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Végétaliser pour refroidir les espaces urbains : des solutions fondées sur la nature

Focus – Actualisation : septembre 2021

La végétation agit sur les températures ressenties via deux mécanismes : l’évapotranspiration des plantes et du sol et la formation d’ombre.   Des espaces végétalisés bien fournis en eau et capables de la stocker peuvent contribuer à réduire significativement la température de l’air.  Plus le réseau d’espaces verts sera dense et les superficies étendues, plus l’impact du refroidissement sera important et perceptible à grande échelle.
L’étude de scénarios de végétalisation appliqués à 4 zones critiques de la Région bruxelloise a permis d’estimer que la mise en œuvre de mesures de végétalisation de grande ampleur permettrait, durant les jours de grande chaleur, de réduire les valeurs de stress thermique en dessous du seuil où des problèmes de santé publique commencent à apparaître. Découvrez comment…

Des vagues de chaleur de plus en plus fréquentes en ville

En ville, les températures de l’air, des surfaces et du sol sont presque toujours plus importantes que dans les zones rurales environnantes. Ce phénomène est connu sous le nom d’« îlot de chaleur urbain »).  Il peut être observé tout au long de l'année mais constitue principalement un problème le soir et la nuit pendant les mois d'été. 
Une étude a mis en évidence que les températures de l’air sont plus élevées de 3°C en moyenne au centre de la Région bruxelloise qu'à ses alentours ruraux en été. Lorsque certaines conditions spécifiques sont réunies, la température de l’air pendant la nuit peut être jusqu’à 8-9°C plus élevée dans le centre-ville urbanisé que dans la campagne périphérique. Il y a en outre en moyenne 3 fois plus d’épisodes de fortes chaleurs dans le centre de Bruxelles qu'en zone rurale (voir focus « Cartographie des îlots de fraicheur à Bruxelles  »  ). 
Suite aux changements climatiques, ces vagues de chaleur sont amenées à être de plus en plus fréquentes. Alors que le climat actuel en Belgique présente en moyenne moins d’une demi-journée de vague de chaleur par an, des modélisations (basées sur le scénario le moins bon) réalisées dans le cadre du projet Cordex.be prévoient que ce phénomène se produise plus de 20 jours par an pour la période 2070-2100, avec des augmentations encore plus fortes en milieu urbain, comme à Anvers, Liège ou Bruxelles (voir fiche documentée « Evolution future du climat en Belgique et en RBC et conséquences et risques associés  » et focus « Evolution future du climat en RBC et adaptations possibles ») .
Déjà à l’heure actuelle, les vagues de chaleur représentent une cause très importante de problèmes de santé au sein de la population. Selon l’Institut national de santé publique (Sciensano), les 3 vagues de chaleur enregistrées durant l’été 2019 en Belgique ont chacune coïncidé avec une surmortalité de la population, particulièrement à Bruxelles en ce qui concerne les 2 premières (respectivement 4% entre le 21 juin et le 2 juillet et jusqu’à près de 35% pour la période du 19 au 27 juillet 2019). Bien qu’il existe encore une certaine incertitude quant aux causes exactes de cette surmortalité, Sciensano insiste sur la nécessité de se protéger contre les effets des fortes chaleurs pour limiter les risques, particulièrement au vu de l’évolution potentielle du nombre de vagues de chaleur. L’adaptation des villes pour faire face aux épisodes de chaleurs estivales constitue un enjeu de taille pour le bien-être et la santé des citadins. 

Une étude pour mieux comprendre l’impact de la végétalisation des espaces urbains sur le confort thermique des citadins 

Parmi les mesures d’adaptation préconisées pour réduire l’impact de la chaleur en milieu urbain figure le développement d’espaces verts et de la végétation. Plusieurs plans bruxellois, dont le plan régional de développement durable (PRDD), le plan Air-Climat-Energie, le plan de gestion de l’eau ou encore le plan Nature, comportent ainsi des mesures visant à accroître la présence de végétation dans la ville afin de bénéficier des différents « services écosystémiques » apportés par cette dernière. Ces bénéfices incluent l’amélioration de la qualité de l’espace public, le support à la biodiversité, la régulation du cycle de l’eau et du climat, la modération des conditions météorologiques extrêmes, l’assainissement de l’air, le captage du dioxyde de carbone, l’amélioration de la qualité du sol,  ou encore, la création de zones calmes et de confort, notamment au niveau des espaces publics. Les mécanismes à la base de certains de ces impacts sont néanmoins complexes et leurs effets réels, en milieu urbain, généralement peu connus.  

