Les toitures végétalisées : puits ou sources de polluants métalliques?

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1 La place de l eau dans les Ecoquartiers de Lorraine 29 juin 2012, GEMCEA Les toitures végétalisées : puits ou sources de polluants métalliques? Julie SCHWAGER CETE de l Est LRPC de Nancy V. Ruban, J.L. Morel, R. Claverie, A. Irles, J. Thiriat Centre d'études techniques de l'équipement de l'est Ministère de l'écologie, de l'énergie, du Développement durable et de l'aménagement du Territoire 1

2 Plan - Contexte du développement de la végétalisation de toitures - Quels impacts des toitures végétalisées sur la qualité des eaux pluviales? - Méthodologie - Premiers résultats - Conclusions et perspectives 2

3 Contexte du développemen t de la végétalisation de toitures Centre d'études techniques de l'équipement de l'est Ministère de l'écologie, de l'énergie, du Développement durable et de l'aménagement du Territoire 3

4 Un peu d histoire Depuis les jardins de Babylone Habitats traditionnels turques, sibériens ou amérindiens Source: F. Lassalle Le chalet norvégien Photo: M. Marchetti Habitat traditionnel pendant des siècles Hundertwasserhaus (Vienne, 1983) Développement de la technique au cours du 20 ème s. grâce à l évolution des techniques de construction Toiture végétalisée de la Villa Le Lac par Le Corbusier (Suisse, 1923) Ecoquartier Nancy Grand Coeur ACROS building, Fukuoka Un avenir florissant en perspectives 4

5 Qu est ce qu une toiture végétalisée? Toiture végétalisée intensive Leclerc 2 Rives Nancy Toiture végétalisée extensive Station d épuration Malzéville 5

6 Plus de 90 TV repérées sur le territoire du Grand Nancy en 2010 Text Lycée Agricole, Malzéville Habitation de particuliers, Saint Max Chez un particulier à Saint Max Nancy Grand Coeur, Nancy Leclerc Deux rives Tour Joffre Source: Eckly (2008 6

7 Filière économique à développer Toit à prendre en compte dans l évaluation économique du foncier Les toitures végétalisées et le développement durable, une technique en adéquation avec les politiques actuelles Contribue à réduire les inégalités par rapport à l accès à des surfaces vertes attenantes au logement Isolation thermique Dépollution de l air et acoustique Gestion quantitative des eaux pluviales Biodiversité dans la ville Diminution de l îlot de Optimisation du fonctionnement des chaleur urbain panneaux photovoltaiques Fonctions potentielles des TV 7

8 Quels impacts des toitures végétalisées sur la qualité des eaux pluviales? 8

9 La qualité des eaux en sortie de toiture : un nouvel enjeu Directive Cadre sur l Eau (2000/60CE) : Objectifs d atteinte du bon état écologique et chimique des eaux d ici 2015 Rejets urbains de temps de pluie responsables d une part importante de la pollution des milieux aquatiques 15 à 25% de la pollution des RUTP provient des eaux météorites Contexte de récupération et utilisation des eaux de pluie -> nécessité d obtenir une eau en sortie de toitures de bonne qualité Or les toitures végétalisées sont munies de deux éléments utilisés en dépollution des eaux : un «sol» et des plantes 9

10 Une efficacité épuratoire mitigée à ce jour Quelques tendances Puits de composés azotés, Pb et Cu Source de phosphate, Fe et Mn Diminution des rejets avec l âge Augmentation avec la présence de matériaux recyclés Résultats mitigés et parfois contradictoires expliqués par : Une grande diversité de site De conditions expérimentales De structures de toitures Mais surtout : les TV ne sont pas conçues aujourd hui pour épurer les eaux pluviales (Czemiel Berndtsson, 2010) 10

11 Comprendre les flux d Eléments Traces Métalliques au sein d une structure de TV Réalisation d un bilan global sur ETM liés à la DCE (Cd, Hg,Ni, Pb, As, Cr, Cu, Zn + Sb et B) Apports atmosphériques Apports anthropiques : engrais De temps de pluie De temps sec Émissions gazeuses Structure végétalisée contenant une masse initiale de substances Stockage dans les végétaux Une fois ce bilan établi: Stockage de certaines substances Eaux en sortie de toiture -> préconisations de conception des structures végétalisées en vue d une meilleure épuration des eaux pluviales tout en prenant en compte les aspects thermiques et hydriques. 11

12 Méthodologie 12

13 Une démarche en trois étapes 13

14 Plus de 600m² de TV au CETE de l Est Un projet pluridisciplinaire : - Impacts sur la qualité des eaux - Intérêts pour la thermique du bâtiment - Supports de biodiversité avec l introduction de végétaux locaux Numéro Nom Drainage Substrat Végétaux 1 Vosges argile expansée semi-intensif Vosges 2 Stockage60 structure stockante 60 mm extensif sedum 3 Stockage40 structure stockante 40 mm extensif sedum 4 Plateau calcaire argile expansée semi-intensif plateaux calcaires 5 Fibre coco argile expansée fibre coco sedum 6 Semi-intensif argile expansée semi-intensif sedum 7 Extensif argile expansée extensif sedum 8 Bac préplanté sedum 9 Gravier 10 Semis argile expansée extensif graines Structure stockante Classique Argile expansé 14

