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Intérêt des toitures végétalisées pour la gestion des eaux pluviales : une synthèse bibliographique
Les toitures végétalisées connaissent un développement important. Des études, de plus en plus nombreuses, sont réalisées afin d'étudier leurs intérêts. Ceux-ci sont nombreux: isolations thermique et sonore, aspects écologique et esthétique, gestion des eaux pluviales. Réalisée dans le cadre de la partie 2 du projet « Intérêt des Toitures Végétalisées pour la Gestion des Eaux Pluviales (TVGEP) », cette synthèse bibliographique est focalisée sur les études concernant le comportement hydrique.
Sommaire |
Généralités sur les toitures végétalisées
Afin de faciliter la lecture de cette synthèse, il est brièvement rappelé quelques notions concernant les toitures végétalisées. Pour plus de détails, il est possible de se référer au livre de Lassalle (2008). Un complexe de végétalisation est généralement composé de la manière suivante (du haut vers le bas, cf. figure 1) :
- de la végétation ;
- une couche de substrat permettant le développement de la végétation ;
- un filtre en géotextile qui permet de retenir le substrat mais laisse passer l'eau ;
- une couche de drainage qui permet l'évacuation rapide de l'eau.
Il existe également des complexes de végétalisation dont la couche de substrat et la couche de drainage est une seule et même couche, on parle alors de toitures végétalisées monocouches.
Il existe différents systèmes de végétalisation : extensif (TVE), semi-intensif (TVSI), intensif (TVI). Les toitures extensives sont des complexes légers et à faible épaisseur. Ce sont les plus économiques et les plus faciles d'entretien. La couche de substrat est inférieure à 15 cm et la végétation est souvent composée de variétés de Sedum. Ce sont également des structures légères qui conviennent bien pour la végétalisation de bâtiments existants. Les toitures semi-intensives ont des couches de substrat d'épaisseur allant de 12 à 30 cm. La végétation est plutôt constituée de vivaces, de graminées ou de plantes arbustives à faible développement. Elles nécessitent un entretien et un arrosage régulier. Enfin, les toitures intensives ou toitures-terrasses jardin sont des complexes de fortes épaisseurs et nécessitent un entretien important. Le substrat est généralement de la terre végétale et la végétation peut-être diversifiée et de grande hauteur (arbres). Il est considéré que les toitures sont des toitures terrasses lorsque la pente est inférieure à 3 %.
Le coefficient de ruissellement (CR) est généralement utilisé pour évaluer la performance hydrique d'une toiture végétalisée. Il est défini comme le rapport entre le volume d'eau ruisselé et le volume de pluie. En ce qui concerne les toitures végétalisées, le ruissellement est la quantité d'eau issue de la couche de drainage, c'est à dire la partie de la pluie qui s'est infiltrée dans le substrat et ressort de la toiture par la couche de drainage. Lors d'un événement pluvieux, il est rarement observé un écoulement d'eau au-dessus du substrat. Si un tel cas se présente, on parlera alors de ruissellement de surface.
Présentation des travaux
Les études publiées sont majoritairement réalisées en Europe et en Amérique du Nord et concernent principalement des climats continentaux. Certains travaux récents concernent le climat méditerranéen (Palla et al., 2009, 2008, 2010) et il existe également quelques études faites en climat tropical (Kidd, 2005; Köhler et al., 2001). Cependant les résultats des travaux de Köhler et al. (2001) n'ont pas été retrouvés. Les observations sont faites pour des échelles de temps événementielles ou annuelles. La chronique observée la plus longue est de deux ans (Uhl et Schiedt, 2008). Il est à noter que peu de ces travaux expérimentaux sont associés à des modélisations poussées. Bien que les approches soient sensiblement différentes, les observations tendent vers des conclusions similaires. Cette synthèse présentent donc les travaux les plus pertinents et fait ressortir les principaux paramètres qui ont un impact sur le comportement hydrique.
