Calculs de la superficie des cellules

Calculs de la superficie des cellules

L’équilibre hydrologique

Le cycle hydrologique peut se décrire par la pluie qui tombe au sol et qui est soit interceptée par différents éléments de la végétation présente, soit continue vers le sol pour être infiltrée (en surface ou en profondeur) ou ruisselle vers les cours d’eau. À partir des surfaces végétales ou les plans d’eau, l’eau s’évapore pour retourner dans l’atmosphère et recommencer le cycle à nouveau. Le cycle naturel de l’eau sous-entend un équilibre entre les différents processus pour recharger la nappe phréatique et subvenir aux besoins des plantes et des animaux. Le cycle se décompose selon les grandes étapes suivantes (voir figure 1.1) : la précipitation (P), le ruissellement (R), l’infiltration en surface et en profondeur (F), l’évaporation de surface (E), l’interception par les végétaux ou les éléments construits (I) et l’évapotranspiration par les végétaux (ET) (Anctil, Rouselle et Lauzon, 2005).
À la base, le bilan hydrique du cycle peut s’exprimer selon l’équation 1.1 (Anctil, Rouselle et Lauzon, 2005). Pour une période de temps donnée, VE est le volume qui entre dans le système, VS est le volume sortant et ∆V est la variation dans le système, ou l’emmagasinement, qui peut être positif ou négatif.
∆ (1.1) Les éléments entrant et sortant peuvent être identifiés selon la nature du système observé. Dans le contexte du cycle de l’eau, VE peut être la pluie, les eaux de ruissellement ou même une entrée d’eau régularisée par l’homme avec un système d’irrigation. VS peut aussi être du ruissellement de surface, l’interception, l’évaporation et la transpiration ainsi que l’infiltration. De la même façon, l’emmagasinement peut représenter différents éléments comme un volume d’eau pour une rivière, un système de drainage, l’accumulation en surface et l’infiltration dans le sol. (Akan et Houghtalen, 2003; Anctil, Rouselle et Lauzon, 2005). Pour maintenir l’équilibre hydrologique et minimiser l’impact sur le milieu naturel, ∆V doit essentiellement être nul.
Dans un contexte de gestion des eaux de pluie, et en se référant à la figure 1.1, VS représente l’entrée d’eau dans le système avec les précipitations (P) et le ruissellement (R). VE représente l’infiltration (I), l’évaporation des différentes surfaces des plans d’eau et les surfaces construites (E), l’interception par des éléments construits et par les végétaux (I) et l’évapotranspiration (ET). L’équation précédente peut se revoir comme suit :
(1.3) Tous les éléments de droite de l’équation sont les différentes composantes du processus d’évapotranspiration totale (Jensen, Jensen et Rosbjerg, 1991) et peuvent être étudiés individuellement.