C’est dans ce cadre qu’une étude visant à synthétiser les connaissances scientifiques concernant l’impact de la végétation urbaine sur l’exposition des citadins aux polluants atmosphériques, au bruit et aux fortes chaleurs a été effectuée en 2020 à la demande de Bruxelles Environnement.

Le but de cette étude est d’objectiver le potentiel  de la végétation pour réduire, localement- et en milieu extérieur, des problèmes de qualité de l’air, de bruit ou de chaleur ressentie et de disposer de recommandations générales concernant la mise en œuvre de ces solutions, qualifiées de  solutions fondées sur la nature   (ou nature-based solutions), au niveau bruxellois.

Les solutions fondées sur la nature (SFN) ou nature-based solutions (NBS) sont définies par la Commission européenne comme des solutions inspirées par la nature et reposant sur cette dernière, qui sont rentables, qui offrent des avantages à la fois environnementaux, sociaux et économiques et qui favorisent la résilience. De telles solutions apportent aux paysages (…) des caractéristiques et des processus naturels plus nombreux et diversifiés, grâce à des interventions systémiques adaptées aux conditions locales et efficaces en termes d’utilisation des ressources. La Commission souligne en outre que les solutions fondées sur la nature doivent s’avérer bénéfiques pour la biodiversité et contribuer à la fourniture d’une série de services écosystémiques.

Ce focus traite du lien entre végétation et confort thermique des usagers des espaces publics en périodes de fortes chaleurs. Son contenu sur fonde en grande partie sur les résultats de l’étude précitée (VITO et WITTEVEEN+BOS 2020). L’impact de la végétalisation des espaces publics sur l’exposition au bruit et à la pollution atmosphérique fait l’objet de deux autres focus. 

La température de l’air ne donne pas une image complète de la température ressentie. Celle-ci dépend en effet également de l’exposition au rayonnement solaire, de l’humidité de l’air et du vent.

L'indice de température au thermomètre-globe mouillé, de son nom originel « wet-bulb globe temperature » (WBGT), est un indice composite qui prend en compte les effets de ces différents paramètres sur l’homme. Il constitue un standard international pour quantifier le confort thermique utilisé par exemple en hygiène du travail ou par les militaires pour déterminer les niveaux d’exposition à des températures élevées. Une cartographie des îlots de fraîcheur a été établie sur base d’une simulation des valeurs de l'indice WBGT, reflet du stress thermique, sur l’ensemble du territoire bruxellois (voir focus sur le sujet).

L’ombrage des arbres et l’évapotranspiration de la végétation, des sols et des points d’eau contribuent à améliorer le confort thermique des citadins

Comment les arbres rafraîchissent la ville

Source : Bruxelles Environnement (adapté de VITO et WITTEVEEN+BOS 2020)

La végétation urbaine agit sur les températures ressenties via deux mécanismes:

  • la limitation du rayonnement solaire incident par la formation d’ombre (absorption et, dans une moindre mesure, réflexion des rayons solaires par la végétation) 
  • l’évapotranspiration

L’évapotranspiration regroupe deux phénomènes distincts :

  • l’évaporation de l’eau interceptée par les feuilles et branches mais aussi celle de l’eau emmagasinée dans les sols et les points d’eau
  • la transpiration des plantes : chez les végétaux, la transpiration est un processus continu causé par l’évaporation d’eau, prélevée par les racines, au niveau des feuilles (principalement via de minuscules orifices appelés stomates) et qui permet à celles-ci de maintenir à leur surface une température acceptable ainsi que la circulation de la sève

L’évaporation de l’eau liquide en vapeur nécessite de l’énergie (chaleur) qui est prise dans l’air ou au végétal ce qui se traduit par un rafraîchissement de l’air.