Les travaux expérimentaux servant de base à cette synthèse sont regroupés dans les tableaux 1 et 2. Le tableau 1 présente le contexte général de chaque étude alors que le tableau 2 détaille les toitures observées et synthétise les observations sur le ruissellement (si des travaux de modélisation sont associés aux observations, les résultats sur le ruissellement ne sont pas repris ici).
La grande majorité des toitures végétalisées instrumentées sont des toitures extensives (notée TVE, les toitures semi-intensives seront notées TVSI). Ce sont également pour la plupart des toitures terrasses. Les résultats obtenus sur les toitures végétalisées sont souvent comparées à des toits terrasses non-végétalisés (noté TT).
L'instrumentation consiste généralement en un suivi pluie-débit, avec la mesure de paramètres météo. Cependant, Bass et Baskaran (2003), Hilten et al., (2008), Palla et al., (2009, 2008, 2010) ont ajouté des mesures de teneur en eau dans le substrat.
Les principaux paramètres étudiés sont l'épaisseur du substrat, le type de la végétation, la pente. Les principales conclusions issues de ces travaux sont résumées dans la section suivante (section 3).
Aux travaux résumés dans les tableaux 1 et 2, il convient d'ajouter le travail de Mentens et al., (2006) qui présente une compilation de 18 travaux allemands. À partir des données recueillies, les auteurs étudient l'effet des toitures sur les coefficients de ruissellement annuels et saisonniers. Leur base de données leur permet de comparer toitures extensives, intensives et non-végétalisées. En ruissellement annuel, ils trouvent un CR de 91 % pour les toitures non-végétalisées et de 15 % pour les toitures intensives. Pour les toitures extensives, ils trouvent des CR moyens de 50 % (avec un minimum de 19 %, un maximum de 73 % et une médiane à 55 %).
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Résultats expérimentaux
Toutes les études tendent à montrer que les toitures végétalisées sont efficaces pour la diminution du ruissellement, comme le montre les coefficients de ruissellement présentés dans le tableau 2. Cet abattement du ruissellement est dû au stockage dans le substrat et à l'évapotranspiration. Une TVE peut diminuer le ruissellement de 20 à 30 % par rapport aux toits non-végétalisés (Carter et Rasmussen, 2007; VanWoert et al., 2005). Cependant la capacité des toitures végétalisées à abattre le ruissellement serait maximum pour les événements faibles (en volume) et les plus fréquents (Carter et Rasmussen, 2007; VanWoert et al., 2005). Toujours, d'après Carter et Rasmussen (2007), le maximum de l'abattement se ferait en début d'événement. La toiture végétalisée agit donc comme un espace de stockage, avec une capacité de rétention. Lorsque celle-ci est atteinte, la toiture végétalisée retrouve un comportement proche d'un toit non-végétalisé.
La saison joue un rôle important (Baraglioli et al., 2008; Mentens et al., 2006; Stovin, 2009; Uhl et Schiedt, 2008). L'étude de 3 saisons par Uhl et Schiedt (2008) réparties de la manière suivante : période chaude (été) du 1er mai au 30 septembre, mi-saison (printemps-automne) du 15 mars au 30 avril et du 10 octobre au 15 novembre et la période froide (hiver) du 15 novembre au 15 mars, a montré que le ruissellement était moins important l'été. Les auteurs expliquent ceci par une évapotranspiration plus importante et donc une capacité de stockage plus importante pendant cette période malgré une occurrence des pluies plus grande.
L'augmentation de l'épaisseur du substrat semble favoriser l'abattement du volume ruisselé (Baraglioli et al., 2008; Uhl et Schiedt, 2008). Cependant, d'après Mentens et al., (2006), cet effet semble également plus important l'été (1 mai - 30 septembre) que l'hiver (16 novembre - 15 mars) ou à la mi-saison (16 mars - 30 avril, 1 octobre - 15 novembre). Pour des toitures avec des substrats variant de 50 à 150 mm, les CR obtenus sont de 30 % l'été, 67 % l'hiver et 51 % pour les autres mois.