L’urbanisation et la gestion de l’eau de pluie

En 1977, les États-Unis ont instauré le CLEAN WATER ACT (États-Unis, 1977)visant entre autres à restaurer et maintenir l’intégrité chimique, physique et biologique de leur système d’eau naturelle. Ils protègent la qualité de leurs cours d’eau par un contrôle des quantités d’eau entrant dans le milieu naturel, afin d’assurer la qualité de celle-ci lors des constructions de tout genre. Durant les années suivantes, l’urbanisation des villes et des banlieues a été identifiée comme étant responsable des modifications du cycle hydrologique et d’impacts majeurs sur les cours d’eau (Boucher, 2010; Mailhot et al., 2007; Rivard, 2005; Schueler, 1987). Avec l’imperméabilisation des surfaces dans les grandes villes et les régions adjacentes, le développement urbain modifie l’équilibre hydrologique en augmentant le ruissellement de surface et réduisant l’infiltration et l’évapotranspiration .
Le rôle de la gestion de l’eau de pluie dans le contexte de l’urbanisation du dernier siècle était de contrôler les volumes d’eau pour éviter des problèmes d’inondation sur les surfaces publiques et dans les bâtiments. À la base il s’agissait d’évaluer les zones inondables des cours d’eau et le système de drainage urbain pour minimiser les impacts sur le cadre construit (Rivard, 2005). En utilisant le concept de drainage majeur (la surface des voies de circulation) et mineur (les infrastructures souterraines) cette approche représente un contrôle de débit des eaux de ruissellement et ne favorise pas l’infiltration, ou même le contrôle de la qualité de l’eau.
Les municipalités, au Québec et ailleurs, ont été conçues selon deux modèles de réseau d’infrastructure. Il y a le réseau combiné, où les eaux de pluie et les rejets domestiques sont acheminés dans les mêmes tuyaux sous la chaussée pour se rendre dans les stations de traitement avant d’être rejeté dans les cours d’eau. Lors des évènements de pluie importants, le volume d’eau du système pluvial peut surcharger les usines de traitement et générer des déversements dans le milieu récepteur. De façon plus récente, l’utilisation de réseaux distincts sépare les eaux de pluie et les eaux usées. Les réseaux de pluie sont dirigés directement dans le milieu récepteur le plus proche. Cette dégradation a surtout un impact important sur la qualité de vie de la faune et de la flore de ces milieux (Schueler, 1987). La figure 1.3  illustre le résultat de la surcharge sur le milieu naturel à partir des réseaux urbains. Les volumes et débits d’eau pouvant être déversés dans le milieu récepteur naturel par les conduites des systèmes urbains peuvent modifier la forme des cours d’eau, augmentant les plaines de débordement et entraînant une dégradation de l’eau par les sédiments transportés, ainsi que les nombreux polluants balayés sur les surfaces imperméables.
L’imperméabilisation du sol dû à l’urbanisation crée une diminution de l’alimentation en eau des sols, une baisse du niveau des cours d’eau, un accroissement des concentrations des polluants dans les cours d’eau culminant dans une perte d’usage de l’eau tant par la faune que pour la santé humaine.
À partir de ces constatations est née l’approche de développement à faible impact avec une série de pratiques de gestion optimale pour gérer les eaux de pluie et minimiser les impacts de l’urbanisation sur le milieu naturel. Ce sont d’abord et avant tout des approches basées sur une vision d’ensemble de territoire, tout en contrôlant et minimisant l’impact des constructions sur le milieu récepteur, soit les cours d’eau. L’emphase est surtout sur une intégration des projets pour reproduire ou conserver un équilibre naturel sur l’environnement, notamment par la gestion des eaux de pluie et de ruissellement (Mailhot et al., 2008). Ces ouvrages sont à la fois des constructions traditionnelles de tuyauterie souterraine et des aménagements planifiés pour reproduire le cycle naturel de l’eau en optimisant l’infiltration, l’interception et l’évapotranspiration dans les processus visés.
