Les systèmes de drainage urbains dans les villes du monde entier sont de plus en plus soumis à des excès de nutriments – principalement de l'azote (N) et du phosphore (P) – provenant de ruissellements agricoles, de rejets industriels, d'eaux usées domestiques et d'eaux pluviales urbaines. Lorsque ces nutriments pénètrent dans les plans d'eau naturels, ils déclenchent une eutrophisation, qui entraîne des proliférations d'algues nuisibles, une appauvrissement de l'oxygène, la destruction des poissons et une dégradation générale des écosystèmes aquatiques.

Comprendre les zones humides artificielles

Qu'est-ce que les zones humides artificielles?

Les milieux humides artificiels, aussi appelés milieux humides construits, sont des systèmes anthropiques conçus pour reproduire les processus physiques, chimiques et biologiques qui se produisent dans les écosystèmes naturels des milieux humides. Ils sont constitués de bassins peu profonds remplis de substrats tels que le gravier, le sable ou le sol, plantés de végétation émergente et submergée. L'eau circule dans le système, soit à la surface, soit sous la surface, ce qui permet d'éliminer les polluants par une combinaison d'absorption végétale, de transformation microbienne, de sédimentation et de filtration.

Types de zones humides artificielles

Plusieurs configurations communes sont utilisées dans les applications de drainage urbain:

  • Les terres humides de surface (SFW) :[ L'eau coule librement sur le substrat et par la végétation émergente.Ces terres ressemblent étroitement aux marais naturels et fournissent un excellent habitat faunique. Elles sont les mieux adaptées au traitement des eaux pluviales et au polissage des effluents secondaires.
  • Flow Wetlands (SSFWs) :[ L'eau se déplace horizontalement ou verticalement à travers un substrat poreux (grave ou sable) sous la surface. Cette conception minimise la reproduction des moustiques et réduit l'exposition humaine aux agents pathogènes.
  • Systèmes hybrides:[ La combinaison de plusieurs types de milieux humides en série (p. ex., débit vertical suivi d'écoulement horizontal) peut optimiser l'élimination de différents nutriments et d'autres polluants, offrant un traitement robuste dans des conditions d'écoulement variables.

Composantes clés et leurs rôles

Chaque zone humide artificielle comporte quatre composantes essentielles qui travaillent ensemble pour réduire les charges nutritives :

  • Substrat (sol, gravier, sable):[ Fournit un soutien physique aux plantes, offre une surface pour les biofilms microbiens et facilite la filtration des solides en suspension et des nutriments liés aux particules.
  • Végétation (émergente, submergée, flottante):[ Les plantes absorbent les nutriments directement pour la croissance, transportent l'oxygène vers la zone racine (support des microbes aérobies) et un débit d'eau lent pour favoriser la sédimentation.Les espèces communes comprennent les queues de chat (Typha), les bulrushes (Schoenoplectus, et les roseaux (Phragmites.
  • Communautés microbiennes: Les bactéries et les champignons attachés aux racines végétales et aux particules de substrat effectuent des transformations clés telles que la nitrification (conversion de l'ammoniac en nitrate) et la dénitrification (conversion de nitrate en gaz d'azote inoffensif).
  • Trajet d'écoulement de l'eau:[ Le temps de séjour hydraulique, la profondeur de l'eau et le régime d'écoulement déterminent la durée d'exposition des polluants aux procédés de traitement.

Mécanismes d'élimination des nutriments dans les zones humides artificielles

La réduction de l'azote et du phosphore dans le drainage urbain implique une série de processus physiques, chimiques et biologiques interdépendants, qui sont essentiels pour concevoir des milieux humides qui répondent à des objectifs précis de réduction des nutriments.

Prise de végétaux

Les plantes humides absorbent l'azote dissous (comme le nitrate, l'ammonium) et le phosphore (comme l'orthophosphate) de la colonne d'eau à travers leurs racines. Une partie importante de ces nutriments est incorporée dans la biomasse végétale – feuilles, tiges et racines. La récolte de la végétation aérienne élimine périodiquement ces nutriments du système de façon permanente.

Transformations microbiennes

Les microbes sont les chevaux de travail de l'élimination des nutriments, particulièrement pour l'azote.

  • Nitrification:[ Dans les zones aérobies (près de la surface de l'eau ou autour des racines des plantes), les bactéries oxydantes d'ammoniac convertissent l'ammonium (NH4+ en nitrite (NO[2−], puis en nitrate (NO[]3]−.
  • Dénitrification:[ Dans les zones anaérobies (profondement dans le substrat ou les sédiments), les bactéries dénitrifiantes convertissent le nitrate en gaz azoté (N2), qui s'échappent inoffensivement dans l'atmosphère.

Pour le phosphore, l'assimilation microbienne se produit, mais elle est souvent temporaire, à moins que les microbes ne soient retirés du système.

Sédimentation et filtration

Les eaux pluviales et les eaux usées transportent souvent des solides en suspension contenant de l'azote particulaire et du phosphore. L'eau ralentit dans le bassin humide, ces particules se déposent par gravité. Les couches de substrat filtrent aussi physiquement les particules plus fines.