VanWoert et al. (2005) montre que le substrat aurait l'impact le plus important dans la réduction du ruissellement même si la végétation apporte un plus par son influence sur l'évapotranspiration (Berghage et al., 2007).
Presque toutes les observations montrent également qu'une toiture végétalisée permet une diminution et un décalage temporel du pic de ruissellement (Carter et Rasmussen, 2007 ; Palla et al., 2009; Uhl et Schiedt, 2008). Cette diminution est également fonction de la capacité de stockage et donc du cycle pluie-évapotranspiration (Uhl et Schiedt, 2008).
Il fut également observé que la présence d'une couche de drainage a tendance à accélérer le drainage du substrat et ainsi à augmenter le ruissellement pendant les périodes froides (Uhl et Schiedt, 2008).
L'effet de la pente semble partagé. Alors que Uhl et Schiedt (2008) et Mentens et al., (2006) trouvent que celle-ci a peu d'effet, les résultats de VanWoert et al., (2005) montrent au contraire que l'augmentation de la pente (pourtant faible dans ses essais, entre 2 et 6,5 %) diminue la capacité de rétention. Les différences entre ces travaux peuvent être attribuées aux différences entre les substrats utilisés.
Enfin, il semble que l'âge et la taille des toitures végétalisées n'aient pas d'influences sur les coefficients de ruissellement (Mentens et al., 2006).
La modélisation
Les travaux de modélisation réalisés vont de modèles simples et conceptuels à des modèles plus détaillés à base physique.
A partir des données collectées, Mentens et al., (2006) ont déterminé des équations de régression permettant d'obtenir le ruissellement en fonction de la pluie et de l'épaisseur du substrat. A partir de ces équations, ils ont calculé la réduction du ruissellement si Bruxelles avait 10 % de ses toits végétalisé. Ils montrent ainsi que pour l'ensemble de la ville la réduction obtenue serait de 2,7 %, mais de 3,5 % si l'on considère seulement le centre-ville, de 5,4 % si l'on s'intéresse seulement aux bâtiments et de 54 % à l'échelle d'un bâtiment.
Kidd (2005) a développé un modèle permettant de dimensionner des toitures végétalisées pour la ville de Brisbane en Australie. Son approche est simple puisqu'elle repose sur l'utilisation de pluies locales et la simulation de l'évapotranspiration et de la capacité de rétention du substrat. Sa méthode est assez peu détaillée, cependant il arrive à la conclusion qu'une toiture extensive "idéale" pour Brisbane aurait un substrat de 10 cm. Cela permettrait de retenir 42 % du ruissellement annuel. La toiture intensive "idéale" aurait un substrat de 60 cm permettant une réduction de 80 % du ruissellement annuel.
Dans d'autres travaux, les toitures végétalisées sont représentées de manière simple comme étant des réservoirs (Baraglioli et al., 2008; Kasmin et al., 2010). Si le modèle de Kasmin et al. (2010) permet de représenter le ruissellement de manière satisfaisante, il a aussi permis de caler différentes formulations de l’évapotranspiration qui semble être le processus clé entre deux événements pluvieux et donc ayant un impact important sur la capacité de rétention de la toiture végétalisée.
Le modèle développé par Bass et Baskaran (2003) fait intervenir une représentation plus détaillée des processus physiques. Ce modèle est capable de simuler les événements neigeux et prend en compte l'interception de la pluie par la végétation. L’évapotranspiration est calculée selon la formule de Priestley-Taylor ou celle de Penman-Monteith. L'infiltration peut être calculée par la formule de Horton ou de Green-Ampt ou encore de manière plus détaillée à partir de la formule de Richards. Des simulations du ruissellement ont été validées à partir de données obtenues sur une toiture terrasse. Les auteurs montrent que les simulations correspondent bien aux observations. Pour un événement courant, ils trouvent que 57 % de la pluie ruisselle et dans le cas d'un événement extrême, 71 % de la pluie ruisselle avec apparition, en fin d'événement, d'un ruissellement de surface de l'ordre de 7 % de la pluie.
