Quelles sont les zones humides construites?

Les milieux humides construits sont des écosystèmes conçus qui reproduisent les fonctions d'amélioration de la qualité de l'eau des milieux humides naturels. En contrôlant soigneusement le débit, la végétation et le substrat de l'eau, ces systèmes utilisent des processus naturels pour traiter les ruissellements pollués. Ils sont conçus pour traiter des volumes spécifiques et des charges polluantes, ce qui les rend très adaptables aux infrastructures routières et de transport.

Contrairement aux milieux humides naturels, qui se forment au fil des siècles, les milieux humides construits sont construits pour répondre aux normes techniques, notamment les structures d'écoulement et de sortie, les systèmes de canalisations pour prévenir la contamination des eaux souterraines et souvent une baie avant de s'installer dans des sédiments plus lourds avant l'entrée de l'eau dans la zone de traitement principale.Le choix des plantes, comme les queues de chat (Typha spp.), les bulrushes ([Schoenoplectus spp.), et les roseaux (Phragmites[ australis) est essentiel parce que les systèmes racinaires fournissent une surface de croissance microbienne et prennent en charge les polluants dissous.

Depuis leur première utilisation généralisée pour le traitement des eaux pluviales dans les années 1980, les milieux humides construits ont été adoptés par les organismes de transport en Amérique du Nord, en Europe et en Australie. Ils sont reconnus comme une pratique de gestion optimale par l'Environmental Protection Agency des États-Unis (EPA BMP guidance[) et sont de plus en plus requis en vertu des permis du National Polluant Discharge Elimination System (NPDES) pour les systèmes municipaux distincts d'égouts pluviales (MS4s).

Importance dans la gestion des ruissellements routiers

Les eaux de ruissellement de la route sont une source importante de pollution non ponctuelle. La pluie et la fonte des neiges ont accumulé des contaminants provenant de surfaces de route, notamment des résidus d'échappement, des particules d'usure des pneus, des métaux lourds (zinc, cuivre, plomb), des hydrocarbures pétroliers, des sels de dégivrage, des sédiments d'usure et des nutriments excédentaires comme l'azote et le phosphore.

Le volume de ruissellement des routes pose également des défis hydrologiques. Les surfaces imperméables réduisent l'infiltration, provoquant des débits éclairants qui peuvent éroder les berges des cours d'eau et augmenter le risque d'inondation. Les milieux humides construits abordent à la fois les problèmes de qualité de l'eau et de quantité.

La règle de la phase II de l'EPA exige que les MS4 dans les zones urbanisées contrôlent la qualité des eaux de ruissellement. De nombreux États ont également des normes numériques ou narratives de qualité de l'eau pour les rejets d'eaux de pluie. Par exemple, le Washington State (États de Washington) a confié au Département de l'écologie que les eaux de ruissellement des routes permettent d'éliminer au moins 80 % des solides en suspension (TSS), un objectif facilement atteint par des milieux humides bien conçus.

Les précipitations plus intenses augmentent le volume des ruissellements et les charges polluantes. Les zones humides construites sont résilientes à ces extrêmes si elles sont suffisamment grandes. Elles peuvent stocker temporairement de l'eau supplémentaire et continuer à traiter efficacement les ruissellements. Elles contribuent également à la séquestration du carbone, réduisent les effets des îles chaleur et fournissent des corridors verts pour la faune.

Principaux contaminants dans le ruissellement routier

  • Sédiments : Sable, limon et particules de surface qui transportent des polluants adsorbés.
  • Métaux lourds[: zinc (d'usure des pneus), cuivre (pâtes de frein), plomb (dépôts historiques) et cadmium.
  • Hydrocarbures de pétrole: Huile, graisse et hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP).
  • Sels de dégivrage : Les chlorures de sodium, de calcium et de magnésium qui peuvent tuer la végétation et mobiliser les métaux.
  • Nutrifiants : azote et phosphore provenant des dépôts atmosphériques et des débris organiques.
  • Pathogènes: Bactéries indicatrices fécales provenant de déchets animaux et de rejets illégaux.

Les milieux humides construits peuvent réduire chacune de ces classes de 50 à 95 % selon les taux de conception et de chargement, selon les études citées par l'Administration fédérale de la route (Ressources d'eaux pluviales de la FHWA.

Hydrologie et considérations de taille

Les ingénieurs utilisent le volume de qualité de l'eau (VQO) – généralement le ruissellement d'une tempête de 1 pouce ou de 1 pouce ou de 24 heures – pour déterminer la capacité de stockage de la zone humide. Le temps de rétention, souvent de 24 à 72 heures, assure un tassement adéquat et un traitement biologique.

