La gestion des eaux pluviales

Par Steven M. Braun, Ted Hart et Kirk Ordway

Traduction par Mathieu Arès

Bien que les eaux pluviales s’imposent rapidement comme l’une des principales sources de pollution urbaine, peu de gens sont au courant de la menace croissante qu’elles constituent. Au sein du cycle hydrologique, les eaux pluviales, au même titre que la fonte des neiges, terminent leur course en s’infiltrant dans le sol. Toutefois, dans les secteurs urbains, le pourcentage de ruissellement de surface s’accroît continuellement, ruissellement qui emprisonne les contaminants et les achemine dans les cours d’eau ou les égouts.

Les systèmes de gestion écologique des eaux pluviales, un type de développement à faible impact environnemental utilisé dans une perspective d’urbanisme durable, sont aujourd’hui exploités par les municipalités et les promoteurs pour stabiliser la qualité de l’eau en réduisant la quantité de contaminants qu’elle contient. Ces systèmes, des petites cavités dont la fonction s’apparente à celle des étangs de récupération, des jardins pluviaux, des jardinières, des toitures écologiques et des fossés, sont remblayés d’un mélange de sol sableux à haut taux de perméabilité et de matière organique à appliquer sur la couche supérieure du sol. Ils sont donc conçus pour maximiser l’infiltration de l’eau, la rétention des polluants et la croissance des végétaux. La ville de Portland, en Oregon, figure parmi celles qui détiennent le plus grand nombre d’installations de gestion écologique des eaux pluviales; pourtant, même là-bas, informer la population et entretenir ces installations s’est avéré un défi important pour le succès de leur implantation.

Le présent article vise à détailler, grâce à notre expérience sur le terrain, le programme introduit avec succès par des enseignants dans des écoles de Portland. Notre souhait? Que les enseignants intéressés à l’hydrologie, à l’écologie urbaine et à la mise en œuvre de solutions techniques pour répondre aux enjeux environnementaux reproduisent ce programme et l’adaptent selon leur besoin. Ce programme s’avère particulièrement utile dans les écoles où des installations de récupération des eaux pluviales se trouvent à proximité.

Notre étude, étalée sur dix semaines, tend à développer la conscience écologique des jeunes, en particulier leurs dispositions envers l’environnement, leurs connaissances et leur savoir-faire, et à leur enseigner des principes pertinents sur la pratique écologique de l’hydrologie urbaine et naturelle. Le projet offre également aux élèves la possibilité de perfectionner leurs compétences techniques et leurs habiletés de recherche sur le terrain, et ce, tout en cultivant leur sens des responsabilités. Les prochains paragraphes présentent les questions essentielles à se poser concernant l’incidence des eaux pluviales et explorent en détail les principales activités à réaliser.

Pour quelle raison les eaux pluviales représentent-elles l’une des principales sources de pollution dans les secteurs urbains?

Les jeunes savent décrire dans leurs mots de quelle manière l’urbanisation pollue l’eau de pluie et en quoi le travail sur le terrain, comme évaluer la qualité de l’eau et le degré de restauration des habitats, constitue un moyen efficace d’atténuation.

Pour ce faire, il est bon que vos élèves explorent leur propre cour d’école pour observer la structure et la variété de fonctions des systèmes de gestion écologique se trouvant dans la cour ou à proximité. Demandez-leur de comparer le sol et la végétation de ces installations à ceux que l’on trouve en zones humides et dans les régions boisées. Ensuite, afin que vos élèves soient en mesure d’identifier les fonctions principales de ces systèmes, comme la réduction du ruissellement ou la rétention des polluants, déterminez avec eux les raisons pour lesquelles on les préfère aux conduites d’eau (la rentabilité, par exemple). Ils seront aptes à évaluer dans quelle mesure un entretien fréquent assure la bonne marche de telles installations.

