Le défi critique du ruissellement urbain

Dans un bassin hydrographique naturel, la pluie s'infiltre dans le sol, où le sol et les plantes filtrent les polluants et rechargent lentement les eaux souterraines. Dans les villes, les surfaces imperméables – asphalte, béton, toits – préviennent l'infiltration, forçant l'eau à traverser rapidement les surfaces dures, en ramassant un cocktail toxique de contaminants organiques le long du chemin. Ces contaminants, y compris les hydrocarbures pétroliers, les pesticides, les herbicides et les produits chimiques industriels, se lavent dans les eaux pluviales et sont rejetés directement dans les rivières, les lacs et les eaux côtières.

Comprendre le ruissellement des contaminants organiques en profondeur

Les sols et les jardins des zones résidentielles et commerciales sont soumis à des pesticides, des herbicides et des engrais qui se sont lavés pendant les pluies. Les sites industriels contribuent aux solvants, aux dégraisseurs et aux produits chimiques provenant des opérations extérieures et des aires de stockage non couvertes. Même les dépôts atmosphériques, les polluants qui se sont installés sur les surfaces des gaz d'échappement des véhicules et des émissions industrielles, contribuent à la charge organique dans les eaux de ruissellement.

Ces contaminants ne sont pas triviaux. Beaucoup sont des cancérogènes connus ou soupçonnés; d'autres sont des perturbateurs endocriniens qui affectent la santé reproductive des poissons et des animaux sauvages.Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), qui sont courants dans les scellants asphaltés et les gaz d'échappement des véhicules, sont particulièrement persistants et toxiques.Les pesticides pyréthroïdes[, largement utilisés en milieu urbain et suburbain, ont été liés à une toxicité aquatique à très faibles concentrations.

En vertu de la Clean Water Act, les municipalités sont tenues de gérer les eaux pluviales par le biais du Système national de réduction des rejets de polluants (SNDE) et beaucoup se tournent vers l'infrastructure verte comme stratégie de conformité rentable. L'EPA offre des conseils détaillés sur la conception de systèmes qui réduisent les charges de polluants tout en offrant des avantages communs à la collectivité.

L'infrastructure verte définie : plus que des arbres

L'infrastructure verte (IG) comprend une série de pratiques qui utilisent la végétation, les sols et les systèmes conçus pour gérer les eaux pluviales à sa source. Contrairement à l'infrastructure grise conventionnelle – les tuyaux, les voûtes et les stations de traitement – les systèmes verts imitent les processus hydrologiques naturels pour ralentir, filtrer et infiltrer le ruissellement.

  • Jardins de raies et cellules de biorétention :[ Dépressions peu profondes et végétales qui capturent les ruissellements des toits, des allées et des stationnements.
  • Palages perméables:[ Asphalte poreux, béton pervieux et pavés entrelacés qui permettent à l'eau de passer à travers la surface dans un réservoir de pierre sous-jacent, où elle s'infiltre dans le sol ou est stockée temporairement avant une libération contrôlée.
  • Topes vertes: Couches de milieux en croissance et de végétation tolérant la sécheresse installées sur les toits. Les toits verts absorbent les précipitations, retardent le ruissellement maximal et filtrent les polluants atmosphériques qui se déposent sur la surface du toit.
  • Canopée d'arbres urbains:[ Arbres placés stratégiquement qui interceptent les précipitations, absorbent l'humidité du sol et fournissent de l'ombre qui réduit la température de chaussée et la génération de ruissellement.
  • Murites construites: Marais peu profonds conçus pour traiter les eaux pluviales par des dépôts physiques, l'absorption biologique et la dégradation microbienne des contaminants organiques.
  • Sweales et bandes tampons végées: Canaux herbacés, en pente douce, qui transmettent le ruissellement tout en permettant l'infiltration et l'élimination des polluants.

Chacun de ces systèmes est conçu pour traiter les précipitations de petite à moyenne taille, les tempêtes qui représentent la majorité du volume annuel des précipitations. En capturant la première écoulement, l'infrastructure verte empêche la partie la plus contaminée du ruissellement d'atteindre les eaux réceptrices.

Mécanismes d'élimination des contaminants

L'infrastructure verte réduit les charges de contaminants organiques par l'entremise de plusieurs processus physiques, chimiques et biologiques qui fonctionnent de concert :

Filtration et sédimentation

Comme les eaux de ruissellement s'écoulent dans des milieux poreux — sol, gravier ou végétation —, les solides en suspension s'installent ou sont piégés dans les pores. De nombreux contaminants organiques, dont les HAP et les BPC, s'adsorbent fortement aux particules de sédiments. L'enlèvement des sédiments élimine donc une grande partie de ces polluants liés.

