Les zones urbaines sont confrontées à des problèmes croissants de pollution de l'eau causée par des excès de nutriments tels que l'azote et le phosphore, qui proviennent souvent de ruissellements contenant des engrais, des eaux usées et d'autres déchets. Pour lutter contre ce phénomène, les villes se tournent vers des solutions durables telles que des toits verts et des aménagements paysagers urbains pour filtrer et éliminer naturellement ces nutriments des eaux pluviales.

Que sont les toits verts et l'aménagement paysager urbain?

Les toits verts, aussi appelés toits vivants ou toits écologiques, sont des systèmes végétalisés installés sur le dessus des bâtiments. Ils se composent de plusieurs couches : membrane imperméable, barrière de racine, couche de drainage, tissu filtrant, milieu de croissance (sol ou substrat) et végétation elle-même. Selon la profondeur du milieu de croissance, les toits verts sont classés comme vastes (sol de suif, plantes à faible entretien comme des sedums) ou intensifs (sol de deuil, arbustes de soutien et petits arbres).

L'aménagement paysager urbain, dans ce contexte, fait référence à la plantation stratégique d'arbres, d'arbustes, de graminées et de plantes herbacées dans les parcs, les rues, les jardins pluviaux et dans d'autres espaces publics ou privés, notamment les systèmes de bioretention, les bioswales et les bandes filtrantes végétales conçus spécifiquement pour capturer et traiter le ruissellement.

Ensemble, les toits verts et l'aménagement paysager urbain créent un réseau de surfaces végétales qui interceptent les précipitations, ralentissent le ruissellement et permettent à l'eau de se percoler dans les racines du sol et des plantes.

Mécanismes de filtration des nutriments

L'efficacité des toits verts et de l'aménagement paysager urbain pour éliminer l'azote et le phosphore repose sur plusieurs processus physiques, chimiques et biologiques interconnectés.

Prise de végétaux

La végétation absorbe les nutriments dissous, principalement l'azote (sous forme de nitrate et d'ammonium) et le phosphore (sous forme de phosphate), de la solution du sol ou directement de l'eau de ruissellement.Ces nutriments sont incorporés dans les tissus végétaux – feuilles, tiges et racines – en les retirant du cycle de l'eau jusqu'à ce que la plante meurt et se décompose.Les plantes vivaces à biomasse importante et à racines profondes sont particulièrement efficaces parce qu'elles continuent de séquestrer les nutriments année après année, les stockant dans les tissus ligneux ou les accumulant dans les réserves souterraines.

Transformation microbienne

Les bactéries convertissent l'ammonium en nitrate (nitrification) et réduisent ensuite le nitrate en gaz d'azote inerte (denitrification), qui est rejeté inoffensifment dans l'atmosphère. Ce processus de dénitrification élimine définitivement l'azote de l'écosystème. Le cycle du phosphore est plus complexe; les microbes immobilisent le phosphore en formes organiques, réduisant sa mobilité. Les champignons mycorhiziens associés aux racines végétales augmentent l'absorption du phosphore, limitant davantage son exportation dans le ruissellement. La présence de matière organique dans le milieu en croissance soutient une communauté microbienne diversifiée qui stimule ces réactions.

Rétention physicochimique du sol

Le phosphore peut aussi précipiter sous forme de phosphates de calcium ou de fer insolubles dans certaines conditions de pH. Ces mécanismes de rétention stockent temporairement les nutriments, ralentissent leur libération et permettent une absorption végétale et microbienne plus longue. Le processus de filtration capture également les nutriments liés aux particules – ceux qui sont attachés aux sédiments ou aux particules organiques – comme l'eau percole à travers le substrat.

