L’imperméabilisation des sols en ville génère des problématiques aigües au niveau du cycle de l’eau urbaine : dégradation de la qualité des eaux de ruissellement, saturation des réseaux de collecte, risque d’inondation. Parmi différentes solutions, la construction de toitures végétalisées offre de nouvelles perspectives dans la gestion de ces eaux pluviales urbaines. De telles structures jouent en effet un rôle de régulation hydrique en retardant les pics de débit lors des pluies d’orage et plus globalement en diminuant les flux envoyés vers les réseaux. L’objectif de cette thèse est de quantifier et de modéliser les performances hydriques ce type de Technosol urbain, en intégrant à la fois les variations saisonnières et le vieillissement de la toiture végétalisée. Le travail repose en premier lieu sur une caractérisation physique et hydrique des constituants des toitures, à travers une démarche pour partie originale de transposition des méthodes développées sur les sols. Ensuite, un suivi expérimental (monitoring des flux et paramètres météorologiques) de quatre modalités de toitures – dont deux équipées d’une structure innovante de stockage d’eau – a été effectué à deux échelles : le laboratoire et le bâtiment. La modélisation et la simulation numérique du transport de l’eau a enfin été effectuée à l’aide du logiciel HYDRUS-1D, avec le formalisme des équations de Richards qui décrivent le transfert en conditions insaturées et la résolution de van Genuchten-Mualem. Les recherches ont permis de caractériser, sur une base physique robuste, les écoulements au sein de ces milieux poreux complexes. Une estimation des performances de différentes modalités de toitures au cours de trois années climatiques est proposée en contexte climatique Lorrain. La démarche de modélisation permet de décrire fidèlement les transferts à l’échelle du laboratoire mais tend à sous-estimer les flux in situ. À plus long terme, ces travaux permettent d’envisager aussi bien la simulation du comportement de toitures végétalisées sous d’autres climats, que des développements technologiques basées sur des nouvelles associations de constituants. / The sealing in cities highly degrades the buffer and filter functions of soils which generates and/or emphasizes major environmental issues (e.g. urban heat island, flooding, pollution of the runoff water). Among other technologies, advances in green roof engineering provide solutions for the management of urban rainwater. Indeed, green roofs can highly contribute to water regulation service by delaying run-off peaks and decreasing water fluxes to storm water collection network. The purpose of this work is to quantify and model the hydric performances of such an urban Technosol by taking into account the seasonal variations and the aging of the green roof. Physic and hydric measurements were conducted on the green roof constituents. Then, water fluxes and meteorological parameters were monitored in four green roofs parcels – including two with an innovative water storage structure – both at the lab and the building scales. Finally, the hydrodynamics of green roofs was modeled and numerically investigated with HYDRUS-1D in the framework of the Richards equations and the van Genuchten-Mualem model that describe unsaturated flows. As a result: i) the water flows inside these complex porous media were physically characterized, ii) the hydric performances of different parcels over three years, under Lorraine climate, were evaluated, iii) the model approach reached to a good description of the hydraulic behavior at the lab-scale but tends to underestimate in situ water fluxes. Beyond that, this work can provide a robust approach to simulate water transfer in green roofs under different climates or situations and may also contribute to further technological development