Comprendre les zones humides construites comme systèmes de gestion des eaux pluviales

Les eaux pluviales urbaines sont une source importante de pollution dans les rivières, les lacs et les eaux côtières.Les surfaces impervieuses comme les routes, les parcs de stationnement et les toits empêchent les précipitations de s'infiltrer dans le sol, causant de grands volumes de ruissellement qui recueillent les sédiments, les nutriments, les métaux lourds, les huiles, les pathogènes et d'autres contaminants.L'infrastructure grise traditionnelle – les tuyaux, les bassins de retenue et les usines de traitement – est conçue pour transporter et traiter ce ruissellement, mais il est coûteux de construire et de maintenir et souvent ne parvient pas à traiter toute la gamme de polluants.

Quelles sont les zones humides construites?

Les milieux humides construits sont des plans d'eau peu profonds et végétalisés conçus pour traiter les eaux pluviales par des mécanismes naturels. Ils comprennent un bassin bordé ou non bordé planté de végétation aquatique émergente comme les queues de chat, les broussailles et les carex, ainsi qu'une couche de substrat de sol, de gravier ou de sable. L'eau coule lentement dans le système, laissant du temps pour éliminer les contaminants par sédimentation, filtration, adsorption, absorption végétale et activité microbienne.

Principes clés de conception

Les milieux humides construits sont bien conçus et sont conçus pour maintenir une profondeur d'eau spécifique (habituellement de 6 à 18 pouces) pour soutenir les plantes émergentes tout en empêchant la canalisation. Les structures d'entrée et de sortie distribuent le débit uniformément et assurent un temps de séjour uniforme. Le substrat fournit une surface pour les biofilms microbiens et la croissance des racines. Pour éviter les courts-circuits, les chicanes ou les cellules multiples sont souvent utilisées.

Mécanismes d ' élimination des polluants dans les zones humides construites

Les milieux humides construits utilisent une série de processus physiques, chimiques et biologiques pour éliminer les polluants des eaux pluviales. La compréhension de ces mécanismes est essentielle pour optimiser la conception et la prévision du rendement.

Sédimentation et filtration physique

À mesure que les eaux pluviales pénètrent dans la zone humide, leur vitesse diminue fortement, ce qui permet aux solides en suspension de s'installer hors de la colonne d'eau. Ce processus élimine les polluants liés aux particules comme le phosphore, les métaux et les composés organiques. La croissance dense de la végétation émergente ralentit encore davantage l'écoulement et favorise le dépôt.

Dégradation microbienne et activité biologique

Les terres humides abritent diverses communautés microbiennes qui décomposent les polluants organiques, notamment les hydrocarbures pétroliers, les pesticides et les nutriments. Les bactéries aérobies près de la surface de l'eau décomposent la matière organique, tandis que les bactéries anaérobies dans les sédiments plus profonds facilitent la dénitrification, la conversion du nitrate en gaz azoté, qui est rejeté inoffensifment dans l'atmosphère. La présence de plantes humides augmente l'activité microbienne en fournissant de l'oxygène par le biais de systèmes racinaires et en fournissant du carbone organique provenant de matières végétales en décomposition.

Capture et accumulation des plantes

Certaines espèces accumulent également des métaux lourds dans leurs tissus, servant de puits pour les éléments toxiques. La biomasse végétale peut éliminer ces polluants de façon permanente, bien que cette pratique soit moins courante dans les systèmes d'eaux pluviales en raison de difficultés logistiques. Même sans récolte, la biomasse permanente fournit un bassin de stockage temporaire et la litière de plantes caduques peut libérer des nutriments si elle n'est pas gérée.

Adsorption et précipitation chimique

Les métaux et le phosphore peuvent également être éliminés par adsorption sur les particules du sol et la matière organique.Le substrat des zones humides, souvent enrichi en minéraux argileux ou en oxydes de fer, lie les métaux dissous tels que le cuivre, le zinc et le plomb.

Avantages des zones humides construites dans les zones urbaines

Les gestionnaires des eaux pluviales urbaines se tournent de plus en plus vers les zones humides construites en raison de leurs avantages multiples par rapport à l'infrastructure grise conventionnelle.