Adsorption et échange d'ions

Les minéraux argileux et les fractions de carbone organique lient les pesticides, les herbicides et les hydrocarbures pétroliers, les immobilisent et empêchent leur transport vers les eaux souterraines. Des recherches menées par l'Université du New Hampshire , le Stormwater Center, ont révélé que les cellules de biorétention ont retiré jusqu'à 90 % des métaux lourds et 85 % des hydrocarbures pétroliers du ruissellement synthétique.

Biodégradation

Dans un environnement aérobie et riche en humidité, un jardin pluvieux bien drainé, les communautés microbiennes prospèrent et métabolisent des polluants comme l'huile moteur, le diesel et les résidus de pesticides. Les plantes contribuent également en libérant des exsudats racinaires qui stimulent l'activité microbienne, un processus appelé rhizodégradation.

Volatilisation et absorption des plantes

Some volatile organic compounds (VOCs) evaporate from the soil surface and plant leaves. Vegetation can also absorb certain contaminants through roots and translocate them into tissues, where they may be metabolized or stored. Willow and poplar trees, for example, have been widely studied for their ability to take up and degrade chlorinated solvents, though their use in urban stormwater systems is still being researched.

Stockage de l'eau et évapotranspiration

En conservant les précipitations dans les pores du sol et les tissus végétaux, l'infrastructure verte réduit le volume total de ruissellement, et donc la masse totale de contaminants rejetés. Pendant les périodes sèches, l'eau stockée est perdue par évapotranspiration, libérant ainsi de l'espace interstitielle pour le prochain événement de pluie.

Performance mesurée : ce que la science montre

De nombreuses études sur le terrain et en laboratoire ont quantifié le rendement en matière d'élimination des polluants de l'infrastructure verte.Une méta-analyse publiée dans Environmental Science & Technology a examiné les données de plus de 70 systèmes de bioretention et a révélé que le total médian des solides en suspension (STS) était de 85 %, avec un total d'élimination du phosphore d'environ 60 % et un total d'élimination de l'azote de 50 %.

Des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley, ont surveillé une série de jardins pluviaux dans la région de San Francisco Bay et ont observé une réduction de 80 à 90 % des HAP et des hydrocarbures moteurs. À Portland, en Oregon, un programme pilote utilisant des planteurs de biorétention du côté de la rue a permis de réduire de 75 % le total des hydrocarbures pétroliers et de 90 % des métaux de cuivre et de zinc, souvent associés aux contaminants organiques dans les plaquettes de frein et l'usure des pneus.

Le Conseil national de recherches a noté que, même si l'infrastructure verte est très efficace pour les petites tempêtes, le rendement peut être limité en cas de grands événements peu fréquents. Toutefois, comme la majorité des charges annuelles de polluants sont transportées par des tempêtes fréquentes, l'IG offre des avantages importants en matière de qualité de l'eau. Le rapport des Académies nationales sur la gestion des eaux pluviales souligne la nécessité d'intégrer l'IG à d'autres pratiques de protection globale des bassins versants.

Co-avantages : Au-delà de la qualité de l'eau

L'une des plus grandes forces de l'infrastructure verte est la gamme d'avantages supplémentaires qu'elle offre.

  • Atténuation de l'île de chaleur urbaine :[ La végétation procure un refroidissement ombré et évaporatif, abaissant les températures ambiantes de 2 à 5 °F en été. Cela réduit la demande d'énergie pour la climatisation et réduit le risque de maladies liées à la chaleur.
  • Amélioration de la qualité de l'air :[ Les arbres et les arbustes capturent les particules, l'ozone, le dioxyde d'azote et d'autres polluants atmosphériques, améliorant ainsi la santé respiratoire des résidents avoisinants.
  • Biodiversité améliorée et habitat pollinisateur:[ Les plantes indigènes dans les jardins pluviaux et les milieux humides construits attirent les oiseaux, les papillons et les insectes bénéfiques, créant des corridors pour la faune dans des paysages urbains autrement fragmentés.
  • Séquestration du carbone et résilience climatique:[ Les sols et la végétation dans les systèmes GI stockent du carbone. Les toits verts et les chaussées perméables aident également les bâtiments à isoler et à gérer les charges énergétiques, réduisant ainsi les émissions de gaz à effet de serre dues au chauffage et au refroidissement.
  • Récréation et santé mentale:[ Des espaces verts accessibles, y compris ceux qui servent une fonction d'eau de pluie, offrent des possibilités de loisirs et ont été démontrés pour réduire le stress et améliorer le bien-être mental.
  • Valeurs accrues des propriétés:[ Des études montrent que les propriétés proches d'une infrastructure verte bien conçue peuvent obtenir des valeurs de marché plus élevées, surtout lorsque des éléments esthétiques et fonctionnels sont intégrés aux améliorations des emprises publiques.

Défis de mise en œuvre et solutions pratiques

Malgré ses nombreux avantages, l'infrastructure verte n'est pas sans obstacles. Les villes sont confrontées à de véritables obstacles pour accroître le déploiement des GI, mais l'expérience des programmes de pointe offre une voie à suivre.