Une zone végétalisée bien fournie naturellement en eau et capable de l’emmagasiner est apte à  répondre efficacement aux problèmes de stress thermique par une diminution de la température de l’air (via l’évapotranspiration) mais surtout par la création d’ombre. L’importance du rayonnement solaire est en effet un facteur important déterminant le confort thermique. Aux moments les plus chauds de la journée, l'ombrage des arbres revêt une importance cruciale. 

Au-delà de l’espace végétalisé lui-même, l’espace de pleine terre auquel il peut être associé contribue également à optimiser les bénéfices apportés par la végétation, notamment via l’évaporation des eaux pluviales infiltrées.
Le rafraîchissement apporté par la végétation dépend de nombreux facteurs parmi lesquels les  caractéristiques des végétaux et des sols (capacité de stockage de l’eau et mode de gestion des eaux pluviales), la taille et densité des espaces verts, l’implantation dans l’espace urbain (distance par rapport aux zones à rafraîchir, localisation par rapport aux écoulements de l’air et au soleil) ou encore, les conditions météorologiques locales.  

La formation d’ombre et l’évapotranspiration sont surtout le fait des arbres relativement aux plantes herbacées et aux arbustes. Par temps sec et chaud, un grand arbre peut évaporer et transpirer des centaines de litres de vapeur d’eau par jour.  

 

Un air sensiblement plus frais dans les parcs urbains en été mais un effet essentiellement local

Les mesures indiquent que les espaces verts sont toujours plus frais que les autres lieux urbains et que l’importance du refroidissement augmente avec la taille de l’espace vert. Cet effet reste cependant localisé et n'a pas ou peu d'impact sur les températures des zones voisines.
Une campagne de mesure réalisée par le VITO à Anvers durant l'été 2013 a montré que le Parc de la ville (stadspark) était clairement l'endroit le plus frais du centre-ville. Par une chaude soirée d'été, la température de l'air y était inférieure de 3°C à celle du tissu urbain situé à proximité. De même, lors d’une journée chaude, la température de surface dans le parc était inférieure de 15°C à celle de l'environnement urbain. Sur l'ensemble de l'été, le parc de la ville était plus frais de 1°C le soir et la nuit et 0,5°C plus frais pendant la journée.  Ces résultats sont du même ordre de grandeur que ceux obtenus dans le cadre de recherches scientifiques similaires menées dans d’autres villes.

La combinaison d’arbres d’alignements, de façades végétalisées et de toitures vertes peut réduire localement la température de l’air d’une rue jusqu’à 2°C 

À un niveau plus local, Gromke et al. (2015) ont étudié l'effet de rangées d'arbres, de façades végétalisées et de toitures vertes sur la température de l'air dans une rue canyon en utilisant des simulations. Il en ressort que, par une journée chaude, ce sont les arbres d’alignement qui refroidissent la rue le plus efficacement à savoir jusqu'à un maximum de 1,5°C localement. 
La verdurisation des façades et les toitures vertes induisent un refroidissement de l’air limité de maximum 0,5°C. Dans le cas d'une combinaison de ces mesures, le refroidissement en termes de distribution spatiale et d'intensité ressemble globalement à une superposition linéaire des refroidissements occasionnés par les mesures de végétalisation appliquées seules, avec une réduction de température moyenne de 0,5 °C et maximale de 2,0 °C. Ces effets ne se produisent qu'à proximité de la verdure installée, soit à quelques mètres. Lorsqu’il n’est pas possible ou souhaitable de planter des arbres d’alignement de part et d’autre de la voirie, mieux vaut privilégier si possible une implantation côté nord de la rue (dans une rue orientée est-ouest) car les bâtiments du côté sud fournissent déjà de l’ombre au niveau de la rue aux heures les plus chaudes de la journée.

Seul un réseau dense et étendu d’espaces verts et d’espaces végétalisés peut contribuer à une baisse significative de la température de l’air à l’échelle de la ville 

Pour améliorer le confort thermique des usagers des espaces urbains, il est nécessaire de multiplier, dans l’ensemble de la ville, des petits espaces verts – si possible ombragés -  et de les connecter entre eux au maximum.  Plus le réseau d’espaces verts sera dense et plus les superficies d’espaces verts seront étendues, plus l’impact du refroidissement sera significatif et pourra se faire sentir à grande échelle.
La localisation des espaces verts joue également un rôle important. Des espaces verts aménagés au vent de la ville permettent au vent de répartir l’air frais dans la ville. Certains axes verdurisés peuvent jouer le rôle « de couloirs climatiques » en connectant la ville avec des zones périphériques plus fraîches. 