Principaux avantages du toit vert et de l'aménagement paysager urbain pour la gestion des éléments nutritifs

Réduction du chargement des éléments nutritifs de l'eau de tempête

Les études sur le terrain montrent constamment que les toits verts peuvent réduire les concentrations d'azote et de phosphore dans les ruissellements de 50 à 90 % selon la conception, les espèces végétales et le climat. Les caractéristiques d'aménagement paysager urbain comme les jardins pluviaux permettent des performances similaires ou supérieures. Par exemple, l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis (EPA) a documenté que les systèmes de bioretention enlèvent 40 à 80 % du phosphore total et jusqu'à 90 % de l'azote total dans les ruissellements urbains.

Atténuation des dépassements d'égouts combinés

En maintenant les eaux pluviales sur place, les toits verts et l'aménagement paysager réduisent le volume des égouts entrant dans les égouts, en diminuant la fréquence et l'ampleur des débordements d'égouts combinés (OSC). L'EPA[ note que l'infrastructure verte est une stratégie rentable de contrôle des égouts, surtout lorsqu'elle est intégrée dans des plans de gestion à long terme des conditions météorologiques humides.

Atténuation de l'île de chaleur urbaine

La végétation refroidit l'environnement par l'évaporation et l'ombre. Les toits verts peuvent réduire la température de la surface du toit de 30 à 40 °F (15 à 20 °C) par rapport aux toits sombres conventionnels, abaissant la demande énergétique du bâtiment et améliorant le confort thermique extérieur.

Biodiversité et création d'habitats

Les toits verts et les aménagements paysagers urbains bien conçus créent des parcelles d'habitat pour les insectes, les oiseaux et d'autres espèces sauvages dans des paysages bâtis autrement inhospitaliers. Les plantes à fleurs autochtones attirent les pollinisateurs, tandis que les diverses communautés végétales soutiennent un réseau d'organismes bénéfiques. Le substrat lui-même devient un microhabitat pour les invertébrés du sol.

Amélioration de la qualité de l'air

Les particules se déposent sur les surfaces foliaires, se lavant dans le sol où elles peuvent être immobilisées ou transformées. Bien que la contribution directe à l'élimination des éléments nutritifs soit secondaire, l'air plus propre réduit la quantité de dépôt sec d'azote sur les surfaces imperméables, ce qui, autrement, se laverait en ruissellement.

Considérations relatives à la mise en oeuvre pour l'élimination maximale des éléments nutritifs

Conception de la culture moyenne

Le substrat est le composant le plus essentiel pour la filtration des nutriments. Il doit équilibrer la capacité de rétention d'eau avec un drainage rapide pour empêcher l'étang, tout en fournissant une capacité d'échange de cations suffisante et de la matière organique.Les milieux de toitures vertes typiques sont constitués de 60 à 80 % d'agrégats légers (p. ex. schiste expansé, argile ou ardoise) et de 20 à 40 % de matière organique (compost, tourbe ou coir).

Sélection des plantes

Pour les toits verts étendus, les succulents tolérants à la sécheresse comme Les espèces de sédum[ sont courantes, mais leur capacité d'absorption des nutriments est limitée pendant les périodes sèches. L'incorporation de graminées, de plantes et même de petits arbustes (sur les toits intensifs) améliore significativement l'élimination des nutriments tout au long de l'année.Dans les zones de biorétention, les plantes comme le herbage à interrupteur (Panicum virgatum), l'iris à drapeau bleu (Iris versicolor et le bois de chien osé rouge (Cornus sericea) excellent dans l'absorption des nutriments.

Gestion du drainage et des sorties

Un système de drainage souterrain qui recueille de l'eau après avoir traversé le substrat permet de surveiller et de recirculer. Dans certains plans, une zone saturée (stockage interne de l'eau) est créée au fond du système pour favoriser la dénitrification. Cette caractéristique, commune aux cellules de biorétention avancées, aide à éliminer le nitrate qui autrement se lixivierait.

