Les milieux humides construits sont des écosystèmes conçus qui imitent les processus naturels des milieux humides pour traiter les eaux usées, améliorer la qualité de l'eau et fournir des habitats.Ces dernières décennies, ils ont été largement adoptés pour le traitement des effluents municipaux, agricoles et industriels, en particulier dans les régions où les systèmes mécaniques conventionnels sont prohibitifs ou peu pratiques. Toutefois, un nombre croissant de ces systèmes sont en cours de construction ou de modernisation dans les zones côtières où l'intrusion dans les eaux salées est une menace émergente.L'intrusion dans les eaux salées est le mouvement des eaux salines vers les aquifères d'eau douce ou les systèmes d'eau de surface, et elle modifie fondamentalement la dynamique chimique et biologique sur laquelle reposent les milieux humides construits.

La menace croissante d'intrusion dans l'eau salée

L'intrusion dans les eaux salées n'est pas un problème lointain; elle affecte déjà les communautés côtières à travers le globe. L'élévation du niveau de la mer, combinée à un pompage excessif des eaux souterraines et à une subsidence des terres, conduit à des fronts salins à l'intérieur des terres. Dans des endroits comme le delta du Mékong, le delta du Mississippi et le delta du Nil, les ressources en eau douce deviennent saumâtres, compromettant l'approvisionnement en eau potable, l'agriculture et les écosystèmes naturels.

Défis uniques dans la conception de zones humides construites pour les zones d'intrusion en eau salée

La construction d'une zone humide fonctionnelle construite dans une zone d'intrusion d'eau salée est fondamentalement différente de la conception d'une zone dans un environnement stable d'eau douce.

Stress de salinité sur la végétation

Les macrophytes d'eau douce – tels que Phragmites australis ( roseaux communs), Typha spp. (chauceaux), et Schoenoplectus[ spp. (broussailles) – sont les chevaux de travail de la plupart des milieux humides de traitement. Ils fournissent une surface pour les biofilms microbiens, oxygénent la rhizosphère et éliminent de façon saisonnière les nutriments par absorption et récolte. Toutefois, ces plantes sont sensibles aux concentrations élevées de chlorure de sodium. À des niveaux de salinité dépassant 5 à 10 parties par millier (ppt), de nombreuses espèces d'eau douce présentent une croissance réduite, une chlorose foliaire et éventuellement une dépérissement. La perte de végétation non seulement la valeur esthétique et l'habitat de la zone humide, mais aussi une grave altération des performances du traitement.

Perturbation de l'activité microbienne

Les microorganismes sont responsables des processus de traitement des milieux humides construits : décomposition de la matière organique, nitrification, dénitrification, précipitation du phosphore et élimination des agents pathogènes. Chaque groupe fonctionnel a une plage de salinité préférée. Les concentrations élevées de sel imposent un stress osmotique aux bactéries, causant une déshydratation cellulaire et une dénaturation enzymatique. Pour les bactéries nitrifiantes, même une salinité modérée (au-dessus de 10 à 15 ppt) peut réduire les taux d'oxydation de l'ammoniac de 50 % ou plus. Les dénitrifiants sont généralement plus tolérants mais peuvent encore être inhibés à des salinités extrêmes. Le résultat est une diminution de l'efficacité globale du traitement, en particulier pour l'azote et la demande biochimique en oxygène (DBO).

Complications physicochimiques et hydrauliques

L'intrusion dans l'eau salée n'affecte pas seulement la biologie; elle modifie la chimie physique de l'eau des zones humides. L'augmentation de la force ionique modifie la solubilité des métaux et des nutriments. Par exemple, le phosphate lié au fer ou à l'aluminium dans les sédiments peut être déplacé par des ions chlorures, ce qui entraîne une remobilisation du phosphore et une eutrophisation de l'écoulement. La salinité augmente également la densité de l'eau, ce qui peut supprimer le mélange vertical et créer une stratification par densité. Dans une zone humide peu profonde, cela peut entraîner une couche inférieure stable de saline où l'oxygène est rapidement appauvri, tandis que l'eau douce se déplace au-dessus – une condition qui réduit considérablement le volume de traitement efficace.

