Performance des PGO en climat de redoux hivernal

Dans cette section se trouvent les performances qualitatives et hydrauliques des biorétentions et des bassins à niveau permanent en conditions de redoux hivernal. Les mêmes paramètres sont étudiés que précédemment. Quelques différences dans les concentrations de l’affluent sont à souligner. Notamment, la forte présence de sodium retrouvé dans les eaux de ruissellement suite à l’épandage de sels de déglaçage. De plus, les concentrations en métaux lourds et hydrocarbures peuvent être plus élevées étant donné que les véhicules sont moins efficaces en hiver et que la combustion peut s’effectuer moins efficacement. Finalement, la température ambiante des études réalisées représente celle des climats froids. Il est intéressant d’étudier l’impact des températures froides de l’air et du média sur l’efficacité du traitement.

1.7.1 Performances qualitatives

Les mêmes paramètres d’analyse sont utilisés afin d’étudier la performance qualitative des biorétentions et des bassins à niveau permanent.

2 _{Le Guide de Gestion des Eaux Pluviales ne donne pas de valeurs pour un bassin sec sans retenue prolongée,}

23 1.7.1.1 Biorétention

La vaste majorité des études réalisées sur les PGO ont été réalisées en été, probablement à cause des conditions d’échantillonnage plus accommodantes. L’équipement traditionnellement utilisé n’est pas nécessairement fait pour résister au gel et les volumes de ruissellement dus à la fonte de la neige sont difficiles à quantifier. Mais, pour les villes qui vivent des grands froids comme au Québec, il est pertinent de savoir si les PGO sont efficaces pendant les mois d’hiver. Géhéniau et al. (2014) ont monitoré pendant un an le comportement d’une cellule de biorétention dans un stationnement près de Montréal. Elle est donc sujette à des températures bien inférieures à 0°C. Leur méthode d’échantillonnage basée sur la récolte d’échantillons ponctuels chaque deux semaines a pour résultats des concentrations en polluants à l’effluent plutôt qu’une concentration moyenne par événement. Ils ont obtenu un enlèvement moyen de MES de 74.5%, de 4.7% pour la DBO5, peu d’enlèvement des métaux, du relargage des composantes de sels de déglaçage (-248%), de DCO (-50.6%) et de phosphore total (-65.3%) Il est à noter que l’affluent est peu chargé, par exemple la concentration moyenne en MES entrant dans la biorétention est de 37 mg/L, ce qui peut expliquer des taux d’enlèvement plus faibles que ce qui se trouve dans la littérature.

Par ailleurs, Khan et al. (2012b) ont observé un taux d’enlèvement moyen de MES de 90%, de 31% de DBO5 et un relargage d’azote et de phosphore total pour les pluies en conditions hivernales. Ding et al. (2019) ont eu des résultats positifs pour l’enlèvement des nitrates (96%) et du phosphore total (98%). Ces forts taux d’enlèvement peuvent s’expliquer par une durée de rétention de quatre jours dans la colonne de biorétention soumise à des cycles de gel-dégel. Roseen et al. (2009a) ont trouvé que les performances épuratoires des biorétentions n’étaient pas significativement différentes entre l’été et l’hiver pour l’enlèvement des MES, du phosphore total et du zinc. Les biorétentions implantées à St-François-Xavier- de-Brompton au Québec sont très performantes pour l’enlèvement des MES (76%), du phosphore total (62%) et de l’azote total (42%) pendant l’hiver (Blue Leaf, 2014). Une autre étude réalisée au Québec dans la MRC-Brome-Missisquoi (2015) à Cowansville apporte des résultats intéressants quant à l’efficacité des

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cellules de biorétention en hiver. Ces dernières offrent un meilleur taux d’enlèvement pour les polluants de nature particulaire, comme les MES (87%) et le phosphore (70%). Mais, un relargage de nitrites et de nitrates, d’aluminium, de brome, de cuivre, de fer, de zinc, de manganèse et de sels est observé. Les hydrocarbures eux restent plutôt en surface et s’agglomèrent au paillis, ne se rendant pas à l’effluent en quantité suffisante pour être détectés.

Une étude effectuée en Norvège par Muthanna et al. (2007) sur la performance de biorétentions qui traitent l’effluent généré par la fonte de neige en bordure d’autoroutes a obtenu des résultats similaires. Les concentrations en zinc, cuivre, plomb et cadmium ont été diminuées de 81 à 99%. Les plantes n’ont soutiré que de 2 à 8% des métaux. Les concentrations en MES ont été diminuées de 99%, faisant passer les concentrations aux affluents oscillant entre 2900 et 9600 mg/L à 10 mg/L à l’effluent. La DCO a été réduite quant à elle de 67 à 71%.

