Comprendre le ruissellement des éléments nutritifs des paysages urbains

L'expansion des zones urbaines transforme les paysages naturels en surfaces imperméables telles que les routes, les parcs de stationnement et les toits. L'eau de pluie qui, une fois infiltrée dans le sol, s'écoule rapidement, ramasse les polluants des pelouses, des jardins et des rues. Parmi les contaminants les plus nocifs, on trouve l'azote et le phosphore, deux nutriments qui alimentent l'eutrophisation dans les plans d'eau en aval. L'eutrophisation déclenche des proliférations d'algues nuisibles, détruit l'oxygène dissous, tue les poissons et dégrade les sources d'eau potable.

Même les petites parcelles résidentielles, lorsqu'elles sont regroupées dans un bassin hydrographique, peuvent produire des flux de ruissellement importants. L'infrastructure traditionnelle des eaux pluviales – tuyaux, entrées de trottoirs, bassins de retenue – a été conçue principalement pour la lutte contre les inondations et fait peu pour éliminer les nutriments dissous.Cette lacune a motivé les ingénieurs et les planificateurs à adopter des pratiques d'infrastructure verte qui traitent l'eau à la source.

Quelles sont les zones humides construites?

Les milieux humides construits sont des systèmes conçus qui reproduisent les processus physiques, chimiques et biologiques des milieux humides naturels pour traiter le ruissellement des eaux pluviales, les eaux usées ou le drainage agricole. Contrairement aux milieux humides naturels, qui prennent des siècles pour se développer, les milieux humides construits sont délibérément conçus et construits pour optimiser l'élimination des polluants à l'intérieur d'une empreinte compacte.

Deux types principaux sont utilisés dans la gestion des eaux pluviales urbaines :

  • Flux de surface (surface d'eau libre) milieux humides:[ L'eau coule au-dessus du sol par la végétation émergente. Ces marais naturels sont utilisés généralement là où les terres sont disponibles et l'esthétique visuelle est importante. Ils fournissent un excellent habitat faunique, mais peuvent avoir une efficacité hydraulique plus faible dans des climats très froids.
  • Les milieux humides sous-jacents: L'eau se déplace horizontalement ou verticalement dans un milieu poreux (p. ex. gravier, sable) planté de végétation humide. Le niveau d'eau reste sous la surface, réduisant la reproduction et l'odeur des moustiques. Ils sont plus efficaces sur le plan spatial et fonctionnent de façon uniforme au fil des saisons, mais ils ont un coût de construction plus élevé et une valeur de l'habitat moins visible.

Les deux types peuvent être intégrés dans les réseaux urbains d'eaux pluviales comme trains de traitement, souvent placés à des égouts avant de se déverser dans les cours d'eau ou les étangs de rétention.

Comment les zones humides construites réduisent le ruissellement des éléments nutritifs

Les milieux humides construits éliminent l'azote et le phosphore grâce à une combinaison de mécanismes physiques, chimiques et biologiques.

Prise en charge et stockage des végétaux

Les plantes humides absorbent l'azote dissous (comme le nitrate et l'ammonium) et le phosphore (comme l'orthophosphate) directement de la colonne d'eau et de l'eau interstitielle des sédiments.Ces nutriments sont incorporés dans les tissus végétaux – racines, tiges, feuilles. Au cours de la saison de croissance, l'absorption végétale peut représenter 10 à 30% de l'enlèvement total d'azote et une part similaire de l'enlèvement du phosphore. L'effet est plus fort au printemps et en été lorsque la croissance est rapide. À la fin de la saison, la récolte de végétaux hors sol exporte en permanence les nutriments du système, empêchant leur libération par décomposition.

Transformations microbiennes

Les microorganismes vivant dans le sol des zones humides, sur les racines végétales et dans la colonne d'eau provoquent des transformations critiques de l'azote. Nitrification—l'oxydation de l'ammonium en nitrate par des bactéries aérobies—qui se produit dans des zones riches en oxygène près de la surface de l'eau ou autour des racines végétales. Le nitrate se déplace ensuite vers des zones anoxiques plus profondes dans les sédiments, où les bactéries la convertissent en gaz azoté (N2), qui s'échappe inoffensivement à l'atmosphère.