Problèmes de durabilité et d'entretien à long terme

Même si la salinité de l'influent est modérée, l'évapotranspiration concentre les sels dans l'eau et les sédiments des zones humides. Au cours de plusieurs années, le sodium et le chlorure peuvent s'accumuler jusqu'à des niveaux qui dépassent la tolérance des plantes halophytes. En l'absence de chasse régulière avec l'eau douce, la zone humide devient un puits de sel qui s'empoisonne. De plus, la communauté microbienne tolérante aux sels qui, par la suite, se met en place peut avoir un métabolisme plus lent que les autres, nécessitant des temps de traitement plus longs.

Solutions d'ingénierie et stratégies de conception

Malgré les défis considérables, une vaste expérience de recherche et de pratique a permis de trouver des solutions efficaces, qui permettent de résoudre simultanément les problèmes biologiques, chimiques et physiques, souvent en combinant le génie écologique et les innovations en génie civil.

Sélection et établissement de la végétation tolérante au sel

La solution la plus simple consiste à utiliser des halophytes – plantes qui prospèrent dans des environnements salins.Salicorne europaea (verre), Juncus roemerianus (raid de la neige), et Batis maritima[ (saltwort) ont prouvé leur efficacité dans les milieux humides à l'échelle pilote. Certaines de ces espèces tolèrent des salinités jusqu'à 40 ppt, qui sont près de la concentration en eau de mer. Cependant, les halophytes ont souvent une productivité de la biomasse et des taux d'absorption des nutriments plus faibles par rapport aux espèces d'eau douce.

Modifications de conception hydraulique

Une approche consiste à créer une lentille en eau douce en pompant l'eau traitée ou l'eau de faible salinité dans une zone de recharge séparée en amont de la zone humide. Cette lentille agit comme une barrière hydraulique, en repoussant l'eau de mer en intrusion. Une autre méthode consiste à construire une paroi de coupe sous-jacente – une paroi de lisier de bentonite ou un tas de tôle – qui bloque latéralement l'écoulement de l'eau souterraine saline. Pour les zones humides marémotrices, une barrière à volets à sens unique ou une soupape de contrôle peut empêcher l'eau salée de se replier dans le système pendant les marées élevées. Le chemin de circulation lui-même peut être conçu comme un canal serpentin avec de multiples cellules, permettant aux exploitants d'isoler une section si un pic de sel se produit, protégeant ainsi la majorité de la biomasse de la zone humide.

Amendements aux documents de substrat et aux médias

Pour les zones d'intrusion dans l'eau salée, le milieu doit être choisi pour minimiser l'adsorption du sel et pour faciliter la lixiviation. Le gravier grossier à faible capacité d'échange de cations réduit la tendance à se lier et à s'accumuler. L'ajout de matériaux comme la zéolite ou le biochar peut améliorer la rétention des nutriments sans exacerber l'accumulation de sel, à condition qu'ils soient périodiquement rincés. Une autre technique émergente consiste à incorporer une couche de sulfur-based substrats qui, dans des conditions de réduction, peuvent favoriser la dénitrification autotrophique en utilisant le sulfure comme donneur d'électrons.

Systèmes hybrides et intensifs

Par exemple, une zone humide à flux vertical suivie d'une zone humide à flux horizontal – avec élimination intermédiaire du sodium par osmose inverse ou par électrodialyse – peut traiter efficacement les eaux usées salines. Une autre innovation est l'utilisation de saltes-tolérants étangs d'algues en amont de la zone humide, les algues absorbent des éléments nutritifs et produisent également du carbone organique qui soutient la dénitrification, tout en tolérant la salinité élevée. Ces configurations hybrides augmentent les coûts de capital et d'exploitation, mais elles fournissent un filet de sécurité lorsque les procédés naturels ne peuvent pas gérer seule la salinité extrême ou variable.