Aux fins d’une activité visant à comprendre le fonctionnement des systèmes de gestion écologique des eaux pluviales, répartissez vos élèves en trois groupes distincts : habitat (le sol et la végétation), expérience de terrain (entretien) et eaux pluviales (pollution, ressources, etc.). Ces thèmes représentent la gestion (entretien) requise au bon fonctionnement du système de récupération (habitat) pour nettoyer de manière efficace le ruissellement (eaux pluviales) de ses polluants. Donnez dix images à chacun des groupes et demandez aux élèves de les classer selon une gradation « écologique », par exemple en plaçant celle d’un ruisseau sain avant celle de l’eau de pluie chargée de polluants. Les jeunes prendront rapidement part aux discussions, voire argumenteront à propos du classement des images. Afin d’animer les discussions, incitez les membres de chacun des groupes à nommer un représentant qui posera des questions telles que : « Pour quelles raisons l’eau de pluie est-elle polluée? » ou « De quoi est composé un habitat sain? ». Au terme des discussions, vos élèves seront en mesure d’expliquer de quelle façon le travail sur le terrain permet d’influer positivement sur l’habitat et les eaux pluviales, et de définir ce qui constitue une bonne gestion des eaux pluviales.

En quoi les propriétés de l’eau, du sol et de la végétation sont-elles liées à la récupération de l’eau de pluie?

L’eau : Pour les aider à assimiler l’information sur le cycle de l’eau, demandez à vos élèves de dessiner sur une grande feuille de papier kraft leur propre secteur urbain, les terrains de l’école munis d’un système de gestion écologique ou la région boisée la plus près. Ils pourront ainsi bien visualiser le cheminement des eaux pluviales, de son commencement jusqu’à sa fin. De plus, ils seront en mesure de noter les différences entre les courants d’eau naturels et ceux des zones urbanisées, puis de remettre en contexte cette distinction selon leur propre mode de vie. Enfin, ils se familiariseront avec la force d’adhésion et de cohésion de l’eau et, en calculant le nombre de gouttes d’eau qu’il est possible de faire tenir sur des pièces de 1 cent et de 5 cents, arriveront à juger en quoi ce concept est directement lié au transport de la pollution par les eaux pluviales.

Le sol : Vos élèves assimileront davantage l’information sur la texture du sol, la masse volumique et les horizons en mettant ces éléments en relation avec l’infiltration des eaux pluviales. Laissez-les d’abord expérimenter la méthode du toucher pour déterminer la texture des échantillons de sable, d’horizon superficiel et d’argile. Par la suite, demandez-leur de tracer, sur la feuille de papier kraft, le triangle des textures de sol (Fig. 1), puis d’y placer les échantillons sur leur emplacement respectif. Vos élèves pourront ensuite mesurer la masse volumique (masse de substance/volume). L’une des façons les plus simples de réaliser cette opération est d’abord de creuser dans le sol un petit trou de l’équivalent d’un gallon et de peser la matière retirée pour connaître la valeur de la masse. Par la suite, il s’agit de placer un sac de plastique dans le trou et de le remplir d’eau jusqu’au rebord. Enfin, il suffit de verser le contenu du sac dans l’appareil de mesure pour connaître la valeur du volume. Vos élèves pourront ainsi émettre des hypothèses au sujet de l’influence exercée par une modification de la masse volumique sur la porosité (pourcentage d’espaces vides dans la matière) et, par le fait même, sur l’infiltration de l’eau. Dans le même ordre d’idées, demandez-leur de déterminer la profondeur de l’horizon A de leur cour d’école et des systèmes de gestion écologique des eaux pluviales, et d’essayer de comprendre l’influence de la profondeur de cet horizon sur l’écoulement des eaux pluviales. Pour ce faire, il leur suffit d’introduire une tarière dans le sol et d’en extraire le noyau pour l’étudier visuellement, en portant une attention particulière à son apparence — gradation des couleurs du brun foncé de l’horizon superficiel au brun pâle du sous-sol —, et par le toucher, en formant des rubans de terre dans la paume d’une main.

L’hydrologie : Pour que vos élèves apprennent à mesurer la quantité d’eaux pluviales, faites-leur verser le contenu d’un petit seau d’eau troué sur une surface recouverte de coupelles. Au terme de cette averse artificielle, demandez-leur de mesurer le niveau d’eau de chaque coupelle pour ainsi estimer la quantité d’eau totale de la zone. Il s’agit là d’un bon moyen de montrer à vos élèves qu’une telle simulation permet d’augmenter la précision lorsque vient le temps de mesurer la quantité d’eau de pluie.

