et techniques subsistent. Des interrogations demeurent quant au déploiement généralisé de ces ouvrages, en particulier au regard du risque de contamination chronique des milieux récepteurs (sols, exutoires). Littérature récente de la littérature (Lokesh et al., 2026) rapporte des efficacités globales d’élimination des micropolluants routiers de l’ordre de 40 à 90 % pour les chaussées perméables, résultats confirmés par plusieurs études (Jayakaran et al., 2019 ; Holzer & Poor, 2024). Toutefois, ces performances varient selon les propriétés des molécules et leur distribution entre les phases particulaires et dissoutes. Les éléments fortement associés aux particules, tels que Pb, Al et Fe, sont mieux retenus que les espèces plus mobiles en phase aqueuse, notamment Cu, Zn et Mn (Zhang et al., (2018)). Par ailleurs les HAPs, largement présents dans les eaux routières, sont généralement bien retenu au sein des chaussées perméables. Ces performances restent néanmoins dépendantes de la configuration de la chaussée (sollicitations, réactivité des matériaux), des propriétés physico-chimiques des contaminants et des conditions hydrologiques, soulignant la nécessité de mieux comprendre les mécanismes contrôlant leur transport, leur rétention et leur devenir au sein de ces ouvrages. Cette compréhension doit également intégrer l’évolution de ces mécanismes au cours du vieillissement et du colmatage des structures, afin d’évaluer la pérennité de leurs performances.

Au-delà des polluants prioritaires traditionnellement suivis dans les eaux de ruissellement routières, l’attention doit se porter désormais sur une gamme élargie de contaminants faisant partie des « polluants émergents préoccupants » (« Emerging Pollutant of Concern », Valeo et al., 2026) et couvre un large spectre de contaminants retrouvés dans les eaux routières (Maurer et al, 2023). On retrouve notamment la présence de microplastiques dans les eaux de ruissellement, incluant des particules d’usure des pneumatiques et du revêtement routier lui-même (TRWP) et des additifs de pneus (e.g., plastifiants, 6PPD et son produit de transformation, le 6PPD-quinone, considéré comme l’un des contaminants routiers les plus préoccupants en raison de sa toxicité potentiellement élevée). Des travaux récents suggèrent que les chaussées perméables pourraient constituer une solution pour limiter le transfert de ces contaminants (Mitchell et Jayakaran, 2024). Par ailleurs parmi ces polluants émergents, la question spécifique des substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS), ou « polluants éternels », ne peut être éludée en raison de leur forte persistance et de leur mobilité en phase aqueuse et dans la profondeur de média filtrant (Beryani et al., 2024).

Modélisation du transport réactif des micropolluants

À ce jour, la majorité des travaux sur le devenir des micropolluants dans les chaussées réservoirs a porté sur des études expérimentales en laboratoire ou de suivis « terrain », visant généralement à caractériser l’abattement des contaminants au sein des dispositifs selon les caractéristiques des matériaux et couches de chaussée, les variables de fonctionnement hydrologique et la charge polluante. Les approches de modélisation mécaniste du transport réactif des micropolluants, en particulier la fraction dissoute, au sein des différentes couches de chaussée et ce, jusque dans le sol sous-jacent restent encore très limitées. Outre la multiplicité des contaminants, une difficulté supplémentaire pour la modélisation réside dans leur devenir, lié au couplage entre hydrodynamique, propriétés et réactivité des matériaux, processus de sorption/désorption, de transformations physico-chimiques et potentiellement microbiologiques au sein des différents compartiments de chaussées. Un verrou scientifique majeur consiste ainsi à développer et valider un modèle de transport réactif multi-contaminants couplant le fonctionnement hydrologique de la chaussée, les interactions entre micropolluants et matériaux constitutifs de la chaussée (notamment la structure réservoir), et permettant de rendre compte des effets relatifs au temps de séjour ou à des périodes de mise en charge selon la capacité d’infiltration du sous-sol (e.g., sableux vs limoneux/limono-argileux), avec une remobilisation et transfert potentiels vers le sol sous-jacent.

Objectifs de la thèse

La thèse a pour objectifs :

1. De réaliser une étude bibliographique des règles et de l’état de l’art concernant les chaussées à structure réservoir : typologie, conception, fonctionnement, services et dis-services associés à travers un retex,

2. De sélectionner les fonctions dont l’évaluation des performances permettra de mieux appréhender le couplage des flux d’eau, de chaleur, de pollution,…

3. D’étudier l’influence des facteurs externes et internes tels que les propriétés des enrobés bitumineux poreux et imperméables sur la génération de pollution particulaire issue de l’usure des pneumatiques et des revêtements de chaussée eux-mêmes.

4. De développer un modèle numérique simulant les processus hydrologiques et physico-chimiques et leur impact sur les services de régulation des chaussées poreuses à structure réservoir ainsi que l’avènement du phénomène de colmatage. Un intérêt particulier sera porté à l’analyse de la robustesse des chaussées vis-à-vis des externalités extrêmes.

Organisation de la thèse

Le travail s’articule autour d’un volet expérimental et un volet numérique :

• Le volet expérimental s’appuiera sur :

• Une approche terrain (rue Neuve, Strasbourg) visant à suivre, en conditions réelles, le fonctionnement hydrologique et le devenir de contaminants au sein de deux portions de chaussée réservoir au fonctionnement contrasté (revêtement poreux vs revêtement imperméable qui va vers une structure réservoir):

• Une approche laboratoire avec des essais de percolation en colonnes (plateforme expérimentale Cerema, agence de Nancy), reproduisant tout ou partie de chaussées « types », permettant de reproduire certaines conditions de fonctionnement hydrologique ou de variables climatiques (e.g., essais en chambre climatique) tout en assurant la maitrise de la charge polluante en amont (nature, concentration en micropolluants).

• Le volet numérique s’appuiera sur la modélisation des transferts des contaminants, aussi bien à l’échelle du terrain que des colonnes expérimentales, et aura pour objectif de produire un modèle mécanistique multi-contaminants, visant à reproduire la rétention ou le transfert des contaminants selon les couches de chaussée considérées. Des logiciels tels qu’HYDRUS 1D, permettant notamment de modéliser les écoulements en milieu poreux pourront être utilisés et couplés avec PHREEQC pour permettre de mieux appréhender le transport réactif de certains micropolluants.

La thèse s’effectuera :

• Au sein du laboratoire ICube (UMR 7357) et plus particulièrement au sein du département Mécanique et de l’équipe Mécaflu. ICube est reconnu au niveau national et international pour développer des travaux de recherche transdisciplinaires sur les thématiques de l’ingénierie pour la santé, l'environnement et le développement durable. L’équipe Mécaflu est reconnue pour son expertise sur la compréhension et la modélisation des écoulements fluides, la thématique des transferts réactifs et les procédés environnementaux.

• Au sein du Cerema (Centre d'études et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilité et l'aménagement), particulièrement à travers l’équipe Team (Transferts et interactions liés à l'eau en milieu construit). Les travaux de TEAM aspirent à mieux appréhender l'effet des milieux construits (villes et infrastructures de transport) : altération des rejets hydriques, augmentation de rejets de polluants, élévation de température locale.

• Ingénieur en génie de l’eau / master en science de l’environnement

• Expériences en lien avec des études environnementales

• Compétences en programmation/modélisation

• Appétence pour le terrain

• Capacité d’organisation et d’autonomie

• Très bonne maitrise de l’anglais (écrit et orale)