Surveillance, contrôle des commentaires et gestion adaptative

Un programme de surveillance solide devrait comprendre des capteurs de conductivité en temps réel à l'entrée, à divers points internes et à la sortie. Ces capteurs peuvent déclencher des alertes ou des ajustements automatiques : détourner le débit vers un bassin de stockage, augmenter le taux de dilution en eau douce ou fermer une cellule. Des mesures régulières de la santé des plantes (p. ex., teneur en chlorophylle des feuilles, densité des tiges) et de l'activité microbienne (p. ex., taux d'absorption d'oxygène) peuvent prévenir un déclin imminent longtemps avant que la qualité des effluents ne se détériore. Un plan de gestion adaptative devrait indiquer des seuils et des réponses spécifiques – par exemple, si la salinité dépasse 20 ppt pendant plus de sept jours consécutifs, une chasse d'eau douce planifiée est exécutée et la végétation est réévaluée.

Études de cas et applications du monde réel

Plusieurs projets dans le monde démontrent que les zones humides construites peuvent fonctionner dans les zones d'intrusion d'eau salée lorsqu'elles sont conçues en tenant compte de ces principes. Les données de rendement montrent que, malgré les 30 niveaux de rejet, les données de rendement montrent que les zones humides construites peuvent fonctionner dans les zones d'intrusion d'eau salée lorsqu'elles sont conçues en tenant compte de ces principes. Les données de rendement montrent que les zones humides construites dans les zones humides construites dans les eaux salées ont été construites dans la réserve nationale de recherche Estuarine de Weeks Bay à Alabama, où les chercheurs ont testé un système de traitement des eaux pluviales pendant les impulsions régulières d'eau salée.

Aux Pays-Bas, des chercheurs ont construit des zones humides flottantes sur des lacs saumâtres créés par intrusion dans l'eau salée, qui utilisent des nattes pré-végétées de Schoenoplectus tabernaemontani (grande bulrushe) qui puisent de l'eau dans le lac et le traitent par microbes associés aux racines. La conception flottante isole les plantes des sédiments du fond où les concentrations de sel sont les plus élevées, permettant à la zone humide de prospérer dans des eaux à salinité inférieure à 15 ppt. Une étude publiée dans La recherche sur l'eau[ (2020) a expliqué comment une zone humide construite en deux étapes dans une zone agricole côtière du Vietnam a enlevé 70 % de l'azote et 85 % du phosphore même lorsque les flux de retour d'irrigation ont porté des niveaux élevés de chlorure.

Orientations futures et besoins en matière de recherche

Les niveaux de la mer devraient augmenter de 0,3 à 1,0 mètre d'ici 2100, ce qui poussera l'intrusion dans les eaux salées et intensifiera le stress sur les zones humides côtières. D'abord, le dépistage génétique et la reproduction[ des halophytes pourraient produire des cultivars avec une tolérance encore plus élevée au sel et une efficacité de l'absorption des nutriments. Deuxièmement, outils de modélisation[ que les processus hydrodynamiques, biogéochimiques et écologiques sont essentiels pour prédire la performance des zones humides dans les scénarios futurs de salinité.

Ces appareils peuvent récolter des électrons à partir de l'oxydation de la matière organique, augmenter les taux de traitement et générer de petites quantités d'électricité – tout en montrant une tolérance à la salinité modérée. Enfin, il faut effectuer des études de terrain à long terme [ sur une période d'au moins une décennie. La plupart des études actuelles durent un à trois ans, ce qui est insuffisant pour documenter la lente accumulation de sels, l'évolution des communautés végétales ou la corrosion progressive des infrastructures.

Conclusion

Les milieux humides construits offrent une solution naturelle pour le traitement de l'eau qui est rentable, économe en énergie et bénéfique pour l'environnement. Cependant, dans les zones côtières où l'intrusion dans l'eau salée est une réalité, les conceptions conventionnelles en eau douce échoueront. Les défis – de la décantation des plantes et de l'inhibition microbienne à l'accumulation de sel et à la corrosion des matériaux – sont importants mais non insurmontables. Avec des choix éclairés en matière de végétation, de modifications hydrauliques, de modification des substrats et de gestion adaptative, les ingénieurs et les écologistes peuvent construire des milieux humides qui demeurent résilients, même à mesure que les régimes de salinité changent.