Projet de thèse IEFU FINALx

Projet de thèse
UMR 6049 ThéMA
Titre du sujet : impact écologique des formes d’urbanisation
Direction : Jean-Christophe Foltête
Co-encadrement : Cécile Tannier, Jean-Philippe Antoni
Résumé
Le projet vise à comparer différentes formes d’étalement urbain en fonction de leur impact
écologique, en particulier selon leurs conséquences sur les habitats de la faune sauvage. Ce
projet part du principe que la maîtrise de l’étalement urbain nécessite une meilleure
connaissance des liens entre les formes d’urbanisation (ville compacte, ville fractale, etc.) et
leurs externalités environnementales. L’hypothèse sous-jacente est que pour un niveau de
développement donné, certaines formes d’extension urbaine permettent de mieux préserver les
ressources naturelles en limitant les atteintes portées au fonctionnement des écosystèmes.
La mise en application de ce projet dans des cas d’études empiriques implique un
rapprochement entre deux démarches méthodologiques. La première concerne la modélisation
du développement urbain par l’utilisation de modèles de simulation spatiale. Il s’agit de
produire, à partir d’une situation initiale, un état de l’occupation du sol simulé résultant d’une
croissance urbaine pour une certaine durée. Ces modèles sont fondés sur des règles
d’urbanisation portant essentiellement sur la localisation des espaces bâtis, en interaction avec
la mise en place d’infrastructures de transport ; chaque application de ces modèles représente
un scénario d’évolution d’une agglomération selon certaines modalités d’aménagement.
La seconde démarche méthodologique concerne les espaces considérés comme habitats pour
certaines espèces animales. Les conséquences induites par chaque scénario d’urbanisation sur
ces habitats seront évaluées en tenant compte des surfaces disparues ou soumises à une forte
perturbation par proximité, ainsi que de la réduction de la connectivité fonctionnelle due à la
perturbation des réseaux écologiques. Les méthodes fondées sur la théorie des graphes,
récemment utilisées pour modéliser ces réseaux, seront mobilisées.
L’enchaînement de ces deux volets méthodologiques va permettre de comparer les mérites
respectifs de plusieurs scénarios de développement urbain en termes d’externalités écologiques.
Plusieurs régions urbaines feront l’objet de cette analyse, chacune étant représentative d’un
certain niveau d’anthropisation du territoire. Actuellement, une étude des agglomérations
d’Avignon, Besançon, Lille et Strasbourg est envisagée. Cette comparaison constituera un apport
de connaissances utile aux planificateurs pour orienter les politiques d’aménagement urbain
vers une urbanisation durable.
2. Projet détaillé
2. 1. Contexte et problématique
Dans la plupart des pays occidentaux, la maîtrise de l’étalement urbain est devenue une
nécessité, compte tenu de toutes les nuisances induites par ce phénomène. Cependant,
l'ouverture de nouveaux espaces à l'urbanisation peut difficilement être évitée, puisqu’en dépit
du renouvellement urbain, la demande en logement induite par l’augmentation du nombre de
ménages n’est pas satisfaite. La question de la consommation d'espace par l'urbanisation est
donc un enjeu majeur en termes d'aménagement, sachant que la surface réellement consommée
par la construction d’habitats reste souvent modeste par rapport à la surface consommée par les
nouvelles infrastructures routières, auxquelles s’ajoute l'emprise spatiale également croissante
des zones d'activités économiques et commerciales.