En 2002, le MDDEP instaure la POLITIQUE NATIONALE DE L’EAU (Québec, 2002) qui vise à assurer la protection de cette ressource, de la gérer dans une perspective de développement durable et de mieux protéger la santé du public et des écosystèmes. Elle ne vise donc pas uniquement l’eau de pluie, mais bien la ressource dans sa globalité. Les pratiques de gestion optimale respectent au moins deux des différents engagements énoncés dans la Politique. Il y a l’énoncé numéro 41 traitant de la mise en place de stratégie d’encadrement des rejets urbains au Québec, et l’énoncé numéro 45 qui est celui d’utiliser des techniques de réhabilitation des réseaux par rapport au remplacement. Le coût important de ces infrastructures essentiellement souterraines peut ralentir le rythme des ajustements nécessaires. Plusieurs des différentes pratiques peuvent par contre s’intégrer aux réseaux existants utilisant le principe de chaîne de traitement qui sera plus efficace en cumulant la gestion des volumes et des débits d’eau et maximisant la retenue sur place à l’échelle du bassin versant et du lot individuel (Conseil National de Recherches du Canada et Fédération canadienne des municipalités, 2004; Marsalek et Schrieir, 2009). À partir du contrôle à la source sur les lots (privés et publics), il est possible d’ajouter des éléments de contrôle de volume et de débit d’eau de pluie pour réduire la surcharge des infrastructures souterraines existantes.
Pour la gestion à la source, la gestion de l’eau dans un espace végétalisé peut se faire avec les jardins de pluie (ou biorétention), les tranchées drainantes, les toits verts et les bandes filtrantes. Pour la gestion en réseau, on retrouve les noues et les fossés végétalisés, et pour la gestion en aval on retrouve les bassins de rétention (secs ou humides) et les marais filtrants (Boucher, 2010). Toutes ces stratégies ont pour objectifs de diminuer les surfaces imperméables, d’augmenter l’infiltration et de filtrer les polluants transportés par la pluie. À cette série d’ouvrages végétalisés se greffent des solutions plus minérales et mécaniques. Les surfaces poreuses en pavés de béton, asphalte ou gravier peuvent réduire considérablement le volume de ruissellement. Les différents puisards avec filtres et contrôle de débit, ainsi que les ouvrages de rétention et d’infiltration sous terre s’ajoutent aux options d’ouvrages en surfaces gazonnées et avec de la plantation variée. De toutes les pratiques énoncées, la plus répandue est le bassin de rétention. Conçue pour recevoir temporairement les volumes d’eau qui transitent dans le réseau souterrain, c’est une réserve à ciel ouvert, avec ou sans réserve en permanence. Ils sont essentiellement de trop-plein au système mineur souterrain et sont conçus essentiellement pour déplacer le débit de pointe dans le cas d’évènements de pluie importants (Rivard, 2005).
Les méthodes de calculs des systèmes de drainage sont basées, entre autres, sur les courbes d’intensité, durée et fréquence (IDF) afin d’établir les dimensions des conduites et des volumes nécessaires pour accommoder des évènements de pluie particuliers. Ces courbes sont les références officielles produire par Environnement Canada pour les concepteurs des réseaux, et sont basées sur des moyennes de pluies observées sur des périodes particulières par région du Québec. En exemple, pour la région de Montréal Aéroport Trudeau, les courbes sont établies à partir des pluies réelles observées de 1943 à 1990. Toutefois, vingt ans plus tard, ces courbes ne reflètent plus la réalité actuelle des évènements de pluie. Le phénomène de changements climatiques observé a comme impact d’avoir plus d’évènements de grande intensité, moins d’évènements de petite intensité et un plus grand écart entre les évènements, quels qu’ils soient (Mailhot et al., 2007). Ce changement de comportement veut dire que les systèmes plus anciens sont limités non seulement par leur état souvent dégradé, mais aussi parce qu’ils ne répondront plus à court ou moyen terme aux conditions pluviales. Outre la mise à jour des courbes IDF pour les planifications futures, et l’actualisation des réseaux existants, l’utilisation de pratiques de gestion optimale est préconisée dans une nouvelle approche intégratrice de conception des infrastructures de drainage pour le Québec (Boucher, 2010; Mailhot et al., 2008).