Dans les climats froids, la couverture glaciaire peut réduire le transfert d'oxygène, de sorte que les conceptions peuvent intégrer des zones plus profondes ou l'aération. Les baies avant – petits bassins de décantation à l'entrée – captent des sédiments grossiers et réduisent la fréquence d'entretien dans la cellule principale des zones humides.

Pour les eaux de ruissellement, les DLR de 0,5 à 2 pouces par jour sont typiques; les taux plus élevés risquent de court-circuiter ou de remettre en suspension les polluants. Les facteurs de sécurité tiennent compte des événements extrêmes et des changements futurs dans l'utilisation des terres du bassin hydrographique. La conception devrait également permettre d'accueillir des grilles de déchets et des séparateurs de réseaux bitumineux en amont afin de protéger les milieux humides contre les débris flottants et les débris importants.

Processus d'élimination des polluants

Les milieux humides construits utilisent simultanément de multiples mécanismes d'élimination, ce qui les rend efficaces contre une large gamme de polluants.

Sédimentation et filtration

Lorsque les eaux pluviales pénètrent dans la zone humide, la vitesse du débit diminue fortement, ce qui permet de s'installer dans les particules en suspension. Les particules fines sont interceptées par les tiges végétales, la litière foliaire et la matrice du sol.

Biodégradation et activité microbienne

Les bactéries et les champignons attachés aux racines et aux surfaces du substrat décomposent les polluants organiques, y compris les hydrocarbures pétroliers et certains pesticides. Les zones aérobies près de la surface supportent une oxydation rapide, tandis que les zones anaérobies plus profondes dans le substrat facilitent la dénitrification, la conversion du nitrate en gaz d'azote inoffensif.

Prise de végétaux

Les plantes aquatiques absorbent les nutriments dissous (nitrate, ammonium, phosphate) et certains métaux (zinc, cuivre) pour la croissance. L'absorption est saisonnière; en hiver, les plantes sont dormantes, ce processus est donc moins actif.

Adsorption et précipitation

Les métaux lourds se lient aux particules d'argile, aux matières organiques et aux oxydes de manganèse du fer dans le substrat. Le phosphore devient fixé dans le sol sous forme de phosphates de calcium ou de fer. Ces sites de sorption finissent par saturer, de sorte qu'il peut être nécessaire d'enlever périodiquement les sédiments ou de remplacer le substrat.

Conception et mise en œuvre

Les milieux humides construits avec succès pour le ruissellement des routes suivent un processus de conception systématique qui intègre le génie civil, l'hydrologie et l'écologie.

  • Structure d'entrée: Un bassin de stèlement ou un dissipateur d'énergie pour réduire la vitesse d'entrée et distribuer l'eau uniformément.
  • Forebay: Un bassin profond (1–2 m) de décantation à l'entrée, dimensionné pour contenir 10–20 % du VQW. Facile à nettoyer avec une drague.
  • Cellule principale de traitement: Zone peu profonde (de 0,1 à 0,4 m de profondeur d'eau) plantée avec une végétation émergente.
  • Structure d'entrée: Un tuyau de déversoir ou de riser qui contrôle le niveau d'eau et le débit de rejet.
  • Zone de végétation[ : Mélange de plantes de milieux humides sélectionnées pour la profondeur des racines, l'habit de croissance et la tolérance au sel de voirie et à la sécheresse.
  • Couches de substrat: Généralement 0,3–0,6 m de sol ou de gravier surmonté d'une mince couche de paillis organique pour favoriser l'établissement des plantes.
  • Liner: Pour la plupart des applications routières, une doublure synthétique (p. ex., PEHD) empêche l'infiltration lorsque la contamination des eaux souterraines est préoccupante ou lorsque les sols sont perméables.

La mise en oeuvre exige également un plan d'entretien, notamment l'enlèvement annuel des sédiments de la baie avant, l'inspection saisonnière des structures de décharge, la gestion de la végétation (mouvement, replantation, contrôle des espèces envahissantes) et la surveillance périodique de la qualité de l'eau.

Étude de cas: Florida , système I‐4 Wetland

Sur l'Interstate 4 près de Tampa, en Floride, une série de milieux humides construits traite le ruissellement de plus de 8 km d'autoroute. Conçu avec de multiples cellules serpentines et un mélange de queues de chat, d'algues piquantes et de têtes de flèche, le système permet d'éliminer 85 % des SAT et 70 % de l'azote total.

Étude de cas : Cellules humides du Texas DOT

Le ministère des Transports du Texas a installé des terres humides sous-jacentes dans plusieurs zones de repos et d'échange. Ces systèmes utilisent des lits de gravier plantés de bulrushes. Les données de surveillance ont montré que 90 % des métaux (cuivre, zinc) et 95 % des huiles et des graisses sont enlevés.

