Operational stormwater performance of building integrated green walls

Résumé technique : Performance opérationnelle de la gestion des eaux pluviales par les murs végétalisés intégrés aux bâtiments

Problématique
La densification urbaine et l'intensification des précipitations convectives augmentent la pression sur les systèmes de drainage. Bien que les solutions fondées sur la nature (SFN), telles que les murs végétalisés, offrent une approche décentralisée pour gérer le ruissellement des toitures en utilisant l'espace des façades, les directives de conception quantitative restent immatures. La littérature existante rapporte des taux de rétention par événement variant largement de 55 % à 100 %, mais ces valeurs sont difficiles à transférer dans des contextes de conception car elles manquent souvent d'une déclaration cohérente de l'humidité initiale du substrat, de l'ampleur de l'orage et des périodes de sécheresse antécédentes. De nombreuses études reposent sur des hypothèses de « démarrage à sec » (substrat totalement vide), ce qui peut représenter des conditions favorables et non opérationnelles plutôt que des scénarios réalistes où les orages suivent de courtes périodes sèches. Il existe une lacune critique dans la compréhension de la manière dont les états de stockage antécédents se traduisent en capacité de rétention disponible à travers différentes architectures de murs.

Méthodologie
Cette étude emploie un flux de travail allant du laboratoire au modèle, puis à la conception, pour évaluer les murs végétalisés alimentés par le ruissellement des toitures.

• Dispositif expérimental : Des expériences à pleine échelle ont été menées au laboratoire Green Sponge Buildings (GSB) en Norvège sur deux systèmes de murs végétalisés modulaires contrastés :
  • GW1 (Type réservoir) : Un système commercial avec réservoirs intégrés et substrat minéral, présentant un comportement de type « remplissage et débordement » (fill-and-spill).
  • GW2 (Substrat poreux) : Un système avec des éléments préfabriqués absorbants formant une surface continue et à drainage libre, permettant un passage de l'eau avant la saturation complète.
  • Les deux murs ont été instrumentés avec des débitmètres et des cellules de charge (pesant les murs à une fréquence de 1 Hz) pour vérifier indépendamment les volumes retenus et l'évapotranspiration, traitant ainsi les incertitudes de mesure courantes dans les études basées uniquement sur l'écoulement sortant.
• Modélisation : Un modèle d'événement à deux zones parcimonieux (zones de rétention et de détention) a été développé avec un pas de temps d'une minute. Le modèle intègre un rapport mur-toit ($\lambda = A_{mur}/A_{toit}$) comme principale variable de conception.
• Scénarios de simulation :
  • Évaluation du modèle : Le modèle a été calibré par rapport aux événements observés dans le laboratoire GSB pour les deux types de murs.
  • Tempêtes de conception : Des simulations d'événages uniques ont utilisé les données IDF (Intensité-Durée-Fréquence) d'Oslo pour des périodes de retour de 2 à 100 ans.
  • Orages répétés : Des chaînes de cinq tempêtes identiques de 2 ans ont été simulées avec des intervalles entre événements allant de 3 heures à 15 jours pour évaluer la récupération de la rétention via l'évapotranspiration (en utilisant les données GLEAM et les coefficients culturaux FAO-56).
  • Analyse d'incertitude : Une approche d'échantillonnage de Latin Hypercube (LHS) ($N=500$) a été utilisée pour quantifier l'incertitude de prédiction, en échantillonnant la profondeur de la tempête, les périodes de sécheresse antécédentes, les coefficients culturaux et la capacité de stockage.

