Toiture végétalisée (HU)

Traduction anglaise : Vegetated roof

Dernière mise à jour : 30/6/2020

Toiture couverte d’un substrat support de végétation.

Figure 1 : Exemple de toiture stockante en partie végétalisée (crédit photo GRAIE.

Il existe différents types de toitures végétalisées en fonction de l'épaisseur du substrat, de la présence ou non d'une réserve d'eau sous le substrat et de la présence ou non d'un dispositif de contrôle du débit évacué. Seules les toitures végétalisées avec des substrats épais et/ou une réserve d'eau et/ou équipées d'un limiteur de débit jouent un rôle efficace de contrôle des eaux pluviales.

Principes de fonctionnement hydrologique d'une toiture végétalisée

Constituants du substrat

Tout substrat est constitué de 3 éléments :

• des grains de matière constituant le substrat proprement dit, plus les racines des plantes ;
• de l'eau ;
• de l'air.

L'eau et l'air se partage les espaces libres (porosité) du substrat. Si le substrat est saturé en eau, l'air a totalement disparu. Le principe de fonctionnement hydrologique d'une toiture végétalisée consiste à stocker l'eau pendant les périodes de pluie en augmentant la teneur en eau du substrat, puis de récupérer cette capacité de stockage pendant les périodes sèches en évapotranspirant l'eau ainsi stockée.

Capacité de stockage d'une toiture végétalisée

D'une façon générale la quantité d'eau que l'on peut stocker dans un substrat totalement sec est égale au volume du substrat multiplié par sa porosité.

Dans le cas d'une toiture végétalisée, une partie des vides est déjà occupée par de l'eau et n'est dons plus mobilisable. Par ailleurs, selon les conditions de la vidange, l'eau parviendra ou non à remplir la totalité de ces vides, ou au contraire se drainera rapidement vers le fond du substrat. La capacité maximum de stockage d'une toiture végétalisée dépend donc de la porosité utile maximum du substrat qui dépend elle même de trois paramètres :

• La teneur en eau maximum exprimé en m³/m³ : Pmax qui dépend de la nature des matériaux constituant le substrat et qui correspond à un substrat totalement saturé en eau.
• La teneur en eau minimum pour l’évapotranspiration : P1, qui correspond au point de flétrissement pour la végétation (lorsque la teneur en eau du sol devient inférieure à P1 les plantes n’arrivent plus à extraire l’eau du sol).
• La teneur en eau minimum pour l’infiltration : P2, qui correspond à la teneur en eau à partir de laquelle le drainage dû aux forces de pesanteur devient négligeable ; P2 peut être assimilé à la capacité de champ (capacité maximum de rétention d’eau du sol).

Il existe deux possibilités pour définir la porosité utile maximum selon la façon dont l’ouvrage est conçu.

• Soit l'écoulement est libre sous la couche de substrat et dans ce cas il faut utiliser la quantité (P2 – P1) qui correspond à la réserve utile du sol utilisée par les agronomes. En effet si la teneur en eau devient supérieure à P2, l’eau va s’infiltrer jusqu'au fond de la couche de substrat et s'évacuer rapidement vers un exutoire extérieur.
• Soit l'écoulement est limité sous la couche de substrat et, dans ce cas, le sol pourra se saturer totalement ; l’écoulement ne commencera par ruissellement ou par un trop plein que quand l’eau atteindra la surface. Dans ce cas il faut utiliser la quantité (Pmax – P1).

Dans le calcul précédent cas on considère que la teneur en eau dans le substrat est égale à P1 au début de la pluie, c'est à dire que le temps écoulé depuis la dernière pluie a été suffisant pour permettre à la végétation de consommer et d'évapotranspirer la totalité de la réserve utile en eau.

Si l'on fait l'hypothèse inverse qu'une pluie a eu lieu récemment et que la réserve utile du sol est saturée, alors la porosité utile (c'est à dire la capacité de stockage) d'une toiture drainée est nulle et celle d'une toiture avec un débit de vidange contrôlé est égale à (Pmax – P2). On comprend donc facilement pourquoi les toitures végétalisées drainées n'ont qu'une très faible capacité de stockage.

Les valeurs de Pmax, P1 et P2 dépendent du type de substrat. Le tableau 1 fournit quelques valeurs indicatives en fonction du type de sol :

Tableau 1 : Ordre de grandeur des valeurs de Pmax, P1 et P2 en fonction du type de sol.

A partir de ces valeurs, il est possible d'estimer la porosité utile maximum et minimum pour les toitures végétalisés régulées ou non régulées.

Différents types de toitures végétalisées

Toiture végétalisée sans régulation de débit

Il s'agit de la solution la plus simple et la plus classique pour les toitures végétalisées (Voir Figure 2).

Figure 2 : Principe d'une toiture végétalisée sans régulation de débit.

Comme indiqué précédemment, la porosité utile va varier entre 0 et (Pmax - P1) selon les conditions climatiques antécédentes (essentiellement pluviométrie et ETP). Si l'objectif est d'intercepter les premiers millimètres de pluie, une toiture végétalisée de ce type peut cependant jouer un rôle utile, au moins pour certaines pluies. Il est cependant conseillé pour le dimensionnement (c'est à dire principalement pour le choix de l'épaisseur du substrat) de ne prendre en compte qu'un pourcentage de la quantité (Pmax - P1). A titre indicatif le tableau 2 fournit les valeurs de porosité utile et de hauteur d'eau susceptible d'être interceptée en fonction de l'épaisseur du substrat retenue par la ville de Paris.

Tableau 2 : Valeurs de porosité utile et de hauteur d'eau susceptible d'être interceptée en fonction de l'épaisseur du substrat ; Source : projet Parispluie.

Toiture végétalisée avec régulation de débit

Il s'agit d'une solution plus efficace (Voir figure 3). L'avantage est que pendant la période pluvieuse, on peut totalement saturer le substrat en eau et stocker ainsi un volume plus important tout en limitant le débit. Il est cependant important de veiller à un drainage assez rapide de l'eau à la fin de la pluie pour éviter de faire souffrir la végétation et récupérer rapidement la capacité de stockage.

Figure 3 : Principe d'une toiture végétalisée sans réserve avec régulation de débit.

Lors du dimensionnement et par mesure de sécurité, il est conseillée de retenir une valeur de porosité utile égale à (Pmax – P2).

Toiture végétalisée avec réserve d'eau

Une autre façon d'augmenter le volume que l'on peut intercepter consiste à installer une réserve d'eau sous la couche de substrat. Cette réserve d'eau se remplit par percolation à travers le substrat et se vide par capillarité pendant les périodes sèches en venant réhumidifier le substrat. Le débit de vidange peut être régulé (Figure 6) ou non régulé (Figure 5). Ce type de toiture présente en outre l'intérêt de constituer une réserve disponible pour la végétation pendant les périodes sèches.

Figure 4 : Principe d'une toiture végétalisée stockante avec réserve d'eau sans débit régulé.

Figure 4 : Principe d'une toiture végétalisée stockante avec réserve d'eau avec débit régulé.

On se réfèrera à la documentation du constructeur pour savoir quelle capacité de stockage doit être prise en compte selon le volume de la réserve d'eau et l'épaisseur du substrat.

Autres avantages des toitures végétalisées

Au delà de l'aspect esthétique, une toiture végétalisée présente un intérêt bioclimatique, aussi bien pour l'immeuble sur lequel elle est installée, que plus globalement sur la ville, ainsi qu'un intérêt pour la biodiversité.

Voir aussi : Toiture stockante