Denich et al. (2013) ont étudié l’enlèvement des métaux par les biorétentions à l’aide de mésocosmes qu’ils ont soumis à des conditions hivernales, c’est-à-dire à des cycles de gel dégel et à des pluies synthétiques comportant des concentrations élevées de chlorures et de sodium. Les taux de rétention des métaux qu’ils ont obtenus dans ces conditions se situent entre 85 et 91% pour le plomb, le cuivre et le zinc.

Un des facteurs qui complique l’enlèvement des métaux en hiver est l’apport important de sels de déglaçage. En effet, le sel affecte les processus de transformation des métaux alors qu’ils se dissolvent (Marsalek, 2003). Cela contribue à faire augmenter le relargage de métaux dissous dans les effluents de cellules de biorétention (Paus et al., 2014). Une étude réalisée en Suède sur des colonnes de biorétention s’est penchée sur le sujet. À savoir, quel est l’impact sur le traitement des métaux retrouvés dans les eaux pluviales lorsque ces dernières sont soumises à un apport en sels, à des températures froides et en présence d’une zone submergée ou non (Soberg et al., 2017). Ils ont, entre autres, trouvé que l’implantation d’une zone submergée au fond de la biorétention avait un effet positif sur l’enlèvement des MES et des métaux et qu’elle atténuait les effets

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négatifs du sel. Pour ce qui est de l’effet des basses températures, leurs conclusions sont que les performances d’enlèvement des métaux sont inférieures à celles obtenues en climat chaud. De plus, ils soulignent que l’activité biologique dans le sol est ralentie lorsque la température baisse. Cela peut affecter la croissance de biofilms et le captage de polluants par les plantes, en plus de diminuer le taux de décomposition de matière organique dans le sol. Toutefois, un des seuls avantages des concentrations élevées en sels est que la salinité élevée de l’eau permet aux solides en suspension de floculer, formant ainsi de plus grosses particules pouvant sédimenter plus facilement et qui deviennent plus faciles à filtrer (House et al., 1998; Szota et al., 2015).

Les sels de déglaçage sont épandus en grande quantité et sont très difficiles à enlever des eaux pluviales naturellement. Les résultats de Denich et al. (2013) démontrent que les ions de sodium sont temporairement emmagasinés dans le sol des biorétentions avant d’être lessivés et de se retrouver dans le milieu récepteur. Certains chercheurs préfèrent étudier le traitement des sels de déglaçage en analysant l’enlèvement du carbone organique dissous (Raspati et al., 2018), la teneur en ions de chlorures (Natarajan etDavis, 2015; Soberg et al., 2017) ou le rapport d’absorption de sodium (Kazemi et al., 2018) plutôt que la concentration en sodium. La majorité des études s’intéressant aux sels de déglaçage portent plutôt sur l’effet des sels sur l’enlèvement des autres polluants que sur l’enlèvement en tant que tel des sels (Soberg et al., 2014, 2017).

1.7.1.2 Bassin à niveau permanent

Quant aux bassins de rétention à niveau permanent, ils offrent également des performances intéressantes d’enlèvement des polluants en hiver. Une étude menée en Suède sur un bassin construit en 1994 démontre que ce dernier était plus efficace en 2013 que trois ans après sa construction en 1997. Après deux décennies en fonction, l’échantillonnage effectué sur le bassin permet encore d’abaisser les concentrations en MES, phosphore, plomb, cuivre, zinc et cadmium de 82 à 95% et l’azote de 50% (Al-Rubaei et al., 2016). Roseen et al. (2009b) ont obtenu en hiver des taux d’enlèvement moyens de MES de 77%, de 22% pour le

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phosphore et de 81% pour le zinc total. Davies (2006) a étudié la performance d’un bassin de rétention en Suède. Les sels de déglaçage ont été retenus à 80% par le bassin, mais un relargage a été observé entre les événements pluvieux. Une comparaison saisonnière a été réalisée sur les concentrations de certains polluants. Les taux de diminution des concentrations ont été les mêmes tout au long de l’année pour le cadmium (75%) et le cuivre (49%). Une différence notable entre la performance en été et en hiver pour d’autres polluants a été notée. Le plomb a été enlevé à 79% en été et 42% en hiver. Ces valeurs sont de 81% et 48% pour le zinc et de 80% et 49% pour les MES. Une étude effectuée en Suède sur un bassin de rétention a fourni des résultats intéressants. Des diminutions de concentration de 67% d’azote total, 78% de phosphore total, 92% de DCO, 51% de cuivre, 26% de plomb et 84% de zinc ont été observées par Färm et Waara (2005).