Si l’étalement urbain ne peut pas être totalement évité, il est important de chercher à limiter ses
conséquences négatives. Par rapport au fonctionnement des écosystèmes, ces conséquences se
produisent à plusieurs niveaux d’échelle. Le premier niveau est local, par la modification directe
de l’occupation du sol affectant les espaces gagnés par l’urbanisation, l’emprise des sols
artificiels se faisant aux dépens des terres agricoles et des milieux semi-naturels. Le deuxième
niveau concerne le voisinage des espaces urbanisés, car les activités anthropiques liées à
l’urbanisation peuvent conduire à une modification de la fonction ou de la qualité des espaces
environnants (pression sur le parcellaire agricole, création d’espaces récréatifs) et contribuent à
perturber ces espaces par diverses pollutions ou perturbations. Enfin le troisième niveau est
d’ordre régional et se réfère à la notion de réseau écologique. Les surfaces artificialisées
nouvellement gagnées sur le milieu naturel peuvent créer un effet de barrière sur les flux
démographiques et génétiques de certaines espèces. Sachant que la capacité de déplacement des
individus est indispensable pour la survie de nombreuses espèces, le maintien de la connectivité
de leur habitat s’avère donc fondamental pour la conservation de la biodiversité (Fahrig et
Merriam, 1985 ; Taylor et al., 1993). Peu lisible directement, cet effet peut remettre en question
la viabilité de certaines populations.
La croissance des villes occasionne nécessairement une part d’étalement urbain, phénomène qui
se produit aux dépens des milieux naturels et agricoles, et qui contribue à une diminution et une
plus grande fragmentation des habitats de la faune sauvage. D’où une question centrale pour
l'aménagement urbain : où ouvrir de nouveaux espaces à l'urbanisation de manière à réduire les
effets néfastes de l'étalement urbain ? Une urbanisation durable ne devrait en effet
compromettre ni la qualité écologique des espaces naturels, ni la viabilité économique des
espaces agricoles, ni la qualité paysagère des espaces verts ou naturels, ni la ventilation des
centres urbains, et ne pas trop augmenter les déplacements individuels motorisés.
De nombreuses études ont porté sur les réponses des populations animales à la fragmentation
de leur habitat et à la perte de connectivité qui en résulte. Cependant, peu de recherches ont
étudié spécifiquement la relation entre les formes de l'urbanisation et la fonctionnalité des
habitats faunistiques. Alberti (2005) explique ainsi qu'on ne sait pas comment une forme
d'urbanisation compacte ou diffuse, monocentrique ou polycentrique, affecte différemment les
conditions environnementales, ni comment les niveaux d'urbanisation, du centre urbain dense
aux espaces périphériques, influencent les systèmes écologiques. Tratalos et al. (2007) ont tenté
d'établir une relation entre densité, qualité environnementale et potentiel de biodiversité.
Cependant leur étude n'a pas débouché sur un résultat concluant ; en revanche, elle a mis en
évidence la variabilité de la qualité environnementale d'espaces urbains caractérisés par le
même profil de densités. De fait, le faible transfert de connaissances entre les domaines de
l'écologie et la biologie d'un côté, et de la ville et de l'urbanisme de l'autre côté, peuvent
expliquer en partie la méconnaissance des relations entre formes urbaines et fonctionnements
écologiques (Termorshuizen et al., 2007).
Dans le cadre du projet de thèse, l’objectif est de mieux comprendre ces relations entre formes
urbaines et fonctionnements écologiques. Il s’agit d’identifier les formes de développement
urbain qui permettent de préserver au mieux les habitats faunistiques et leur connectivité. Cette
identification passe par une mise en comparaison de plusieurs formes d’extension urbaine,
permettant chacune de quantifier la diminution des habitats faunistiques potentiels et des
niveaux de connectivité qu’elles induisent.
2. 2. Mise en œuvre du projet
La comparaison de plusieurs formes d’étalement urbain est facilitée si l’analyse est menée dans
un contexte géographique restant invariable, pour éviter toute confusion avec un effet de
structure. En conséquence, la méthode choisie est fondée sur la production de différents
scénarios de développement urbain par simulation spatiale à partir du tissu urbain existant. Ces
simulations spatiales partent d’un état donné de l’occupation du sol et impliquent la mise en
œuvre d’une série de règles explicites d’aménagement. Chaque ensemble de règles aboutit à un
résultat spécifique à partir du même état initial.