  • Opération et entretien efficaces du coût: Les milieux humides construits nécessitent relativement peu d'énergie et de travail une fois établis. L'entretien consiste principalement à enlever périodiquement les sédiments des baies avant, à contrôler les plantes envahissantes et à inspecter les structures de sortie.
  • Atténuation des pluies et recharge des eaux souterraines : Les terres humides stockent le ruissellement et le libèrent lentement, réduisant les débits de pointe et atténuant les inondations en aval.
  • Habitat Création et biodiversité :[ En fournissant une mosaïque diversifiée d'eaux libres, de végétation émergente et de zones peu profondes, les zones humides construites attirent les oiseaux, les amphibiens, les insectes et les organismes aquatiques.
  • Valeur communautaire et éducative: Les zones humides peuvent être conçues comme des équipements publics avec des sentiers de randonnée, des plates-formes d'observation et des panneaux d'interprétation.
  • Resilience climatique:[ Les zones humides construites aident les villes à s'adapter à des précipitations plus intenses et à des températures plus élevées. Elles réduisent l'effet de l'île de chaleur urbaine par l'évapotranspiration et le piégeage du carbone dans la biomasse végétale et les sols.

Comparaison avec d'autres infrastructures vertes

Bien que les jardins pluviaux, les bioswales et les chaussées perméables traitent également le ruissellement, les milieux humides construits conviennent mieux aux grandes zones de drainage (généralement plus de 10 acres) et aux charges de polluants plus élevées. Ils peuvent permettre d'éliminer les polluants de façon plus uniforme dans une plus large gamme de contaminants, particulièrement pour les nutriments et les métaux.

Variations de conception : Types de zones humides construites

Les deux principaux types de milieux humides construits utilisés pour le traitement des eaux pluviales sont les systèmes de débit de surface (SF) et de débit de surface (SSF).

Zones humides à débit de surface

Aussi appelés terres humides de surface en eau libre, ces systèmes ont exposé l'eau qui coule dans la végétation émergente. Ils ressemblent étroitement aux marais naturels et sont le type le plus courant pour le traitement des eaux pluviales. La profondeur de l'eau varie de quelques pouces à environ deux pieds, et le temps de rétention hydraulique est généralement de plusieurs jours.

Zones humides à débit souterrain

Dans les milieux humides de la SSF, l'eau coule dans un milieu poreux (graveau, sable ou roche concassée) sous la surface. Le milieu supporte les racines végétales et les films microbiens tout en empêchant tout contact direct entre l'eau et l'atmosphère, réduisant la reproduction des moustiques. Les milieux humides de la SSF excellent pour éliminer la DBO, les nutriments et les pathogènes, mais ils sont plus coûteux à construire et à encombrer si ils ne sont pas correctement entretenus.

Systèmes hybrides et améliorés

Certaines conceptions combinent le débit de surface et le débit souterrain dans un seul système, faisant passer l'eau à travers un lit de gravier végétalisé, puis une zone d'eau libre. D'autres intègrent des modifications chimiques comme les limonades d'alun ou de fer pour améliorer l'élimination du phosphore.

Applications et études de cas dans le monde réel

De nombreuses municipalités ont démontré l'efficacité des zones humides construites pour réduire la pollution des eaux pluviales urbaines. Les exemples suivants illustrent une gamme d'échelles et de contextes.

Chicago, Illinois – Calumet Stormwater Wetland

Dans le cadre du programme d'infrastructure verte de la rivière Chicago, la région de Calumet possède une vaste zone humide construite qui traite les eaux de ruissellement des zones industrielles et résidentielles. Les données de surveillance montrent que plus de 80 % des SAT et 50 % du phosphore total sont enlevés de façon uniforme.

Melbourne, Australie – Royal Park Wetlands

Les terres humides du parc royal de Melbourne traitent les eaux pluviales d'un bassin versant de 500 hectares avant qu'elles ne se déversent dans la rivière Yarra. Le système comprend une série d'étangs et de cellules de zones humides conçues pour éliminer les nutriments et les sédiments.Une étude publiée dans Ecological Engineering a révélé que les terres humides réduisaient les charges d'azote de 70 % et de 60 %, tout en soutenant une communauté diversifiée de macroinvertébrés et d'oiseaux aquatiques.