Coûts initiaux élevés

Cependant, les analyses des coûts du cycle de vie montrent que l'IG est compétitive ou moins coûteuse lorsqu'elle inclut l'entretien à long terme et l'atténuation des dommages causés par les inondations. Philadelphie Le programme Green City, Clean Waters, un investissement de 2,4 milliards de dollars sur 25 ans, devrait permettre à la ville d'économiser 6 milliards de dollars par rapport à la construction d'un vaste tunnel souterrain de stockage. Le programme Philadelphia Water Department démontre comment les villes peuvent tirer parti de l'IG pour remplir leurs mandats réglementaires de façon rentable.

Besoins en matière d'entretien

Les projets pilotes à Seattle et à Washington ont montré que l'adoption de protocoles d'entretien normalisés maintient le bon fonctionnement de l'IG pendant des décennies.

Contraintes spatiales dans les zones urbaines denses

Dans les villes plus anciennes où les rues sont étroites et où l'espace libre est limité, il peut être difficile de trouver de la place pour les jardins pluviaux ou les swings. Les approches créatives comprennent la rénovation des centres médians, des cercles de circulation et des parcs de poche, l'installation de toits verts sur des bâtiments à toit plat et l'utilisation de planteurs de biorétention côté rue qui occupent l'espace entre le trottoir et le trottoir.

Acceptation et éducation de la communauté

Les résidents peuvent être sceptiques à l'égard des jardins pluviaux situés au bord de la route, les considérer comme des dangers pour les moustiques ou des caractéristiques non kempt. Des programmes efficaces mènent des campagnes d'engagement communautaire robustes, fournissent des explications claires sur l'objectif, assurent le maintien des plantes selon un niveau esthétique élevé et offrent des incitatifs pour les propriétés privées (p. ex., des rabais sur les barils de pluie, des programmes de déconnexion des eaux de ruissellement).

Cadres politiques et réglementaires favorisant l'adoption

L'adoption d'infrastructures vertes est souvent accélérée par des exigences réglementaires et des incitations financières. L'EPAS Water Quality Trading et l'utilisation d'approches de planification intégrée permettent aux municipalités d'utiliser l'IG comme outil de conformité pour les permis d'utilisation des eaux pluviales.

Les programmes d'État, comme la loi sur la gestion des eaux pluviales et la loi sur la culture des eaux pluviales, ont également fourni des ressources durables pour la mise en oeuvre des IG.

Orientations futures : Innovation et intégration

Le domaine de l'infrastructure verte continue d'évoluer. Les chercheurs et les praticiens explorent plusieurs orientations prometteuses :

  • Infrastructure verte intelligente: Les réseaux de capteurs et les contrôles en temps réel peuvent optimiser les performances de l'IG en régulant les débits, en détournant les flux vers des systèmes sous-utilisés ou en libérant de l'eau stockée avant les tempêtes prévues.
  • Les trains de traitement:[ La combinaison de plusieurs pratiques d'IG en séquence – par exemple, un toit vert suivi d'un jardin de pluie puis d'une allée perméable – peut atteindre des taux d'élimination beaucoup plus élevés pour une plus grande série de contaminants.
  • Planification intégrée des bassins versants :[ Plutôt que de traiter l'IG comme un projet isolé, les villes commencent à planifier des réseaux d'infrastructures vertes à l'échelle des bassins versants, ciblant les zones à forte pollution et les systèmes de raccordement pour obtenir des avantages cumulatifs en matière de qualité de l'eau.
  • Equité et justice environnementale: Historiquement, les investissements dans les eaux pluviales ont été concentrés dans des quartiers plus riches. Il y a un mouvement croissant pour prioriser les projets d'IG dans les communautés mal desservies qui sont confrontées à des charges disproportionnées d'inondation et de pollution, tout en fournissant des emplois verts, en améliorant l'accès aux parcs et en réduisant les disparités en matière de santé.

Conclusion : Un chemin vers des villes plus propres

Les données probantes sont claires : l'infrastructure verte est un outil essentiel pour réduire le ruissellement des contaminants organiques dans les zones urbaines. En interceptant les eaux pluviales à la source et en les soumettant à des procédés naturels de filtration, d'adsorption, d'absorption et de dégradation, ces systèmes éliminent un pourcentage élevé d'huiles, de pesticides et de produits chimiques industriels qui dégradent la qualité de l'eau.

Mais l'intégration de l'infrastructure verte dans le tissu urbain représente un changement fondamental dans la façon dont les villes gèrent l'eau, qui passe d'un produit résiduaire à éliminer le plus rapidement possible, à une ressource qui peut être nettoyée par la nature et utilisée pour soutenir des collectivités dynamiques. À mesure que les changements climatiques intensifient les précipitations et les populations urbaines, les solutions fondées sur la nature comme les jardins pluviaux, les chaussées perméables et les zones humides construites ne feront que prendre de l'importance.