Simulations de scénarios de croissance urbaine
Pour répondre aux problèmes de l'étalement urbain, les praticiens de l'aménagement s'appuient
le plus souvent sur le modèle de la ville compacte (Dantzig et Saaty, 1973 ; Newman et
Kenworthy, 1989), et son outil phare qu'est la densification des espaces bâtis. Cependant, les
limites de ce modèle ont été largement discutées (Banister, 1992 ; Breheny, 1997; Burton, 2000 ;
Owens, 1992) et la tendance actuelle est à la promotion d'un modèle urbain combinant une
densification mesurée, au sens de "wisely compact city" (Camagni et al., 2002), et une
organisation urbaine polycentrique (Davoudi, 2003). Le modèle de la ville fractale s'inscrit dans
cette logique (Frankhauser, 2004). Certaines applications pour l'aménagement urbain ont testé
les qualités esthétiques et paysagères de formes urbaines fractales (Cooper 2008 ; Stamps,
2002). Thomas, Tannier et Frankhauser (2008) ont par ailleurs mis en évidence une relation
statistique positive entre satisfaction résidentielle et dimension fractale de l'environnement bâti.
D'autres chercheurs encore ont montré, dans le cas de formes urbaines théoriques, qu'une ville
fractale est plus intéressante qu'une ville compacte pour des individus qui fréquentent souvent
des centres de commerces et services de proximité, mais moins souvent ceux de la ville-centre,
et qui souhaitent résider à proximité d'espaces ouverts (Frankhauser et Genre-Grandpierre,
1998 ; Cavailhès et al., 2004). Concernant plus particulièrement la préservation des espaces non
bâtis (naturels ou agricoles), une première analyse théorique a montré qu'une forme urbaine
fractale permet d'urbaniser en minimisant la fragmentation des espaces bâtis et non bâtis
(Frankhauser, 2000). Une analyse plus récente, portant sur des tissus périurbains réels, suggère
que l'introduction d'une règle fractale d'urbanisation permet la préservation de zones nonbâties contiguës s'inscrivant dans la logique des trames vertes et bleues préconisées par le «
Grenelle de l'Environnement » (Frankhauser et al., 2010).
En conséquence, nous proposons de tester des scénarios de développement urbain suivant le
modèle de la ville compacte d'une part, et de la ville fractale d'autre part. Les scénarios « ville
compacte » et « ville fractale » se différencient essentiellement par deux aspects. Le premier
concerne la forme des bordures urbaines, c'est-à-dire la forme du contact entre zones bâties et
non bâties. Les bordures urbaines sont très nettement dessinées, lisses et rectilignes dans le cas
de la ville compacte, tandis qu'elles sont sinueuses et beaucoup plus longues dans le cas de la
ville fractale. La deuxième différence entre les deux modèles tient à la manière de concevoir le
développement urbain. Le modèle de la ville compacte peut être implicitement traduit par des
règles de densification ou de compacité du bâti, alors que la ville fractale est fondamentalement
caractérisée par l'organisation multi-échelle des espaces non bâtis.
Pour la création des différents scénarios, le travail pourra s’appuyer sur différents modèles de
simulation de croissance urbaine basés sur des automates cellulaires (SpaCelle, CWS, Mopland,
etc.) ou des systèmes multi-agents (notamment MobiSim, développé au laboratoire ThéMA ;
Antoni, 2010). En outre, il pourra utiliser le logiciel MUP-City, qui permet de générer des
scénarios potentiels d'urbanisation à partir d'un tissu urbain existant. Le concept de
modélisation à la base de MUP-City a été développé dans le cadre de deux contrats de recherche
financés par le Ministère français du développement durable, de l'écologie et de l'aménagement
du territoire, dans le cadre du PREDIT 3 (Frankhauser et al. 2010 ; Tannier et al., 2010). Outre le
choix d'une forme d'urbanisation (compacte ou fractale), MUP-City comporte quatre règles
d'accessibilité aux commerces et services de fréquentation quotidienne ou hebdomadaire, aux
espaces ouverts et au réseau routier existant. Il est également possible de définir des zones non
urbanisables (zones inondables, espaces préservés...).