La présence d’eau contribue aussi à rafraîchir l’air mais joue peu sur le confort thermique si elle n’est pas accompagnée d’ombrage

La présence d'eau peut également être utilisée pour rendre le climat des villes plus agréable. Plus l'eau s'évapore facilement, plus l'effet de refroidissement sera important. A cet égard, les fontaines et les brumisateurs s’avèrent plus efficaces que de l’eau stagnante (mais soulèvent la question de la consommation d’eau potable et d’énergie). Par exemple, dans le cas d’une fontaine à jet à Tokyo, une réduction de 1 à 2°C de la température de la zone localisée sous le vent a été constatée (Kimoto et al. 1998).  Au niveau des espaces publics, les dispositifs de cheminements d’eau  peuvent avoir un effet rafraîchissant sous réserve qu’ils soient correctement conçus et dimensionnés, en particulier en évitant les eaux peu profondes et stagnantes. A défaut, la chaleur absorbée par l’eau en journée sera lentement libérée dans l'environnement durant la nuit ce qui peut conduire à renforcer localement l’effet d’îlot de chaleur.

Des dispositifs de cheminement d’eau bien dimensionnés peuvent contribuer à rafraîchir l’air 

Source : VITO et WITTEVEEN+BOS 2020

A proximité immédiate des surfaces d'eau, la température de l'air est nettement plus fraîche l'après-midi mais, en raison du rayonnement solaire incident et de l'humidité de l’air plus élevée, les valeurs de l’indice de confort thermique WBGT ne sont pas vraiment inférieures. L’idéal est donc de combiner la présence d’eau avec l’effet d’ombrage de la végétation.

Végétaliser la ville, oui … mais pas n’importe comment

Lors d’un projet de végétalisation de l’espace public, le choix des essences doit tenir compte de nombreux facteurs en lien avec les besoins et contraintes liées aux différentes espèces ainsi qu’avec les bénéfices environnementaux et socio-économiques (ou services écosystémiques) rendus par celles-ci. 
Du côté des services écosystémiques, il importe de prendre en considération des éléments tels que la contribution à la biodiversité (avec notamment la question des espèces indigènes et exotiques), la qualité de l’ombrage, le potentiel de rafraîchissement, la capacité de réduire localement la pollution de l’air et/ou les nuisances sonores (voir focus « Végétaliser pour réduire l’exposition locale à la pollution de l’air : des solutions basées sur la nature »  et « Végétaliser pour réduire localement l’exposition au bruit : des solutions fondées sur la nature  »), la capacité de protéger du vent, l’intérêt paysager ou patrimonial, la production de fruits comestibles ou encore, le stockage de dioxyde de carbone
Les contraintes et besoins à analyser sont notamment les risques allergiques liés à certains pollens, les racines potentiellement intrusives dans les réseaux souterrains ou susceptibles de déformer les revêtements de surface, les dimensions de l’arbre à l’âge adulte, la rapidité de croissance et la longévité de l’arbre, l’adaptation au climat local actuel mais aussi aux évolutions climatiques attendues (résistance au stress hydrique et thermique en particulier), les besoins en eau et sol, les risques de chute de branches ou de fruits, le dépôt de miellats, les exigences en terme de gestion, la sensibilité aux maladies et espèces nuisibles, aux polluants, aux sels de déneigement, etc. 

Ces nombreux facteurs doivent être modulés en fonction du contexte urbain et des usages attendus du lieu d’implantation.
Les choix en termes de végétation peuvent impliquer des enjeux contradictoires. Par exemple, les végétaux les plus résistants à la sécheresse ont souvent une surface foliaire réduite et une physiologie limitant leur transpiration avec comme conséquence un impact rafraîchissant moindre.  Le choix et la combinaison des plantations doivent donc faire l’objet d’une réflexion spécifique à chaque projet.   

De manière générale, les espèces feuillues sont préférables aux conifères car en perdant leurs feuilles en hiver, elles entravent moins la ventilation de l’air et l’obstruction à la dilution des polluants et permettent au soleil de chauffer la rue et les bâtiments adjacents.

