John Buck, un pédologue novateur basé à Pittsburgh, en Pennsylvanie, a tenté de répondre quantitativement à cette question dans de nombreuses villes différentes en utilisant des équipements de surveillance des sols afin de déterminer l'efficacité et les meilleurs types d'infrastructures vertes pour la gestion des eaux pluviales.

POURQUOI DES TOITS VERTS ?

Dans les villes plus anciennes, les eaux de ruissellement sont généralement combinées avec les eaux usées, et ces eaux combinées sont traitées dans une station d'épuration par temps sec et lors de pluies légères. Malheureusement, lors d'orages plus importants (parfois quelques mm de pluie seulement), les flux combinés dépassent la capacité de la station d'épuration et sont déversés sans traitement dans les eaux de surface sous la forme de "débordements d'égouts unitaires" (DEU). L'un des moyens d'atténuer les débordements est de capter et de stocker les eaux pluviales pour les empêcher de pénétrer dans les égouts unitaires. Un toit vert est essentiellement un jardin sur un toit, mais au lieu de faire pousser des plantes dans la terre, les installateurs utilisent un substrat synthétique fait de schiste expansé, d'argile expansée, de briques concassées ou d'autres matériaux légers et très poreux ayant des taux d'infiltration élevés. Lors d'un orage, l'eau s'infiltre dans les pores remplis d'air du substrat, qui agit comme une éponge pour absorber la pluie. L'excédent d'eau s'écoule dans une couche de drainage souterraine et quitte le toit-jardin par les drains de toit existants. Comme une grande partie des eaux pluviales est stockée dans le substrat, elle peut ensuite se dissiper par évapotranspiration au lieu de contribuer au volume des eaux pluviales et aux déversements d'eaux usées.

TROUVER DES RÉPONSES

Les concepteurs et les régulateurs veulent savoir si les toits verts fonctionnent bien et s'ils sont surdimensionnés. Ils veulent des réponses à des questions telles que : "Quel type de substrat dois-je utiliser ? Quels types de plantes peuvent survivre aux conditions des toits verts ? Devrai-je irriguer le toit vert lorsqu'il n'y a pas d'orages pour arroser les plantes ?" et "Le toit vert fonctionnera-t-il aussi bien lors d'un orage d'un pouce qui se produit en une demi-heure que lors d'un orage de cinq pouces qui se produit en cinq jours ?" Enregistreur de données ZL6 Buck utilise des lysimètres de sol et des pluviomètres à auget basculant modifiés pour mesurer la quantité, l'intensité et la qualité de l'eau entrant et sortant des toits verts. Il suit également les paramètres météorologiques et calcule l'évapotranspiration quotidienne des paysages. À l'aide des capteurs de sol METER, il mesure la conductivité électrique (sels dissous), la teneur en eau volumétrique et la température. Il a installé des enregistreurs de données METER qui envoient les données sur le web via une connexion cellulaire GSM, permettant aux parties prenantes d'accéder aux données en temps réel. Cette télémétrie des données offre une sécurité supplémentaire, des résultats immédiatement mis à jour, un retour d'information instantané sur les problèmes du système et un moyen facile de partager les données avec d'autres.

DE NOUVEAUX DÉFIS POUR LES TOITS VERTS

Les résultats des toits verts sont prometteurs, mais ils posent un nouveau défi : s'assurer que les plantes ont suffisamment d'eau. L'essentiel du problème réside dans le fait que le substrat léger de schiste et d'argile expansés, qui constitue la norme dans la conception des toits verts, absorbe bien l'eau, mais qu'il possède des propriétés particulières qui le distinguent des sols habituels. En particulier, le schiste expansé et l'argile expansée ont tendance à être dominés par des particules de sable et de gravier fin qui fournissent une forte proportion de macropores, mais la porosité intérieure des grosses particules est dominée par des micropores. Cette distribution de la taille des pores amène les chercheurs à se poser deux questions importantes : quelle quantité d'eau sera facilement disponible pour la croissance des plantes ? Et la conductivité hydraulique non saturée sera-t-elle suffisante pour éviter d'affamer les racines en cas de forte demande d'évaporation en permettant à l'eau de s'écouler du sol vers les racines ? Il s'agit là de questions cruciales alors que les technologies de toiture verte continuent d'évoluer.

MESURES REQUISES POUR LA VALIDATION DES TOITS VERTS

Buck a néanmoins beaucoup appris de son travail. Compte tenu de la distribution spatiale sauvage des orages d'été, les études quantitatives sur les performances des toits verts exigent que les précipitations soient mesurées localement. Le suivi des mesures de la teneur en eau du sol, de concert avec les précipitations et les mesures lysimeter du drainage du sol, révèle le degré de saturation totale et capillaire, le taux de drainage et la porosité disponible pour le stockage. Les capteurs de potentiel hydrique du sol METER, placés dans la frange capillaire de l'eau accumulée sur les couches de drainage souterraines, peuvent fournir des informations utiles sur la sécheresse de la couche de drainage et du sol sus-jacent, ainsi que sur le stockage disponible des eaux pluviales dans la couche de drainage. La mesure directe du drainage du sol à l'aide de lysimètres est une mesure supplémentaire essentielle dans les projets de quantification de la performance des toits verts, car il existe une composante non mesurée de stockage de l'eau là où des plantes succulentes alpines résistantes à la sécheresse (généralement des espèces de Sedum) sont utilisées sur les toits verts. Les plantes Sedum peuvent absorber jusqu'à 10 mm d'équivalent pluviométrique dans leurs tissus végétaux.

AUTRES PROJETS ET PLANS FUTURS

Au niveau du sol, Buck quantifie les performances des zones d'infiltration intensive des eaux pluviales connues sous le nom de jardins de pluie, de zones de biorétention ou, plus génériquement, de meilleures pratiques de gestion des eaux pluviales basées sur l'infiltration (PGB basées sur l'infiltration). Lors du suivi des PGO basées sur l'infiltration, Buck a utilisé des outils similaires à ceux utilisés pour les toits verts, mais il y a ajouté des capteurs de niveau d'eau et des piézomètres. Buck a constaté que les mesures auxiliaires de conductivité électrique, souvent disponibles sur les capteurs de teneur en eau, ainsi que l'échantillonnage de l'eau de surface et de l'eau interstitielle, peuvent être utilisées pour documenter les transformations qui ont lieu dans les systèmes d'infiltration. Ces mesures se combinent désormais pour montrer que les toits verts et les PGO basées sur l'infiltration font effectivement une différence dans les environnements urbains et contribuent aux déversements d'eaux usées. Le défi consiste maintenant à mettre en œuvre cette technologie à plus grande échelle. Mais, avec la validation maintenant en main, cette tâche devrait être un peu plus facile.

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