Les scénarios créés avec MUP-City ne représenteront pas des états prédictifs précis des espaces
urbains considérés, puisque seules quelques-unes des variables qui entrent en jeu dans le
processus de développement urbain sont prises en compte. Cependant, ils auront une valeur
comparative et permettront de tester l'impact de plusieurs modèles de ville et de différentes
règles d'aménagement sur la fonctionnalité des habitats écologiques.
Mesure des conséquences écologiques
L’estimation des conséquences écologiques induites par différents scénarios de développement
urbain est ici orientée essentiellement vers les structures d’habitat faunistique. Le recours à des
données spatialisées décrivant ces structures est donc nécessaire. À partir de la définition d’un
type d’habitat valable pour une espèce ou une communauté d’espèces, une cartographie peut
être produite pour disposer de l’état initial. L’application d’un scénario de développement
urbain conduit à modifier cet état initial. Par la comparaison entre ces deux états, l’enjeu est de
quantifier :
- la diminution directe de la surface d’habitat (niveau local) ;
- la diminution du potentiel d’habitat, en attribuant aux sols artificialisés et aux réseaux de
transport une portée spatiale de perturbation dans leur voisinage (niveau voisinage) ;
- la diminution de leur niveau de connectivité à l’échelle régionale (niveau régional).
Du point de vue méthodologique, les deux premiers niveaux reposent sur un usage classique des
Systèmes d’Information Géographique. Le troisième niveau, qui est important puisqu’il concerne
les flux de population au niveau macroscopique, implique le recours à une méthode particulière.
Compte tenu des récentes avancées dans ce domaine, l’approche choisie est fondée sur
l’utilisation des graphes de connectivité (Urban et Keitt, 2001 ; Fall et al., 2007 ; Saura et
Pascual-Hortal, 2007 ; Minor et Urban, 2008 ; Saura et Rubio, 2010). Ces graphes correspondent
à une représentation simplifiée de la structure de déplacement du groupe d’espèce liée à
l’habitat choisi, sous la forme d’un réseau. Cette représentation est directement adaptée pour
analyser la connectivité fonctionnelle (Calabrese et Fagan, 2004). Les graphes de connectivité
permettent d’identifier les lieux les plus vulnérables sur les réseaux écologiques. Ils peuvent
aussi être intégrés dans des modèles prédictifs de distribution d’une espèce. Ces capacités seront
utilisées pour évaluer les conséquences des scénarios d’urbanisation sur les réseaux écologiques
et sur la distribution de certaines espèces. La mise en œuvre de ces méthodes pourra bénéficier
du logiciel « Graphab » actuellement développé à l’UMR ThéMA dans le cadre d’un programme
de recherche en cours à la MSHE Ledoux.
Sites étudiés, données et encadrement de la recherche
Les agglomérations d’Avignon, Besançon, Lille et Strasbourg ont été pressenties comme sites
d’étude, pour disposer d’un ensemble de cas dont le niveau d’urbanisation (et inversement de
fragmentation des espaces naturels) est variable. Ce choix s’explique aussi par la présence de
données ou de travaux sur d’autres programmes de recherche. L’agglomération de Besançon
constitue un exemple de zone où certains habitats faunistiques sont encore relativement
préservés ; parallèlement, un programme de l’appel ITTECOP du ministère de l’Ecologie, de
l’Energie, du Développement Durable et de la Mer (Graphab, 2009-2011) a permis plusieurs
modélisations d’habitat pour des espèces sensibles dans un large périmètre autour de
l’agglomération, ainsi que la présence de données d’observations des ces espèces. Des contacts
sont pris pour la mise en place des mêmes types de données dans les autres agglomérations.
2.3. Résultats attendus
Plusieurs types de résultats sont attendus. Il s’agit en premier lieu d’aboutir à une meilleure
connaissance de l’impact des modèles urbains testés sur la fragmentation et la connectivité de
certains habitats faunistiques. Cet apport de connaissance devrait aider les acteurs publics à
définir des orientations pour la gestion et l'aménagement des espaces urbains et périurbains.
Sur les zones d'étude, notre recherche devrait en outre permettre d'identifier de manière plus
précise les espaces les plus sensibles au regard de la dynamique globale des populations
animales.
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