La végétation : Demandez à vos élèves de discuter de l’efficacité des grands végétaux pour l’élimination des polluants en comparaison de celle des plus petits. Pour les aider à estimer le pourcentage de surface recouverte de végétation, voici une activité de simulation à réaliser en classe :

1. Posez, sur une surface plane, une carte ou tout autre objet plat qui s’apparente à une carte et présente des formes distribuées de manière irrégulière;
2. Placez une règle parallèlement à la carte, peu importe l’orientation, pour autant que la valeur 0 se trouve à l’un des coins;
3. Lancez un dé, puis repérez sur la règle le nombre obtenu;
4. Posez une deuxième règle perpendiculairement à la première en vous assurant que le 0 soit placé sur le nombre obtenu par le dé;
5. Lancez le dé de nouveau, puis repérez le nombre sur la règle que vous venez de placer;
6. Posez un quadrat mesurant 1 po de largeur par 1 po de hauteur sur le deuxième nombre obtenu, puis inscrivez le pourcentage d’espace couvert de végétation identifié en fonction des directives précédentes.

En quoi les systèmes de gestion écologique atténuent-ils les effets nuisibles des eaux pluviales dans les secteurs urbains?

Différences entre les types de terrain étudiés :

Afin que vos élèves comprennent de quelle manière l’écologie et l’hydrologie de différents systèmes influent sur la qualité des eaux pluviales, emmenez-les visiter des secteurs naturels et demandez-leur de noter les données liées aux éléments suivants :

1. La diversité végétale et le pourcentage qu’elle couvre
2. La texture du sol
3. La masse volumique
4. La profondeur de l’horizon A
5. Le taux d’infiltration d’eau
6. La qualité de l’eau (pH, température, oxygène dissous et turbidité)

Si possible, faites en sorte que vos élèves comparent entre elles les données recueillies en forêt, dans des emplacements humides urbains et dans des systèmes de gestion écologique des eaux pluviales des environs. Cela leur permettra d’effectuer des recherches sur l’influence de l’écologie locale sur les eaux pluviales dans les environnements naturels et urbains, et d’évaluer si les installations écologiques en garantissent la qualité.

Pour ce faire, séparez la classe en quatre groupes distincts auxquels vous attribuerez un domaine d’étude : l’eau, l’infiltration, la végétation et le sol. À l’aide d’une trousse servant à évaluer la qualité de l’eau, le 1^er groupe notera la température de l’eau et son taux d’oxygène dissous, de turbidité et de pH. Le 2^e groupe, quant à lui, utilisera un infiltromètre à simple anneau (un pot de peinture sans fond de 3 gallons convient également pour la plupart des types de sols) pour verser l’équivalent de 1 gallon d’eau dans l’anneau, puis calculer le temps que l’eau prend à s’infiltrer entièrement dans le sol. À répéter jusqu’à saturation du sol.

Le 3^e groupe, celui du sol, creusera un petit trou (l’équivalent de deux poings de profondeur et de largeur), fera sécher la terre en classe, puis pèsera la terre recueillie. Avant de reboucher le trou, vos élèves y auront placé un sac de plastique et estimé le volume de l’eau versée dans le sac à l’aide d’un cylindre gradué. Le poids de la terre sera ensuite divisé par le volume afin d’estimer la masse volumique. De plus, les élèves pourront calculer la porosité du sol à l’aide de la formule suivante : ɸ=1-(masse volumique/2,65 g/cm³). Grâce aux données ainsi recueillies, vos élèves seront également capables de mesurer le compactage du sol, élément qui a une influence importante sur le taux d’infiltration et sur le ruissellement. Ensuite, à l’aide d’une tarière, qu’on peut se procurer pour moins d’une centaine de dollars, et de la méthode du toucher mentionnée un peu plus tôt dans l’article (des guides pratiques sont accessibles en ligne), ils pourront évaluer l’horizon et la texture du sol, cette dernière se déterminant avec précision même si l’on ne possède qu’une formation de base.

