GEP : de la gestion à la valorisation grâce à la végétalisation des toitures

En matière d’eaux pluviales, la gestion dite « à la parcelle » est aujourd’hui une stratégie de plus en plus communément adoptée par les villes et communautés de communes. Un virage à 180° par rapport à la politique du tout réseau qui a commandé jusqu’au début des années 2000. Instauré à la fin du XIXe siècle, le fameux tout-à-l’égout, encore utilisé aujourd’hui, répondait au départ à un objectif hygiéniste : évacuer les eaux de toute nature le plus loin et le plus rapidement possible des centres-villes. Ce sont ces réseaux unitaires qui acheminaient par un même tuyau eaux pluviales et eaux usées vers les stations d’épuration. Ils se sont peu à peu généralisés pour devenir l’équipement de base de notre réseau de gestion des eaux pluviales.

Pollution des milieux naturels

Mais avec l’urbanisation croissante, la densification et l’imperméabilisation des sols, le phénomène de ruissellement s’est accéléré, les quantités d’eaux usées ont crû au même rythme que le nombre d’habitants, déversant des volumes toujours plus importants vers les réseaux. Résultat, dans les cas (très majoritaires) de réseaux unitaires, dès que les pluies sont fortes, les exutoires saturent et débordent. Les eaux non traitées sont alors renvoyées directement dans les milieux naturels et deviennent autant de sources de pollution. Une partie du problème a été résolue avec la mise en place, dans les nouveaux quartiers, de réseaux séparatifs sensés permettre, en dissociant l’assainissement pluvial des eaux usées, absorber les volumes et les débits supplémentaires et ainsi éviter le rejet des eaux usées et donc polluées dans la nature. Mais finalement, « concrètement ces réseaux ne sont que rarement distincts en totalité : eaux usées et eaux pluviales se rejoignent par endroits. De plus, ce procédé ne fait que déplacer le problème de l’engorgement au niveau de la station d’épuration. En cas de précipitations importantes, c’est cette dernière qui sature et qui rejette, elle aussi, l’eau dans les milieux naturels, à savoir généralement, les cours d’eau », explique Raphaël Lamé, dirigeant de l’entreprise Le Prieuré. « Les Agences de l’eau ont conscience de cette problématique et encouragent vivement dans leurs préconisations, à la réduction de déversements directs au milieu naturel, ajoute Jean-Christophe Grimard, directeur R&D chez Le Prieuré. Dans leurs nouveaux schémas directeurs de 2019, elles ont également abaissé le nombre de déversements autorisés mais bien des stations ne sont pas encore en mesure de respecter ce seuil objectif. »

Promotion de l’infiltration

D’où la nécessité d’un changement de paradigme : empêcher au maximum la pluie d’être renvoyée au réseau pour éviter tout débordement et lutter contre cette pollution des milieux naturels. Les réflexions s’orientent désormais plutôt vers la captation de la goutte d’eau au plus près de son point de chute, cette fameuse gestion « à la parcelle ». Ce principe permet non seulement de limiter les volumes à traiter par les réseaux et les stations d’épuration mais également de réduire le phénomène de ruissellement qui charge l’eau en hydrocarbures et autres polluants déposés sur la voirie. Cette évolution se traduit à travers les dispositions des schémas directeurs d’aménagement et de gestion des eaux (SDAGE) des six agences de l’eau, réparties sur tout le territoire, ensuite reprises localement dans les PLUI et PLU. « Les Agences de l’eau sont clairement favorables aux solutions permettant de réduire les volumes d’eau renvoyés au réseau et subventionnent les projets qui mettent en place des solutions permettant de réduire les volumes d’eau renvoyés au réseau », souligne Aurélie Dévant, responsable marketing chez Sopranature.  « Nous recommandons la gestion des eaux pluviales à la source depuis 1995 mais elle est devenue incontournable pour tous en 2017 avec son intégration définitive dans nos règlements d’assainissement et dans le PLU l’année dernière », confirme Elisabeth Sibeud, responsable de service au sein de la direction eau et déchets de la métropole du Grand Lyon.

Débit de fuite et abattement

Or, quelle est la surface que la pluie rencontre en premier lorsqu’elle tombe ? Le toit bien sûr ! « Il devient une alternative d’autant plus intéressante que si l’installation d’aménagements comme les bassins d’orage, les noues ou des jardins de pluie, en zone périubaine est assez simple, en revanche, en ville, au regard du coût du foncier,  il est de plus en plus difficile de trouver des espaces disponibles. De la même manière, il permet de répondre à l'obligation de respecter le coefficient de végétalisation à la parcelle », souligne Alain Prenveille, chef de service de la maîtrise d’œuvre au sein de la direction des espaces publics et des infrastructures de Rennes Métropole.