Portland, Oregon – Cully Park Wetland

À Portland, la zone humide du parc Cully traite le ruissellement d'un ancien site d'enfouissement. La conception novatrice utilise un mélange de plantes indigènes et de sols aménagés pour capturer les métaux lourds et les hydrocarbures.

Austin, Texas – Waller Creek Wetlands

Le projet Waller Creek, au centre-ville d'Austin, montre comment les terres humides peuvent être intégrées à un développement urbain dense. Le système traite les eaux de ruissellement d'un bassin hydrographique de 1,2 mille carrés, réduisant ainsi les charges polluantes dans le lac Lady Bird.

Défis et limites

Malgré leurs nombreux avantages, les zones humides construites doivent relever des défis pratiques qui doivent être relevés pendant la planification et l'exploitation.

  • Disponibilité et coût des terres :[ Les terres humides construites nécessitent une empreinte importante par rapport à la zone de drainage.Dans les centres urbains denses, trouver des terres convenables peut être difficile ou prohibitif.
  • Mousserie : L'eau de fond dans les zones humides de surface peut devenir un lieu de reproduction pour les moustiques.Une conception appropriée – comme le maintien de la profondeur de l'eau qui favorise les prédateurs des moustiques (comme les larves de libellules) et l'éviter de stagner – peut atténuer ce risque.
  • Variabilité des saisons :[ La croissance des plantes et l'activité microbienne ralentissent dans les climats froids, ce qui réduit la performance du traitement pendant les mois d'hiver.Dans les régions du Nord, les milieux humides sont souvent dimensionnés pour répondre aux normes de traitement estivale, avec un pontage hivernal ou un stockage supplémentaire.
  • Entretien Exigence :[ Bien que les terres humides construites soient faibles par rapport aux installations mécaniques, elles nécessitent toujours une inspection et des soins réguliers.Les baies antérieures doivent être draguées tous les 5-10 ans, les plantes envahissantes comme les phragmites doivent être contrôlées et les structures de sortie peuvent être encombrées de débris.
  • accumulateur de polluants:[ Les métaux lourds et certains polluants organiques s'accumulent dans le substrat et les tissus végétaux. Au cours de nombreuses années, cela peut nécessiter l'enlèvement ou le recouvrement du sol pour empêcher la recontamination.

Orientations futures et recherche

La recherche en cours vise à améliorer la conception, la performance et la résilience des milieux humides construits en milieu urbain.

adaptation aux changements climatiques

Les modèles climatiques projettent des tempêtes plus intenses et des périodes sèches plus longues pour de nombreuses régions. Les zones humides doivent être conçues pour traiter des volumes d'entrée plus importants sans égoutter la végétation ou déclencher un pontage.

Amélioration de l'élimination des éléments nutritifs

Les chercheurs expérimentent des zones aérobies-anaérobies séquentielles, ajoutent des sources de carbone pour appuyer la dénitrification et utilisent des espèces végétales spécialisées qui stockent de grandes quantités d'azote. Les modifications électrochimiques ou chimiques peuvent également être intégrées.

Intégration avec d'autres infrastructures

Les zones humides construites peuvent être jumelées à des chaussées perméables, des toits verts et des jardins pluviaux pour capturer les ruissellements à de multiples échelles avant d'atteindre les zones humides. Les contrôles en temps réel à l'aide de capteurs et de vannes automatisées peuvent optimiser le débit et la rétention en fonction de l'humidité antérieure et des précipitations prévues.

Modélisation et prévision des performances

Les progrès réalisés dans la modélisation de la qualité de l'eau et de l'eau permettent aux ingénieurs de simuler la performance des milieux humides dans des conditions variables. Des outils comme le modèle de gestion des eaux pluviales (SMS) de l'EPA peuvent intégrer des processus de gestion des milieux humides pour évaluer la réduction à long terme des polluants.

Conclusion

Les milieux humides construits représentent un outil puissant et écologiquement rationnel pour réduire les charges de pollution des eaux pluviales urbaines. En exploitant les processus naturels de sédimentation, de filtration, d'activité microbienne et d'absorption des plantes, ils peuvent éliminer une large gamme de contaminants tout en offrant des avantages pour la lutte contre les inondations, l'habitat et la collectivité.

Pour plus de renseignements sur la conception et la performance des zones humides construites, consultez la page EPA]s Green Infrastructure page[ et Water Environment Research Foundation[.