Enfin, le groupe de la végétation évaluera la diversité des plantes le long d’une ligne virtuelle. Pour ce faire, vos élèves dérouleront l’équivalent de 100 mètres de ruban à mesurer, choisiront un nombre au hasard entre 1 et 100, puis déposeront un quadrat de 1 mètre carré sur le nombre sélectionné pour identifier les variétés de plantes et le pourcentage de la zone délimitée couverte de végétation. L’instrument de mesure est fait de tuyaux PVC de 1 po de diamètre et de quatre raccords coudés en plastique. En somme, la végétation de la zone devrait être constituée d’arbrisseaux, d’herbes, de gazon et d’arbustes.

Rassemblez les données recueillies par tous les groupes pour que vos élèves les analysent d’abord individuellement, puis en groupes de 5 ou 6 personnes pour concevoir des affiches faisant état de leurs découvertes. Vos élèves compareront ensuite les données recueillies dans les zones naturelles et urbaines, et classeront les paramètres, comme la qualité de l’eau et le taux d’infiltration, dans une optique écologique. Toujours en utilisant cette méthode d’évaluation, ils émettront enfin des conclusions sur l’efficacité du système de gestion écologique des eaux pluviales se trouvant dans leur cour d’école, ainsi que sur son fonctionnement, à savoir s’il correspond davantage à un système naturel ou à un système urbain.

Bilan de la circulation des eaux pluviales dans la cour d’école

Afin que vos élèves comprennent de quelle manière l’eau circule dans un environnement urbain, ils peuvent dresser un bilan utile, bien qu’approximatif, de la circulation de l’eau dans leur cour d’école. Nous le disons approximatif, puisqu’il ne prend pas en compte l’eau souterraine, l’évapotranspiration et les modifications à la quantité d’espace libre dans la terre. Pour évaluer le volume d’eau, vos élèves devront multiplier les données sur la jauge par la grandeur du terrain de l’école. Ils mesureront ensuite la grandeur des surfaces imperméables et perméables de la cour. À partir de ces données, ils pourront émettre des suppositions sur la quantité d’eaux pluviales qui se sont infiltrées dans les infrastructures de la ville et celles qui se sont infiltrées dans le sol. Ils pourront ensuite revoir leurs hypothèses après une recherche un peu plus approfondie. Ainsi, ils établiront peut-être que la grande majorité des surfaces imperméables de l’école redirigent les eaux pluviales dans les systèmes de gestion écologique. Ces renseignements à l’appui, vos élèves seront en mesure d’élaborer un deuxième bilan de la circulation de l’eau afin de refléter les véritables conclusions. Dans le but de bien évaluer le volume d’eau en question, demandez-leur ensuite de transformer les données (pi³) afin de les rendre plus facilement compréhensibles, par exemple en calculant en nombre de ballons de basketball ou d’automobiles que le volume représente. Vos élèves pourront alors connaître la quantité d’eau qui circule dans leur cour d’école et estimer la quantité que les installations écologiques retirent du système d’eaux pluviales de la municipalité.

Bilan de la circulation de l’eau à la maison et structure des systèmes de gestion écologique des eaux pluviales

Cette activité contribue à faire de vos élèves et de leur famille des  “gestionnaires des eaux pluviales”. Pour ce faire, il suffit aux jeunes d’imprimer deux exemplaires d’une photo aérienne de l’endroit où ils vivent, y compris les immeubles d’habitation des environs, les quartiers résidentiels des alentours et les terrains urbains. La première photo servira à dresser, comme ils l’ont fait pour leur cour d’école, le bilan de la circulation de l’eau pour le terrain de leur demeure durant le mois précédent. Ils y indiqueront l’emplacement des zones imperméables et le mode de circulation de l’eau des toitures jusqu’aux différentes surfaces. Ils indiqueront également l’emplacement des gouttières, dont les tuyaux de descente aboutissent dans le système d’eaux pluviales de la municipalité; ils indiqueront aussi la direction vers laquelle se dirige l’eau de l’entrée. La deuxième photo servira, quant à elle, à redessiner la structure de leur terrain afin d’intégrer des systèmes de développement à faible impact environnemental, comme des toitures écologiques, des jardins pluviaux, un revêtement d’entrée perméable et un système de drainage écologique. Une fois le nouveau plan terminé, demandez-leur de revoir le bilan précédemment établi en transformant en exemples concrets les données recueillies sur le volume d’eau.