Deux principes dictent le choix des solutions mises en place. L’eau peut être stockée et renvoyée au réseau en décalage par rapport à l’événement pluvieux et selon un débit limité permettant d’éviter la saturation du réseau. C’est ce qu’on appelle la régulation du « débit de fuite ». Depuis la loi sur l’eau de 1992, les collectivités peuvent fixer des limitations sur les débits déversés dans le réseau par chaque terrain, restrictions généralement comprises entre 2 et 15 l/s/ha selon les configurations. La toiture-terrasse avec protection d’étanchéité en gravillons, dont la capacité de stockage peut aller jusqu’à 80 l/m² en fonction de son épaisseur, constitue un moyen de stocker l’eau sur la toiture et de différer son rejet au réseau. Pour en augmenter encore les performances, les industriels ont mis au point des systèmes enrichis d’une structure légère alvéolaire en nids d’abeille qui multiplie par trois les capacités de stockage de la toiture. Mais ils ne répondent qu’à une partie de la problématique d’autant plus « qu’il est très difficile d’évaluer les débits de fuite effectifs de ces procédés », précise Raphaël Lamé.

En effet, limiter le débit de fuite ne résout pas tout. Il ne fait que retarder et aplanir le phénomène. Les volumes rejetés peuvent encore dépasser la capacité du réseau en cas de débordement notamment. D’où l’attention portée à la notion d’abattement qui empêche tout ou partie du volume d'eaux pluviales d’être rejeté de la parcelle. Elle est d’autant plus intéressante qu’elle est particulièrement efficace sur les pluies inférieures à 8 mm qui représentent 80 % de la pluviométrie annuelle. Ce sont elles qui font régulièrement déborder réseau et station d’épuration. Or en la matière, une solution de toiture-terrasse paraît tout indiquée : la toiture-terrasse végétalisée. Ses propriétés intrinsèques en matière de rétention des eaux de pluie ont été analysées il y a une dizaine d’années lors de l’étude TVGEP menée par le Cerema. Elle avait alors démontré qu’un tel ouvrage, suivant l’épaisseur du substrat, était capable de retenir entre 50 et 70 % du cumul des eaux de pluie annuelles.

Ce constat très encourageant a amené à réfléchir plus loin et à étudier le cycle de l’eau transitant par ces toitures et notamment son utilisation par les plantes. Avec un objectif aujourd’hui affiché d’atteindre le zéro rejet. Les industriels de l’étanchéité et de la végétalisation de toiture travaillent depuis de nombreuses années en ce sens. Plusieurs d’entre eux ont lancé des programmes de recherche en partenariat avec différents organismes tels que le Cerema, l’Insa de Lyon et les Agences de l’eau (voir encadré). Le principe : augmenter les capacités de stockage des toitures végétalisées en y intégrant les fameux bacs et plaques de rétention déjà existants sur le marché. Résultat quelle que soit la toiture observée, les résultats des analyses se rejoignent : en plus d’augmenter les performances de la toiture en matière de rétention d’eau, celle-ci y est valorisée. Elle nourrit les plantes et « devient même une alternative à l’arrosage, rappelle Lionel Sindt, responsable technique solutions de toitures et façades végétalisées chez Sopranature. Si la quantité d’eau disponible pour les plantes est suffisante, l’irrigation peut être reportée. La connaissance de la teneur en eau ainsi que l’anticipation des conditions météo peut faire économiser jusqu’à 50 % d’eau d’arrosage. » Cerise sur le gâteau, les végétaux rejettent ensuite l’eau non pas au réseau mais dans l’atmosphère par évapotranspiration ce qui participe à son rafraîchissement et donc à la lutte contre les îlots de chaleur urbain. « Le végétal devient le moteur du système », insiste Jean-Christophe Grimard. « Une nouvelle étape est en train d’être franchie, décrit Raphaël Lamé. Nous avons vécu la ville imperméable avec le tout réseau. Nous sommes aujourd’hui dans la phase de la ville perméable qui privilégie l’infiltration. Avec ces solutions qui combinent régulation du débit et évaporation du végétal, nous essayons de tendre vers la ville respirante. »