Sédimentation et filtration physique

Les éléments nutritifs liés aux sédiments, en particulier le phosphore attaché à l'argile ou aux particules organiques, sont enlevés avec les solides. La végétation améliore encore le peuplement en ralentissant l'eau et en piégant les particules. La filtration physique à travers la masse racinaire et la matrice du sol capture également les colloïdes et les particules fines. L'accumulation de sédiments est le mécanisme principal d'élimination du phosphore dans de nombreux systèmes, mais peut devenir une source si les sédiments se résoudent ou deviennent saturés.

Adsorption et précipitation chimique

Dans certains milieux humides aménagés, les substrats à forte capacité de sorption du phosphore, comme les sables riches en fer, le calcaire ou des milieux spécialement fabriqués, sont délibérément utilisés pour améliorer l'élimination chimique. Les précipitations de phosphate avec du calcium ou de l'aluminium dans des conditions alcalines peuvent réduire davantage les concentrations. Contrairement à l'absorption biologique, l'adsorption assure un stockage à long terme, mais la capacité est limitée; au fil des ans, la saturation du substrat peut se produire, nécessitant un remplacement ou une régénération.

Avantages au-delà de la réduction des nutriments

Bien que l'élimination des éléments nutritifs soit le principal moteur, les milieux humides construits offrent de multiples avantages qui les rendent attrayants pour les milieux urbains.

  • Atténuation des flots:[ Les terres humides stockent temporairement les eaux pluviales, réduisant les débits de pointe et l'érosion en aval.
  • Création d'habitats : La végétation émergente, les zones d'eau libre et les zones peu profondes soutiennent les amphibiens, la sauvagine, les invertébrés et les pollinisateurs.
  • Séquestration du carbone:[ Les conditions anaérobies dans les sols des zones humides ralentissent la décomposition de la matière organique, permettant l'accumulation de carbone.
  • Amélioration de l'esthétique et des loisirs :[ Les milieux humides bien conçus ajoutent de l'intérêt visuel, de l'espace vert et des possibilités éducatives.
  • L'évapotranspiration de la végétation des zones humides et de l'eau libre réduit la température de l'air local, ce qui réduit l'effet de l'île de chaleur urbaine.

Considérations relatives à la conception et à la mise en oeuvre

Une zone humide bien construite nécessite une conception minutieuse et précise de l'emplacement. Les systèmes mal planifiés peuvent entraîner un court-circuit, un faible rendement d'élimination ou la reproduction d'organismes nuisibles.

Sélection et taille du site

La zone humide devrait être située là où elle peut intercepter le ruissellement de la zone de drainage contributive, idéalement à un point bas du paysage. La perméabilité du sol, la profondeur des eaux souterraines et la proximité des services publics doivent être évaluées. La superficie est généralement dimensionnée en utilisant le rapport entre la superficie de la zone humide et la superficie du bassin versant contributif.

Hydrologie et profondeur de l'eau

Les entrées et sorties sont conçues pour répartir uniformément les débits et maintenir une profondeur d'eau stable, généralement de 1 à 3 pieds dans les zones profondes et de 0 à 6 pouces dans les zones peu profondes végétées. Les structures de sortie réglables permettent aux opérateurs de contrôler le niveau de l'eau pendant les périodes sèches ou après de fortes tempêtes.

Sélection des plantes

On préfère les plantes indigènes qui tolèrent une gamme de profondeurs d'eau et de durées d'inondation. Un mélange d'espèces émergentes, submergentes et flottantes augmente la biodiversité et la résilience. Les plantes devraient être sélectionnées pour une forte absorption des nutriments, des systèmes racinaires denses et une facilité d'établissement.

Climat et saisonnalité

Les climats froids posent des défis : la formation de glace réduit l'activité microbienne et peut endommager la végétation.Les milieux humides d'écoulement souterrain se portent mieux en hiver parce que la matrice du sol isole contre le gel.

Études de cas et données sur les résultats

Des études sur le terrain démontrent l'efficacité des milieux humides construits pour l'élimination des éléments nutritifs dans les milieux urbains.Un projet de surveillance à long terme au Lacland pluvial dans la banlieue du Maryland (États-Unis) a montré une absorption totale moyenne d'azote de 45 % et une absorption totale de phosphore de 50 % sur une période de six ans.

Au Danemark, la zone humide Bredmose (] traite le drainage agricole mais a été adaptée pour les applications à frange urbaine. Elle permet une réduction de 90 % des nitrates par un calcul de débit souterrain avec du sable contenant du fer pour la sorption du phosphore.