Natarajan et Davis (2015) ont obtenu des résultats différents pour un bassin d’infiltration qui s’est transformé au fil du temps et qui possède maintenant les caractéristiques d’un bassin à niveau permanent et d’un milieu humide. Le couvert de glace formé pendant les mois froids d’hiver au Maryland a grandement nuit au traitement et la performance était moins bonne qu’en été.

Peu d’études se sont penchées sur l’enlèvement des hydrocarbures par les bassins de rétention en climat froid. Wallace et al. (2011) ont étudié la performance de deux bassins exposés à des températures inférieures à -20°C en hiver au Wyoming et dans l’état de New York. Des taux d’enlèvement d’hydrocarbures supérieurs à 93% ont été dénotés.

1.7.2 Performances hydrauliques

Les performances hydrauliques en hiver sont évaluées pour les mêmes paramètres qu’en conditions estivales.

1.7.2.1 Biorétention

Géhéniau et al. (2014) ont également fait l’analyse de la capacité de rétention de la biorétention en estimant les débits entrants à l’aide de la méthode du Soil

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Conservation Service Curve Number et les débits sortants grâce à un débitmètre.

Ainsi, sur 64 événements ayant généré un effluent, 40 ont eu lieu en conditions estivales et 24 en conditions hivernales. Les taux de rétention d’eau moyens de ces deux périodes sont respectivement de 54,8%±4,6% et de -88,8%±26,6% par événement. Le signe négatif devant le taux de rétention en climat hivernal s’explique par le fait que la fonte de neige n’a pas été prise en compte dans la quantité d’eau entrant dans le jardin de pluie. Ainsi, le volume d’eau entrant a été sous-estimé par rapport à la réalité. Lors du bilan des volumes, la quantité d’eau sortant du système comprend le volume d’eau du au ruissellement ainsi que le volume de fonte de neige.

Des résultats forts différents ont été obtenus par Khan et al. (2012a) lors de leurs essais à Calgary. Ils ont obtenu un taux de rétention de la biorétention de 93,5% en conditions estivales et 87,5% en conditions hivernales. Cependant, il faut garder en tête qu’il est difficile de comparer l’efficacité de deux sites différents, étant donné la variabilité des événements de pluie analysés, la présence de neige, la taille de la biorétention, le milieu qu’il draine ainsi que la conception de son média filtrant et des plantes utilisées. Les débits de pointe lors de ces expérimentations en hiver ont été décalés en moyenne de 56 minutes. Roseen et al. (2009a), qui ont étudié les différences d’efficacité des biorétentions entre l’été et l’hiver, n’ont pas noté de variation significative de la réduction de performance entre les différentes saisons au niveau hydraulique, soit une diminution du débit maximal de 94% en été et de 82% en hiver. Davidson et al. (2008) a étudié la performance hydraulique des biorétentions en climat hivernal et a également conclu que les biorétentions sont efficaces même en hiver.

Tahvonen (2017) a réalisé une étude portant sur l’adaptation de la construction des biorétentions au climat finlandais et a étudié l’effet de la profondeur d’un filtre, de la présence de végétation et du type de matériel utilisé. Le filtre composé de sable et n’ayant pas de plantes a offert le plus court temps de rétention d’eau, alors que les filtres ayant de la végétation ont offert les temps de rétention les plus longs. Plus un filtre est profond, plus il retarde la génération d’effluent. Au niveau

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de la réduction de volume, le filtre à sable a retenu 65% de l’eau. Les filtres ayant une faible profondeur et de la végétation ont retenu entre 77 et 83% du volume d’eau entrant dans les biorétentions, tandis que les filtres plus profonds avec de la végétation ont retenu entre 74 et 78%. En effet, la végétation permet de maintenir des hauts taux d’infiltration même en climat froid (Valtanen et al., 2017). Davis (2008) a obtenu une réduction de débit de pointe de 44% tandis que Ping et Tao (2011) ont eu une diminution de 95%. Une étude effectuée en Norvège sur deux cellules de biorétention porte sur la performance hydraulique en hiver. Une réduction du débit de pointe de 27% et un décalage de pointe de 59 minutes pour les événements de pluie sur neige en hiver ont été observés (Muthanna et al., 2008).

1.7.2.2 Bassin à niveau permanent

L’étude effectuée en Suède sur un bassin construit il y a 19 ans présente des réductions de débit de pointe en hiver entre 65 et 88% (Al-Rubaei et al., 2016). Roseen et al. (2007) arrivent à un résultat similaire, soit une réduction des débits de pointe en hiver de 84%.