Besoins en matière d'entretien

Comme tout système de génie, les toits verts et l'aménagement paysager nécessitent un entretien périodique pour maintenir la performance en matière d'élimination des nutriments. La mauvaise herbe empêche les espèces envahissantes de surcomposer les plantes désirables. L'élimination des débris permet de garder les drains clairs. Tous les quelques ans, des modifications du sol peuvent être nécessaires pour reconstituer les matières organiques qui se décomposent.

Défis et limites

Malgré leurs nombreux avantages, les toits verts et l'aménagement paysager urbain ne sont pas une panacée pour la pollution des éléments nutritifs. Leur performance dépend fortement de la conception, du climat et de l'entretien. Pendant les périodes de sécheresse prolongée, l'absorption des végétaux et l'activité microbienne diminuent, et la première écoulement après une sécheresse peut porter des éléments nutritifs accumulés qui n'ont pas été entièrement transformés.

Les limites d'espace dans les centres urbains denses peuvent rendre difficile la mise en œuvre à grande échelle, en particulier pour les toits verts intensifs qui nécessitent un renforcement structurel. La remise en état des bâtiments existants avec des toits verts est plus coûteuse que la construction de nouveaux bâtiments. L'aménagement paysager urbain est également en concurrence avec d'autres utilisations des terres, et le compactage des sols par le trafic de pieds peut réduire l'infiltration.

L'élimination du phosphore est particulièrement difficile parce qu'elle tend à s'accumuler dans le sol au fil du temps. Finalement, la capacité de sorption du milieu peut être épuisée, ce qui peut entraîner une lixiviation.

Études de cas et applications du monde réel

Hôtel de ville de Chicago Jardin de toit

Chicago a été un pionnier dans l'adoption de toits verts. Le toit-jardin de l'hôtel de ville, installé en 2001, couvre 20 300 pieds carrés avec plus de 150 espèces végétales. Des études de surveillance ont montré que ce toit vert extensif conserve plus de 50% des précipitations annuelles et réduit de 70 à 80 % les charges d'azote dans les eaux de ruissellement.

Programme des rues vertes de Portland

Portland, en Oregon, a intégré les swings de la biorétention et les jardins pluviaux dans son emprise grâce au programme Green Streets. Ces extensions de bordures végétatives capturent le ruissellement de la rue et le traitent avant qu'il n'atteigne la rivière Willamite. Les données du Portland Bureau of Environmental Services indiquent que ces installations éliminent plus de 90 % des solides en suspension et des fractions importantes d'azote et de phosphore, tout en réduisant les débits de pointe.

Règlement sur le toit vert de Toronto

Toronto est devenue la première ville d'Amérique du Nord à imposer des toits verts sur de nouveaux bâtiments commerciaux et résidentiels de plus d'une certaine taille. Le règlement, adopté en 2009, exige une couverture de 20 à 60 % de l'espace disponible sur les toits. Des chercheurs de l'Université de Toronto ont documenté des réductions importantes de ces systèmes dans des dizaines de sites.

Orientations futures et intégration

Pour maximiser l'impact des toits verts et de l'aménagement paysager urbain sur la filtration des éléments nutritifs, les villes doivent adopter une approche globale à l'échelle du bassin versant. La coordination avec d'autres pratiques d'infrastructure verte – chaussées perméables, zones humides construites et forêts urbaines – peut créer un train de traitement qui polit progressivement les eaux pluviales.

Les nouvelles technologies comme le biochar, les géotextiles absorbant le phosphore et les toits verts intelligents avec stockage contrôlé de l'eau promettent d'améliorer encore l'élimination des nutriments.

Les toits verts et l'aménagement paysager urbain sont des solutions naturelles éprouvées pour réduire la pollution par les éléments nutritifs dans les eaux pluviales urbaines. En tirant parti de l'absorption des plantes, de l'activité microbienne et de la rétention du sol, ils éliminent l'azote et le phosphore avant que ces éléments nutritifs ne puissent alimenter les proliférations d'algues nuisibles et dégrader les écosystèmes aquatiques.