Avant la réalisation de l’activité, il serait profitable d’inviter des spécialistes des eaux pluviales à venir expliquer aux jeunes le fonctionnement des différents systèmes de développement à faible impact environnemental pour absorber les eaux pluviales de façon rentable. Si vous le désirez, vous pouvez également enrichir l’activité en incitant vos élèves à estimer les coûts de réaménagement de leur chez-soi, voire à recueillir différentes données, comme le taux d’infiltration d’eau ou le degré de diversité de la végétation présente sur leur terrain.

Évaluations

Apprentissages et changements des mentalités : Avant de lancer le programme et après l’avoir terminé, il est important d’évaluer l’intérêt des élèves pour la science et leur conception de l’environnement. Comparez leurs résultats à ceux d’un groupe témoin qui ne fait pas partie du programme. Il n’est pas nécessaire d’effectuer une évaluation formative officielle des connaissances de vos élèves. Demandez-leur plutôt de remplir un cahier d’exercices au cours de l’activité.

Conclusion

Le programme de gestion des eaux pluviales enseigne aux jeunes les stratégies mises en œuvre par les municipalités, les citoyens et les organisations non gouvernementales (ONG) afin d’aborder la question des sources diffuses de pollution de l’eau et de l’assainissement du bassin versant. Durant ce processus, vos élèves évalueront leur propre influence sur la nature et se familiariseront avec toute la science à l’œuvre derrière les stratégies environnementales détaillées dans l’article, y compris les types de sols, l’hydrologie, la végétation et la mécanique des installations. Nous avons pu remarquer que, grâce à l’expérience sur le terrain, des élèves arrivaient à bien assimiler les nouvelles connaissances et gagnaient de la confiance en leurs propres habiletés à contribuer à l’assainissement du bassin versant. Plusieurs d’entre eux s’intéressent par la suite à la gestion de leur propre bassin hydrographique résidentiel et finissent par entraîner leurs parents dans l’aventure!

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Notes

Une vidéo décrivant le projet est accessible au http://www.pdx.edu/soe-gk12/videos-and-mini-documentaries.

Figure 1 page 38

percent clay : pourcentage d’argile

percent silt : pourcentage de limon

percent sand : pourcentage de sable

sand : sable

loamy sand : sable loameux

sandy loam : loam sableux

sandy clay loam : loam sableux argileux

sandy clay : argile sableuse

clay : argile

clay loam : loam argileux

loam : loam

silty clay : argile limoneuse

silty clay loam : loam limoneux argileux

silt loam : loam limoneux

silt : limon

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Steven M. Braun et Ted Hart sont tous deux doctorants en sciences de la terre, de l’environnement et de la société à la School of the Environment de la Portland State University. Les travaux de Steven Braun portent sur la restauration écologique et la formation à l’environnement. Ted Hart s’intéresse également à cette dernière, ainsi qu’au fonctionnement des installations de biorétention des eaux pluviales. Kirk Ordway est, quant à lui, professeur de sciences à la Mt. Tabor Middle School, école publique de Portland.

Les auteurs tiennent à remercier la National Science Foundation, le réseau Portland Public Schools, le Bureau of Environmental Services de Portland, ainsi que nombre de personnes pour leur aide durant la création et la mise en œuvre du programme. Pour consulter ce dernier, en ligne depuis 2014, rendez-vous au www.pdx.edu/soe-gk12/curriculum

Mathieu Arès est finissant au baccalauréat en traduction professionnelle à l’Université de Sherbrooke. Amoureux de littérature, il entame, à l’automne 2015, une maîtrise en traduction littéraire.

Ce qui précède est une traduction de « Stormwater Stewards » qui a été publié en Green Teacher 101, Hiver 2013-2014.