Avantages de l'utilisation des zones humides construites

Les terres humides construites offrent une série d'avantages environnementaux et économiques qui les rendent attrayants pour les organismes de transport.

  • Efficacité des coûts[: Les coûts du cycle de vie (construction + maintenance de 20 ans) sont généralement inférieurs de 20 à 40 % à ceux des systèmes de traitement conventionnels comme les filtres à sable ou les bassins de rétention, selon les analyses du cycle de vie de la FHWA.
  • Soutien à la biodiversité[ : Des milieux humides bien conçus créent des corridors fauniques et un habitat de reproduction pour les amphibiens, les oiseaux et les insectes.
  • Silience climatique: Les zones humides atténuent les débits de pointe pendant les pluies abondantes, réduisant les inondations en aval. Ils séquestrent également le carbone dans la biomasse végétale et accumulent les sédiments, compensant les émissions des véhicules de construction et d'entretien.
  • Rincement de la qualité de l'eau: Les effluents des milieux humides construits peuvent satisfaire à des normes numériques strictes pour les métaux, les SAT et les nutriments, permettant des rejets dans les eaux sensibles ou une réutilisation pour l'irrigation.
  • Acceptation publique[: Les zones humides naturelles sont souvent considérées comme des installations industrielles, mais elles peuvent être intégrées dans des aires de repos ou des voies vertes, améliorant ainsi les relations communautaires.

Défis et considérations

Malgré l'efficacité avérée, les zones humides construites ont des limites qui nécessitent une planification minutieuse.

Événements météorologiques extrêmes

Pendant les tempêtes intenses, les vitesses d'écoulement peuvent dépasser la capacité des milieux humides, ce qui cause un contournement ou un égouttage des sédiments et de la végétation. Les conceptions doivent comprendre un canal de contournement à débit élevé pour prévenir les dommages.

Reproductrice de moustiques

Les études montrent toutefois que les zones humides correctement entretenues, avec une bonne circulation de l'eau et la présence de poissons-moustiques (Gambusia spp.) ont des populations de moustiques inférieures à celles des étangs naturels.

Besoins en matière d'entretien

Sans entretien, l'efficacité du traitement diminue. Les organismes devraient prévoir un budget pour les inspections annuelles et le dragage périodique (tous les 5-10 ans) dans leurs plans d'exploitation à long terme.

Contraintes du site

La disponibilité des terres près des routes est souvent limitée.Les terres humides construites nécessitent une empreinte relativement importante par rapport aux systèmes de traitement compacts.L'utilisation créative des médianes, des coins d'échange et des emprises adjacentes peut y remédier.

Climats froids

Dans les régions nordiques, la formation de glace réduit le volume de traitement et l'activité biologique. Des zones d'eau plus profondes et une isolation au paillis peuvent maintenir le système en activité.

Orientations futures

Le rôle des zones humides construites dans l'infrastructure de transport s'accroît, notamment en ce qui concerne :

  • Systèmes de zones humides intelligents: Capteurs en temps réel pour le niveau d'eau, la turbidité et les nutriments, permettant une gestion adaptative des structures de sortie et des dérivations de débit.
  • Intégration avec une infrastructure verte[: Terres humides reliées à des chaussées perméables, des cellules de biorétention et des toits verts pour créer un train de traitement qui maximise l'élimination des polluants.
  • Méthodes améliorées: Substrats modifiés avec des limailles de biochar, de charbon actif ou de fer pour cibler des contaminants spécifiques comme le SPAF et les microplastiques, qui sont des préoccupations émergentes dans le ruissellement de la route.
  • Dessin régénératif: Terres humides conçues pour être autosuffisantes, avec des plantations qui régénèrent naturellement et un besoin minimal d'eau ou d'énergie extérieure.
  • Incitations stratégiques : Davantage d'organismes de transport intègrent les terres humides construites dans des crédits de développement à faible impact pour les permis MS4 et les frais d'utilisation des eaux pluviales.

Conclusion

Les milieux humides construits sont passés d'applications expérimentales à des solutions éprouvées et rentables pour gérer le ruissellement des routes. Ils exploitent les processus naturels pour améliorer la qualité de l'eau, réduire les risques d'inondation et soutenir la santé écologique, tout en s'inscrivant dans les budgets de l'infrastructure et les contraintes des organismes de transport modernes. La mise en oeuvre réussie exige une sélection rigoureuse des sites, une conception robuste et une maintenance continue, mais les avantages à long terme l'emportent de loin sur les efforts initiaux.