Sorption et précipitations chimiques

Le phosphore peut se lier aux particules du sol, aux minéraux argileux et aux oxydes métalliques (surtout le fer, l'aluminium et le calcium) par adsorption. Certains substrats, comme le calcaire ou les milieux spécialement conçus, sont choisis pour leur capacité élevée de sorption du phosphore.

Considérations de conception pour les milieux urbains

La mise en place de zones humides artificielles dans les zones urbaines à forte densité présente des défis et des possibilités uniques.

Besoins en locaux et emplacement

Dans les villes où les terres sont rares, les options créatives de placement comprennent des espaces verts dans les parcs, des swings routiers, des terrains industriels abandonnés et l'intégration des terres humides dans les bassins de contrôle des inondations existants. Les terres humides au toit ou les murs verticaux des terres humides sont des innovations émergentes pour les milieux ultraurbains.

Conception hydraulique

La zone humide doit être dimensionnée pour gérer les débits de pointe des tempêtes tout en offrant un temps de rétention suffisant pour l'élimination des nutriments.

  • Hydraulic Retention Time (HRT):[ Le temps moyen que l'eau passe dans la zone humide. Pour l'élimination des nutriments, 3 à 7 jours sont fréquents, bien que des temps plus courts puissent être utilisés pour le prétraitement.
  • Profondeur de l'eau: La plupart des milieux humides fonctionnent avec des profondeurs de 0,3 à 0,6 m pour les zones peu profondes et les bassins légèrement plus profonds.
  • Distribution de courant: Les structures d'entrée telles que les déversoirs ou les tuyaux perforés s'étendent uniformément pour empêcher le court-circuit.

Performances climatiques et saisonnières

Les climats froids réduisent l'activité microbienne et l'absorption des plantes, ce qui entraîne des taux d'élimination plus faibles en hiver. Les stratégies de conception visant à maintenir la performance tout au long de l'année comprennent des bassins plus profonds pour le tampon thermique, l'utilisation d'espèces végétales tolérantes au froid ou l'intégration des milieux humides avec le débit souterrain pour isoler la zone de traitement.

Systèmes de prétraitement et de contournement

Pour protéger les milieux humides contre les charges et les débris lourds, il faudrait installer des dispositifs de prétraitement tels que des bassins de sédiments, des séparateurs de réseaux bitumineux ou des baies avant en amont. De plus, pour les grands phénomènes de tempête, un système de contournement peut canaliser l'excès de débit autour des milieux humides afin d'éviter le rinçage des polluants accumulés et les dommages à la végétation.

Avantages au-delà de la réduction des nutriments

Bien que la réduction de la charge nutritive soit le principal objectif, les milieux humides artificiels offrent un large éventail de co-avantages qui en font une option privilégiée pour un drainage urbain durable.

Gestion des eaux pluviales urbaines

Les zones humides atténuent les débits de tempête en stockant temporairement les eaux de ruissellement, réduisant ainsi le risque d'inondation dans les zones en aval. Elles rechargent également les eaux souterraines (si elles sont conçues pour l'infiltration) et réduisent le volume de rejets dans les réseaux d'égouts combinés, ce qui réduit la pression sur les stations de traitement des eaux usées.

Biodiversité et création d'habitats

Les milieux humides construits fournissent nourriture, abri et aires de reproduction aux oiseaux, aux amphibiens, aux insectes et aux organismes aquatiques.Dans les villes bâties, ces espaces verts-bleus servent de pierres d'appui écologique à la biodiversité urbaine. Ils peuvent être conçus avec des microhabitats variés – eau ouverte, marais émergents et prairies humides – pour attirer une gamme variée d'espèces.

Valeur récréative et esthétique

Les zones humides bien conçues améliorent l'attrait visuel des quartiers, offrant aux résidents une oasis naturelle. Les sentiers de randonnée, les promenades et les plates-formes de visionnement transforment les bassins de traitement en équipements communautaires qui favorisent le bien-être physique et mental.

Résilience climatique et stockage du carbone

Les plantes et les sols des zones humides séquestrent le carbone, contribuant à l'atténuation des changements climatiques. Ils fournissent également un refroidissement ombrage et évaporatif, réduisant l'effet de l'île de chaleur urbaine.

Défis et solutions

Malgré leurs promesses, les zones humides artificielles ne sont pas une solution unique. Il faut relever les défis communs en planifiant et en maintenant soigneusement les zones humides.

Reproductrice de moustiques

L'eau stagnante dans les zones humides peut devenir un lieu de reproduction pour les moustiques, ce qui soulève des préoccupations de santé publique.

  • Conception pour le débit souterrain lorsque cela est possible.
  • Maintenir le mouvement de l'eau à travers des pompes ou des cascades de recyclage.
  • Stocker les poissons mangeurs de moustiques (p. ex. Gambusia) dans les zones en eau libre.
  • Assurer une bonne gestion de la végétation pour éviter l'ombrage excessif et l'accumulation de détritus.