15 Végétaux des Vosges 15

16 Végétaux des plateaux calcaires lorrains 16

17 Instrumentations complémentaires Récupération des dépôts atmosphériques de temps de pluie et temps secs Mesure du débit et récupération des eaux sorties Régulations de la hauteur d eau + Station météorologique Suivi du développement de la végétation 17

18 Premiers résultats Centre d'études techniques de l'équipement de l'est Ministère de l'écologie, de l'énergie, du Développement durable et de l'aménagement du Territoire 18

19 Des concentrations non négligeables d éléments traces métalliques dans les dépôts atmosphériques 19

20 Arsenic : Impact des TV en terme de concentration : bilan mitigé selon les éléments et variables selon les toitures (1/3) 100 % concentrations en sortie > Concentrations en entrée Concentrations en arsenic en entrée et sortie de TV de mai à décembre Concentration As DAG Vosges Stockage 40 Plateaux calcaires Fibre coco Semi-intensif Extensif Bac préplanté Gravier 0 mai juin juillet août septembre octobre novembre décembre 20

21 Bore, nickel et zinc : Impact des TV en terme de concentration : bilan mitigé selon les éléments et variables selon les toitures (2/3) - de 50% des concentrations en sortie < concentrations en entrée Concentrations en zinc en entrée et sortie de TV de mai à décembre Concentration Zn DAG Vosges Stockage 40 Plateaux calcaires Fibre coco Semi-intensif Extensif Bac préplanté Gravier 0 mai juin juillet août septembre octobre novembre décembre 21

22 Impact des TV en terme de concentration : bilan mitigé selon les éléments et variables selon les toitures (3/3) Cadmium, chrome, cuivre, plomb : + de 50% des concentrations en sortie < concentrations en entrée Concentrations en cadmium en entrée et sortie de TV de mai à décembre ,6 Concentration Cd 0,4 0,2 DAG Vosges Stockage 40 Plateaux calcaires Fibre coco Semi-intensif Extensif Bac préplanté Gravier 0 mai juin juillet août septembre octobre novembre décembre 22

23 Volume en sortie rapporté à la surface de la parcelle ( l /m Des capacités de rétention d eau intéressantes Evolution mensuelle des volumes en sortie de parcelles rapportés à la surface en 2011 Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre Pluie Vosges Stockage 40 Plateaux calcaires Fibre coco Semi-intensif Extensif Bac préplanté Gravier Stockage 40 Plateaux calcaires Fibre coco Semi intensif Extensif Bac préplanté Vosges Capacité de rétention Mai-décembre 2011 (%) Gravier 23

24 Importance de la prise en compte du flux de polluants (1/2) Concentration (µg/l) x Volume rapporté à la surface (l/m²) = Flux d ETM (µg/m²) Or - Concentrations parfois plus élevées en sortie de TV qu en entrée - Volumes considérablement plus faibles en sortie qu en entrée -> Quel bilan sur les flux d ETM en sortie de TV? 24

25 Importance de la prise en compte du flux de polluants (2/2) 25

26 Importance de la prise en compte du flux de polluants (2/2) 26

27 Importance de la prise en compte du flux de polluants (2/2) Résultats variables selon les structures mais globalement un impact positif des toitures végétalisées! 27

28 Conclusions et perspectives Centre d'études techniques de l'équipement de l'est Ministère de l'écologie, de l'énergie, du Développement durable et de l'aménagement du Territoire 28

29 De premiers résultats positifs - Apports d éléments traces métalliques par les dépôts atmosphériques non négligeables - Bonnes capacités de rétention d eau des toitures végétalisées - Flux de polluants moins importants en sortie qu en entrée de toitures végétalisées pour la majorité des éléments traces métalliques - Forte variabilité de l impact épuratoire des toitures végétalisées selon les structures 29

30 Perspectives : optimisation des capacités épuratoires des TV - Caractériser en laboratoire la capacité des matériaux constitutifs de la TV à retenir et rejeter des polluants - Modéliser le comportement d une structure réelle de toiture végétalisée à partir de ces caractéristiques via un logiciel permettant de simuler les transferts de polluants - Croiser avec les données obtenues sur sites expérimentaux grandeurs natures - Simuler d autres combinaisons de matériaux (natures ou épaisseurs différentes par ex) avec le modèle validé -> Établissement de préconisations pour la construction de toitures végétalisées aux capacités épuratoires optimisées 30

31 Pour conclure Pour la gestion qualitative des eaux pluviales comme pour toutes les fonctions potentielles des toitures végétalisées Dans le cadre d un projet de réalisation de toiture végétalisée, Nécessité d identifier au préalable les fonctions recherchées afin de construire la structure adéquate permettant de répondre à ces attentes. 31

32 Remerciements Le CETE de l Est LRPC de Nancy remercie les partenaires suivants pour leurs contributions à la réalisation de ses toitures végétalisées expérimentales : BATEC Lorraine Comptoir du Bâtiment Falienor Nidaplast OH Semence Plante&Cité Saint Gobain Weber Portugal Végétoit Merci également à la DRI du MEDDTL et au GEMCEA pour leur aide logistique et financière ainsi qu à Météo France pour la transmission de données pluviométriques. 32

33 Merci pour votre attenti on Centre d'études techniques de l'équipement de l'est 33 Ministère de l'écologie, de l'énergie, du Développement durable et de l'aménagement du Territoire