Une méta-analyse de plus de 100 milieux humides construits aux États-Unis a révélé une efficacité médiane d'élimination de 40 à 60 % pour l'azote total et de 40 à 70 % pour le phosphore total. Les systèmes ayant des temps de rétention plus longs et une végétation dense surpassent constamment les conceptions plus simples.

Comparaison avec d'autres pratiques de gestion des eaux pluviales

Les zones humides construites font partie d'un ensemble plus vaste de pratiques d'infrastructure verte, chacune ayant des forces différentes.

  • Jardins de la pluie (cellules de biorétention):[ Les jardins pluviaux offrent des taux élevés d'élimination des métaux et des nutriments par filtration et absorption des plantes. Cependant, ils ont une atténuation limitée des inondations et ne peuvent traiter de grands volumes d'écoulement continu sans devenir saturés.
  • Bioswales: Les canaux linéaires végétalisés traitent le ruissellement pendant le transport. Ils sont efficaces en espace pour les paysages de rue, mais manquent souvent du temps de rétention prolongé nécessaire pour une dénitrification complète.
  • Les bassins de rétention (étangs humides):[ Les bassins permanents permettent la sédimentation et une certaine absorption biologique. Ils nécessitent des fouilles profondes et peuvent devenir stratifiés thermiquement, réduisant les performances.
  • Les milieux humides construits:[ offrent la plus grande diversité de mécanismes d'élimination, surtout pour l'azote. Ils ont besoin de plus de terres que les jardins pluviaux, mais moins que les étangs de rétention pour un traitement équivalent.

Fonctionnement et entretien

Pour maintenir la performance en matière de réduction des nutriments, les milieux humides construits doivent être entretenus périodiquement.

  • Gestion des sédiments: Les sédiments accumulés devraient être enlevés tous les 5-10 ans, ou lorsque la profondeur de l'eau dans les zones profondes diminue de plus d'un tiers. L'immersion doit être conforme aux règlements locaux, surtout si les sédiments contiennent des métaux lourds.
  • Gestion de la végétation:[ La récolte annuelle de biomasse hors sol élimine les nutriments stockés et empêche l'accumulation de matériel végétal mort qui pourrait libérer du phosphore.
  • Le contrôle des moustiques:[ Le maintien du mouvement des eaux tout au long de l'année et des insectes prédateurs indigènes (dragonflies, poissons) supprime généralement la reproduction des moustiques.
  • Inspection des sorties et des entrées :[ Vérifier les blocages, l'érosion ou les dommages après les tempêtes majeures.

Les programmes municipaux d'eau pluviale attribuent souvent la responsabilité d'entretien au propriétaire ou à une association de propriétaires. Un plan d'entretien rédigé à l'étape de la conception assure la responsabilisation à long terme.

Politiques et mesures incitatives pour l'adoption

De nombreuses administrations locales ont maintenant besoin de traitement des eaux pluviales pour de nouveaux projets et les zones humides construites sont une pratique de gestion optimale acceptée (PGB) dans le cadre du Système national d'élimination des rejets de polluants (SNDE) de l'EPA. Les villes comme Portland, Oregon et Philadelphie ont incité la construction des zones humides par le biais de rabais sur les droits d'utilisation des eaux pluviales et de programmes de subventions.

Orientations futures

Les chercheurs mettent à l'essai des substrats modifiés par la biocharine pour améliorer l'adsorption du phosphore, des systèmes hybrides qui combinent les terres humides avec des digesteurs anaérobies et des contrôles automatisés du niveau d'eau qui optimisent la dénitrification en temps réel. L'adaptation climatique est également un moteur de changement : les terres humides conçues pour des précipitations plus intenses et des palettes végétales tolérant la sécheresse sont en cours de développement.

Conclusion

En combinant filtration physique, activité microbienne et absorption végétale, ces systèmes peuvent réduire les charges d'azote et de phosphore de 40 à 70 % dans des conditions typiques. Leurs avantages mutuels – contrôle des inondations, habitat, stockage du carbone et embellissement – en font un investissement judicieux pour les villes qui s'efforcent d'atteindre les objectifs de qualité de l'eau tout en améliorant la viabilité. Pour les sites à superficie limitée, les plans d'écoulement souterrain offrent une solution de rechange compacte, tandis que les milieux humides à débit de surface créent des commodités écologiques précieuses.