Besoins en matière d'entretien

La performance à long terme dépend des tâches d'entretien régulières:

  • Désorption des sédiments des avant-bras et des cellules principales tous les 5-10 ans.
  • Gestion de la végétation[, y compris la récolte pour éliminer les nutriments accumulés et contrôler les espèces envahissantes.
  • Inspection d'entrée/sortie pour empêcher l'engorgement.
  • Surveillance de la qualité de l'eau[ pour s'assurer que les objectifs d'élimination sont atteints.

La création d'un plan de maintenance et d'un financement dédié pendant la phase de conception empêche toute négligence.

Variabilité des performances

L'efficacité de l'élimination des nutriments peut fluctuer en raison d'événements de tempête aléatoires, de sécheresses ou de charges de choc polluant. L'utilisation de plusieurs cellules de milieux humides en parallèle ou en série fournit une redondance.

Disponibilité et coût des terres

Dans les zones urbaines de grande valeur, le coût de l'acquisition de locaux pour les zones humides peut être prohibitif. Toutefois, par rapport aux coûts d'investissement et d'exploitation des usines de traitement classiques, les terres humides se révèlent souvent plus économiques sur une période de 20 à 30 ans.

Études de cas et données sur les résultats

Les mises en oeuvre dans le monde réel démontrent l'efficacité des zones humides artificielles pour réduire les charges nutritives du drainage urbain.

Lac Manassas, Virginie, États-Unis

Le réseau de la zone humide construite à grande distance, qui traite les eaux pluviales d'un bassin hydrographique de 3 400 acres, a permis d'éliminer de façon constante entre 40 et 60 % de l'azote total et entre 50 et 70 % du phosphore total depuis sa construction en 2008. La zone humide a également réduit les débits de pointe de 50 %, ce qui a considérablement réduit l'érosion en aval.

Beijing, Chine — Initiative de la ville de Spenge

Dans le cadre du programme China , de nombreuses zones humides artificielles ont été intégrées dans les réseaux de drainage urbains. Dans le district de Yizhuang, un système de 15 ha de terres humides traite les débordements d'égouts combinés et les eaux pluviales, ce qui permet de réduire la quantité totale d'azote de 55 % et la quantité de phosphore de 70 %. Les données de ce projet soulignent l'importance de la conception pour les phénomènes d'écoulement de base sec et humide et les phénomènes météorologiques humides (source : Études de cas de l'Association internationale de l'eau.

Waikato, Nouvelle-Zélande — Attrapement pastoral

Dans les bassins versants agricoles qui s'écoulent dans les zones urbaines, des terres humides en bordure de champ ont été installées pour intercepter les eaux de ruissellement riches en éléments nutritifs. Une étude de 12 terres humides construites dans la région de Waikato a révélé des taux moyens d'élimination de 50 % pour l'azote et de 45 % pour le phosphore. L'étude a souligné que les terres humides ayant des temps de rétention hydrauliques plus longs (>5 jours) ont obtenu des résultats nettement meilleurs.

Ces exemples démontrent qu'avec une conception et un entretien appropriés, les milieux humides artificiels peuvent réduire de façon fiable les charges nutritives de 40 à 70 % ou plus, ce qui en fait une composante viable des stratégies de gestion des nutriments en milieu urbain.

Intégration avec les systèmes de drainage urbain

Pour maximiser l'impact, les milieux humides artificiels ne devraient pas être considérés comme des solutions autonomes, mais comme faisant partie d'un « train de traitement » intégré qui comprend le contrôle des sources, la gestion des moyens de transport et les étapes de polissage.

Approche du train de traitement

Les trains de traitement du drainage urbain typiques commencent par des toits verts, des chaussées perméables et la récolte des eaux de pluie pour réduire le ruissellement à la source. L'excès de ruissellement passe ensuite par des bioswales ou des canaux gazonnés qui assurent le traitement préliminaire et l'infiltration. Enfin, l'eau pénètre dans une zone humide construite pour polir avant de se déverser dans les eaux réceptrices.

Aménagement des infrastructures existantes

De nombreuses villes ont des bassins d'eaux pluviales ou des bassins de retenue existants qui peuvent être réaménagés dans des zones humides en ajoutant des plantes humides, en modifiant l'hydrologie et en introduisant des zones peu profondes.

Surveillance intelligente des zones humides

Les progrès de la technologie des capteurs et de l'IdO permettent une surveillance en temps réel du niveau d'eau, du débit, des concentrations en éléments nutritifs et de la santé des plantes. Les systèmes de contrôle automatisés peuvent ajuster les profondeurs d'eau ou l'acheminement du débit pour optimiser l'élimination en fonction des charges entrantes.

Conclusion

En exploitant l'absorption des plantes, l'activité microbienne, la sédimentation et la sorption, ces systèmes peuvent réduire considérablement l'azote et le phosphore – souvent 40 à 70 % – tout en offrant une foule de retombées bénéfiques, notamment la lutte contre les inondations, la création d'habitats, le stockage du carbone et la valeur récréative. La mise en oeuvre réussie exige une conception soignée adaptée aux contraintes locales en matière d'hydrologie, de climat et de sols, ainsi qu'un engagement à l'entretien continu.