Un enjeu essentiel est de concilier préservation des ressources en eau et végétalisation massive des villes

Avec le réchauffement climatique, on assiste de plus en plus à la nécessité d’arroser certaines plantations en période estivale, y compris sous nos latitudes, alors que les ressources en eau sont parfois mises sous pression.  Par ailleurs, comme explicité précédemment, l’effet rafraichissant de la végétation repose sur l’évapotranspiration, qui nécessite la présence d’eau dans le sol, ainsi que sur la formation d’ombrage, liée à la densité du feuillage elle-même liée en partie à l’absence de stress hydrique. 
Outre le choix des essences et le recours éventuel à des méthodes d’irrigation économes en eau, la réponse à l’enjeu de l’approvisionnement des plantations en eau s’inscrit dans celui, plus vaste, de la gestion de l’eau dans la ville avec notamment les projets de désimperméabilisation des sols, de mise en valeur de l’eau dans l’espace urbain, de récupération et gestion  des eaux de pluie là où elles tombent ou, tout simplement, de gestion intégrée des eaux pluviales.  
De manière générale, pour éviter ou limiter le stress hydrique des arbres et autres plantations, il faut veiller à ne pas empêcher l’eau de ruissellement d’atteindre les espaces végétalisés. Cela passe par la désimperméabilisation de certaines zones de  voiries -  en particulier, de parking - ou encore, par l’utilisation de revêtements semi-perméables. Une attention particulière doit toutefois être accordée à la qualité des eaux de ruissellement infiltrées et aux risques de pollution des nappes (hydrocarbures, métaux lourds, etc.). Pour éviter une contamination potentielle, il peut s’avérer nécessaire de mettre en place des systèmes de phytoépuration, voire des solutions permettant uniquement l’évapotranspiration des eaux sans infiltration.
Il peut aussi être recommandé d’adapter, en termes de volume et de porosité, les fosses de plantation des arbres de manière à améliorer le stockage des eaux de ruissellement. Lorsque l’espace dans le sol est limité (présence de constructions ou d’impétrants), une alternative moins invasive dans le sol est d’implanter des fosses d’eau pluviale au pied des arbres où les eaux sont acheminées par ruissellement. Cette eau sert ensuite à l’alimentation des arbres et sera évacuée par évapotranspiration et infiltration dans le sol. Des systèmes d’alimentation des arbres par drainage des surfaces environnantes peuvent aussi être mis en œuvre  (pour plus d’information voir infofiche sur les arbres de pluie ). 

Pour les cas étudiés en Région bruxelloise, l’application de solutions fondées sur la nature de grande ampleur pourrait réduire localement de 0,5 à 2,5°C (indice WBGT) la température de l’air

Afin d’estimer, en première approche, le potentiel théorique de solutions fondées sur la nature pour réduire localement l’exposition des usagers de l’espace public à la pollution de l’air et aux nuisances sonores ainsi qu’aux chaleurs excessives, 4 zones bruxelloises représentatives de différentes configurations spatiales ont été étudiées. 
Pour chacun de ces cas, un scénario minimaliste (mesures de végétalisation compatibles avec une conservation des infrastructures de mobilité existantes) ainsi qu’un scénario maximaliste (mesures de végétalisation impliquant une emprise spatiale significative) ont été étudiés.

Principales solutions fondées sur le nature envisagées pour améliorer localement le confort thermique des usagers de l’espace public 

Source : VITO et WITTEVEEN+BOS 2020

Il en ressort que, pour les cas étudiés, le recours à une végétalisation importante de l’espace public permettrait une réduction locale de l'indice de température au thermomètre-globe mouillé comprise entre 0,5 à 2,5°C (indice WBGT). Cette baisse suffit généralement pour permettre aux valeurs de stress thermique mesurées par temps chaud de descendre en dessous du seuil où les problèmes de santé deviennent apparents.
Comme explicité ci-dessus, chaque projet de végétalisation doit faire l’objet d’un examen spécifique afin d’optimiser l’effet rafraîchissant tout en tenant compte des autres bénéfices écosystémiques attendus et des contraintes du site.  
Datum van de update: 09/02/2022

Documenten: 

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Thématique sol 

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