Résultats clés

• Performance du modèle : Le modèle à deux zones a reproduit avec précision les volumes retenus observés pour les deux types de murs (GW1 : NSE = 0,99 ; GW2 : NSE = 0,97), validant l'approche pour distinguer les comportements hydrauliques spécifiques à chaque architecture.
• Différences d'architecture :
  • GW1 (Réservoir) : Présente une haute capacité de rétention ($h_{ret} = 38,0$ mm) avec un mécanisme de « remplissage et débordement ». Il atteint une rétention quasi totale pour les tempêtes fréquentes avec des rapports mur-toit modestes.
  • GW2 (Poreux) : Possède une capacité plus faible ($h_{ret} = 11,25$ mm) et un drainage précoce ($\theta = 0,30$). Il fournit une rétention partielle mais nécessite des surfaces murales nettement plus grandes pour atteindre des objectifs de rétention élevés.
• Impact des conditions antécédentes : L'étude a révélé que la fraction de stockage pré-orage ($f_0$) est la variable explicative dominante pour la variance de la rétention ($R^2 \approx 0,97$).
  • Sous les conditions antécédentes réalistes d'Oslo (fractions de stockage initiales moyennes de 0,87 pour GW1 et 0,64 pour GW2), les hypothèses de démarrage à sec surestiment considérablement la performance.
  • Pour une tempête de 10 ans à $\lambda = 1,0$, les hypothèses de démarrage à sec ont surestimé la rétention médiane de 89 points de pourcentage pour le mur réservoir et de 30 points de pourcentage pour le mur poreux.
• Orages répétés : La rétention se dégrade rapidement lors d'événements consécutifs avec des intervalles courts (ex. : 3 à 6 heures), car l'évapotranspiration ne peut restaurer la capacité entre les tempêtes. GW2 se dégrade plus rapidement que GW1 en raison de son plus petit volume de stockage.
• Implications de conception :
  • Pour répondre à l'exigence d'Oslo de retenir les 10 premiers mm de pluie : GW1 nécessite un rapport mur-toit ($\lambda$) d'environ 0,26 (démarrage à sec) ou 0,54 (pré-rempli à 50 %). GW2 nécessite $\lambda \approx 2,33$ (démarrage à sec) et ne peut atteindre une rétention quasi totale dans des plages de façade pratiques si le mur est pré-rempli.
  • La réduction du débit de pointe ne reflète pas toujours la rétention de volume ; une fois la capacité dépassée, la zone de détention peut encore atténuer les pics de débit même si la rétention de volume est limitée.

Signification et affirmations
L'article soutient que la performance opérationnelle de la gestion des eaux pluviales des murs végétalisés ne peut être définie par un seul pourcentage de rétention ou un type de substrat seul. Les auteurs affirment que :

1. L'état antécédent est critique : La conception et le rapport de performance doivent explicitement tenir compte de l'architecture du mur, du rapport mur-toit et du stockage antécédent (humidité pré-orage). Se fier uniquement à la rétention au démarrage à sec entraîne un biais d'optimisme important dans la conception.
2. L'architecture dicte la fonction : Les murs de type réservoir sont adaptés pour une rétention quasi totale des événements fréquents, tandis que les murs poreux avec drainage précoce agissent principalement comme des mesures de rétention partielle, à moins d'être couplés à un stockage supplémentaire (ex. : citernes).
3. Directives de conception : L'étude fournit un flux de travail transférable pour dimensionner les murs végétalisés alimentés par le ruissellement des toitures. Elle établit que pour les événements fréquents à modérés, les murs végétisés peuvent servir de contrôles à la source efficaces intégrés aux bâtiments, mais qu'ils ne sont pas une protection autonome contre les événements de crues pluviales rares en raison de l'augmentation brutale de la surface de façade requise avec la profondeur de la tempête.
4. Rapport réglementaire : Les auteurs recommandent que les revendications réglementaires et les rapports de performance utilisent des percentiles conditionnés par les antécédents ou des hypothèses de pré-remplissage explicitement déclarées, plutôt que des valeurs de démarrage à sec, qui ne devraient être traitées que comme des limites supérieures.

L'étude conclut que, bien que les murs végétisés offrent une voie viable pour la rénovation des enveloppes de bâtiments pour la gestion des eaux pluviales, leur efficacité opérationnelle est régie par l'interaction entre la capacité de stockage, les rapports façade-toit et la récupération réaliste du stockage entre les événements.