Palla et al., (2009, 2008, 2010) ont utilisé différents modèles, le modèle SWMS_2D qui est un modèle à base physique et un modèle réservoir. Les débits sont correctement représentés par les deux modèles et le modèle SWMS_2D permet également de bien reproduire le profil de teneur en eau. Cependant, les calculs n'ont été réalisés qu'à l'échelle de l'événement. Le constat est le même pour les travaux de Hilten et al., (2008) qui n'ont réalisé que des simulations à l'échelle de l'événement et pour certaines hauteurs de pluie. Leurs résultats montrent qu' Hydrus1D tend à surestimer le ruissellement.
Discussion
Toutes les observations montrent donc la capacité des toitures végétalisées à abattre le ruissellement et à diminuer et retarder le pic de ruissellement. Cependant, ces observations mettent également en évidence une grande variabilité de comportement avec des coefficients de ruissellement variant entre 0 et 100 % pour une même toiture végétalisée (Hilten et al., 2008; VanWoert et al., 2005). Les principales variables explicatives seraient la hauteur de pluie et les conditions hydriques initiales, donc la période de temps sec précédant l'événement (Stovin, 2009).
L'évapotranspiration semble donc être un processus majeur dans le comportement hydrique des toitures terrasses végétalisées. Diestel et Schmidt (2004) ont estimé un taux d'évapotranspiration de 60 à 75 % de la pluie annuelle sur les toits végétalisés à Berlin. Hormis les travaux de Berghage et al. (2007), qui ont étudié l'influence du type de végétation, l'évapotranspiration n'est jamais mesurée. Les modèles à base physique sont généralement utilisés à l'échelle de l'événement et ne prennent donc pas en compte l'évapotranspiration de la période de temps sec précédant l'événement et les travaux de modélisation sur une longue période de Kasmin et al. (2010) mettent en évidence la difficulté de paramétrer ce processus.
Enfin, comme le soulignent Mentens et al., (2006), les différents résultats sont valides uniquement pour le climat de la région étudiée et il faut encore plus d'observations pour bien comprendre l'impact des toits végétalisés sur l'hydrologie urbaine. Car si les toits végétalisés sont efficaces pour la gestion des eaux pluviales à l'échelle de l'objet (le toit), leur efficacité globale diminuerait si l'on s'éloigne des centres urbains denses (Barbera et Messina, 2010 ; Carter et Rasmussen, 2007 ; Mentens et al., 2006).
Conclusions
Cette synthèse bibliographique basée sur des travaux récents montre que les toitures végétalisées permettent de diminuer le ruissellement par rapport aux toitures non-végétalisées. Bien que les processus permettant cette réduction soient connus (stockage, évapotranspiration), leur dépendance vis-à-vis des caractéristiques des toitures végétalisées (type de substrat, végétation,...) reste largement incomprise. En effet, les abattements du ruissellement observés sont très variables pour une même toiture végétalisée. La hauteur de pluie et la période de temps sec précédant l'événement pourraient être les variables les plus explicatives.
Le développement d'un modèle qui permettra de prévoir le ruissellement sortant des toitures végétalisées sous différents climats et pour différents systèmes de végétalisation, mais aussi de dimensionner ces toitures et de les intégrer dans une stratégie globale de gestion des eaux pluviales, nécessite encore de faire des observations sur de longues durées.
Pour en savoir plus :
- le site du réseau d'organisations publiques et privées Green Roofs for Healthy Cities (GRHC)
- le portail internet “The Greenroof Industry Resource Portal”
- le site du projet G.R.E.E.N. (Green Roof Environmental Evaluation Network)
Références bibliographiques :
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Auteur du texte : David Ramier, CETE d'Île-de-France
Bibliographie produite dans le cadre du projet « intérêt des Toitures Végétalisées pour la Gestion des Eaux Pluviales (TVGEP) » financé par le programme Concevoir et Construire pour le Développement Durable (C2D2) de la DRI.
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