Aujourd’hui, les systèmes de bacs de rétention proposés par les fabricants sont compatibles avec les complexes de végétalisation, avec des niveaux techniques plus ou moins perfectionnés. Il y a par exemple le système Wateroof de Siplast ou Retentio chez Soprema, Aquamodul pour Axter ou Iko Waterfix. Le Prieuré a, quant à lui, développé un procédé de « toiture hydroactive multimodale qui permet de stocker, irriguer, réguler et évaporer les eaux pluviales en toiture » baptisé Oasis. Ce système high tech associe lui aussi végétalisation et bacs de rétention qui isolent l’eau stockée de la membrane d’étanchéité. Il intègre en plus des mèches reliant les deux composants et permettant par capillarité de faire remonter l’eau stockée dans le substrat pour nourrir les plantes. « Nous avons mis en place une toiture test équipée de notre système. Son analyse montre que dans sa version la plus classique, il n’y a plus que 20 % de la pluie annuelle qui est renvoyée aux réseaux. Un taux de ruissellement qui peut descendre à 5 % selon l’épaisseur des substrats, voire 0 % pendant la période estivale. La quasi-totalité de la pluie est évapotranspirée par les plantes », note Jean-Christophe Grimard.

Pour le moment, aucun de ces complexes n’assurent un zéro rejet tout au long de l’année. C’est pourquoi ces solutions sont également équipées de limiteur de débit de fuite. « Lorsqu’elle est saturée en eau, la toiture végétalisée, même équipée de bacs de rétention, rejettera une partie de l’eau reçue. L’ajout d’un tel régulateur permet de réduire avec précision les débits de pointe et de retarder l’écoulement au réseau en créant un bassin tampon sur la toiture », explique Lionel Sindt.

Logiciels

Pour concevoir un procédé adapté aux objectifs visés et aux contraintes locales, des logiciels de calcul ont été développés en parallèle. « Notre outil « Privilège » permet d’exprimer les performances de tous nos systèmes de végétalisation en matière d’abattement de la pluie courante tout au long de l’année, explique Lionel Sindt. Il devient ainsi possible de dimensionner le procédé de végétalisation en fonction des exigences et des conditions climatiques locales. » De la même manière, chez Le Prieuré, le logiciel permet d’intégrer le type de végétalisation envisagée, les capacités de surcharge de la toiture, les exigences de débit, de stockage, d’optimisation de l’eau, de prix, les contraintes climatiques… « Il nous permet de prédire le comportement hydrique de la toiture tout au long de l’année : taux d’évapotranspiration, de rejet, de déconnexion… mais aussi les gains d’arrosage et le taux de rafraîchissement », précise Jean-Christophe Grimard. Enfin, le laboratoire DEEP de l'INSA Lyon, en partenariat avec les entreprises Siplast, Nidaplast et AS2C, avec un financement de l'Agence française pour la biodiversité (AFB, devenue l'office français de le biodiversité - OFB) a mis au point Urbis, « un outil de simulation et d’aide à la décision permettant sous différentes chroniques sur plusieurs années, d’évaluer et comparer les performances hydrologiques de plusieurs scénarios mettant en œuvre différentes techniques alternatives de gestion des eaux pluviales, autonomes et interconnectées (toitures végétalisées, noues, bassins de rétention ou surfaces perméables) à l’échelle de la parcelle », décrit Emmanuel Houssin, Product Development Manager pour Siplast.

Reste à convaincre les collectivités. « Même si elles prêtent intérêt à ces dispositifs de gestion des eaux pluviales en toiture, les réalisations concrètes tardent à se généraliser. Certaines sont en avance, comme à Lyon, à Paris, à Rennes ou à Douai, mais la plupart intègre lentement ces solutions dans leurs aménagements. Mais les choses avancent : dans son 11è programme, l’Agence de l’Eau a décidé d’élargir les dispositifs d’aide au financement de ces « techniques alternatives » au tout tuyau », souligne Jean-Christophe Grimard. En plus des problématiques classiques de surcharges de la structure et de coût, un autre frein a fait son apparition depuis quelques années : la prolifération des moustiques tigres. Evoquer une éventuelle stagnation de l’eau en toiture peut effrayer car c’est justement dans ce type de milieu que les femelles pondent et que les larves se développement. Mais, précise Emmanuel Houssin, « les procédés de rétention de type nid d’abeille sont recouverts d’un filtre non tissé qui bloque l’accès à l’eau stagnante et élimine le risque de prolifération. »