La biorétention

Des différentes pratiques connues à ce jour, la biorétention, aussi connue sous le nom de jardin de pluie, est encore peu utilisée au Canada. Réunissant les processus d’infiltration de l’eau et de la filtration de polluant, les études démontrent que cette pratique peut réduire de manière considérable les volumes dans le système traditionnel et les débits. Jumelant cette performance à une possibilité d’intégration dans la trame urbaine dans les espaces verts, c’est une pratique devenue populaire aux États-Unis et à travers le monde dans le contexte du Développement à faible impact (Davis, 2008; Davis et al., 2009). Le manuel le plus reconnu en la matière, le PRINCE GEORGE’S COUNTY BIORETENTION MANUAL (Departement of Environmental Ressources, 2007), décrit la cellule de biorétention comme un système contrôlant la qualité et la quantité de l’eau qui y circule, tout en étant un milieu essentiellement sec. Le terme cellule est utilisé en référence à sa nature d’unité de traitement, de système construit dans laquelle les différents processus prennent place. En plus de réduire les volumes et les débits d’eau, la cellule utilise les propriétés chimiques, physiques et biologiques des plantes, des microorganismes et des substrats qui la constituent pour filtrer les polluants des eaux de ruissellement. Des différents processus que l’on y retrouve, on peut noter entre autres la sédimentation, la filtration, l’adsorption, la volatilisation, la décomposition, la phytoremédiation, la bioremédiation et finalement la rétention. La cellule de biorétention peut être conçue pour reproduire l’hydrologie prédéveloppement (Departement of Environmental Ressources, 2007), point de référence pour les planifications du réseau pluvial. La cellule de biorétention est un espace avec de la plantation arborescente, arbustive ou vivace, formé d’une couche de paillis et de terre arable sur une fondation drainante. Un drain perforé est placé au fond lorsque le sol en place est jugé instable et que l’infiltration du sol en place n’est pas possible (Departement of Environmental Ressources, 2007). Le drain est aussi considéré comme nécessaire en climat froid pour assurer que le substrat soit dégorgé d’eau pour l’hiver pour continuer l’infiltration. Le sol utilisé dans ces aménagements doit avoir une infiltration rapide tout en ayant une bonne teneur en matière organique pour permettre le développement des bactéries nécessaires à la transformation des polluants et des éléments nutritifs pouvant être ensuite assimilés par les plantes. Les micro-organismes retrouvés dans le sol participent à la dégradation des composantes chimiques présentes dans l’eau de ruissellement, ainsi qu’à la décomposition de la matière organique. La profondeur de la zone de rétention et de filtration varie selon le lieu et la quantité d’eau à traiter et selon la surface d’occupation de la cellule. La figure 1.4 illustre les différentes strates qui composent la cellule.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 L’équilibre hydrologique
1.2 L’urbanisation et la gestion de l’eau de pluie
1.3 La biorétention
1.3.1 Le cycle hydrologique
1.3.2 La filtration des polluants
1.3.3 Les végétaux
1.4 Les arbres en milieu urbain
1.4.1 L’évapotranspiration
1.4.2 L’interception
1.4.3 La teneur en eau du sol
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Description des projets
2.2 Les cellules de biorétention
2.2.1 Calculs de la superficie des cellules
2.2.2 Composition des cellules
2.2.3 Choix des végétaux
2.3 Modélisation avec RECARGA
2.3.1 Base de données
2.3.2 Entrée de données – les simulations
2.4 Évaluation d’interception
CHAPITRE 3 RÉSULTATS
3.1 Équilibre hydrologique et saturation du milieu de croissance
3.1.1 Stationnement
3.1.2 Commerces
3.2 Variation de l’eau dans les cellules
3.2.1 Ratio des superficies des cellules
3.2.2 Sensibilité du modèle – du système
3.2.3 Résultats observés au site du stationnement
3.3 Interception des arbres
3.3.1 Superficie de feuillage
3.3.2 Accumulation sur le feuillage
3.3.3 Taux d’interception
3.4 Volume d’eau intercepté
CHAPITRE 4 DISCUSSION
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
ANNEXE I FIGURES COMPLÉMENTAIRES
ANNEXE II LE STATIONNEMENT DE MONT-SAINT-HILAIRE
ANNEXE III LE QUARTIER DIX30
ANNEXE IV LISTE DES MATÉRIAUX DES CELLULES
ANNEXE V RÉSULTATS RECARGA
LISTE DE RÉFÉRENCES

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