Protection de la qualité des eaux de surface à Lappeenranta, Finlande

En Finlande, la qualité de l'eau du lac Saimaa, près de Lappeenranta, est menacée par l'augmentation des précipitations, les inondations et les phénomènes météorologiques extrêmes dus au changement climatique. L'eau d'inondation et l'eau provenant de la fonte des neiges transportent des contaminants (microplastiques, huiles et autres produits chimiques, nutriments, matières solides et organiques) dans le lac. La charge d'éléments nutritifs provoque l'eutrophisation du lac. Dans le cas où la pollution par les nutriments entraîne une prolifération d'algues nocives, boire ou nager dans l'eau affectée peut entraîner de graves complications pour la santé. Par exemple, nager sur une plage où des algues bleu-vert sont présentes peut irriter la peau ou causer de l'estomac (par exemple nausées, douleurs à l'estomac, diarrhée, vomissements) ou des symptômes pseudo-grippaux (par exemple écoulement nasal, maux de tête, irritation des yeux, fièvre). Cela est d'autant plus problématique que le lac Saimaa est une source d'eau potable et un centre récréatif.

La gestion des eaux pluviales et des eaux de fonte est donc essentielle pour surmonter ces défis. Le programme actuel sur le climat vise à réduire les quantités d'eaux pluviales et d'eaux de fonte dans les réseaux urbains d'eaux pluviales et d'égouts. Le plan de gestion des eaux pluviales de la municipalité décrit la nécessité d’adapter les réseaux et les installations actuels aux demandes futures et d’accroître la capacité de la ville à filtrer les substances indésirables des eaux pluviales et des eaux de fonte.

Concevoir un plan complet de traitement durable des eaux pluviales pour Lappeenranta est une tâche complexe. La ville s'étend sur cinq bassins versants (Saimaa, Saimaa Kanava, Ruoholampi, Rakkolanjoki et Alajoki). Comme toutes les villes, Lappeenranta est un système urbain complexe avec des interrelations physiques, de propriété et juridiques compliquées entre ses composants (parcs, routes, bâtiments résidentiels, bâtiments commerciaux, industries, etc.).

Le plan de gestion des eaux pluviales met en évidence les questions qui doivent être prises en compte dans la conception de l'infrastructure de gestion des eaux pluviales, comme la présence de réserves de sites naturels, de sites historiques patrimoniaux ou de zones paysagères précieuses, qui devraient être largement amarrées lors de l'identification des sites pour de nouvelles installations de gestion des eaux pluviales. Une question clé est le niveau maximal de précipitations auquel le système devrait être en mesure de faire face, compte tenu de l'augmentation attendue des événements extrêmes dus au changement climatique, et des conditions et vulnérabilités spécifiques locales - en particulier, la taille et la situation de la masse d'eau de rejet.

L’objectif général de la gestion de l’eau, tel qu’indiqué dans le plan de gestion des eaux pluviales, est de prévenir la détérioration des eaux souterraines, en termes d’état écologique et de qualité de l’eau pour les usages humains, y compris récréatifs. Le Plan énumère les objectifs suivants pour la gestion des eaux pluviales:

• Gérer et éventuellement prévenir les dommages causés par les inondations causées par les eaux pluviales
• Maintenir les ressources en eaux souterraines, en empêchant les substances nocives de pénétrer dans les eaux souterraines et en optimisant l'absorption de l'eau dans les eaux souterraines
• Préserver l'utilisation récréative des plans d'eau grâce à la gestion de la qualité des eaux pluviales en réduisant les apports d'éléments nutritifs dans les plans d'eau
• Minimiser l'expansion du réseau de pipelines et la quantité d'eaux pluviales rejetées à la station d'épuration
• Accroître les méthodes de gestion des eaux pluviales naturelles et sur place qui favorisent la biodiversité dans la nature et les zones urbaines, ce qui est l'objectif principal de cette étude de cas
• Utilisation des eaux pluviales comme ressource, telle qu'une caractéristique du paysage, pour l'irrigation ou les zones humides

Le plan définit également des objectifs plus spécifiques pour la gestion de la qualité des eaux pluviales dans les masses d’eau réceptrices, tels que la réduction de la pollution par les nutriments et la prévention des proliférations d’algues dans la région occidentale de Saimaa.

Le plan de gestion des eaux pluviales définit les conditions d'utilisation de solutions fondées sur la nature, telles que la modification de l'aménagement des rues pour fournir des bandes vertes et des zones de biofiltration et fournir un espace pour les structures de gestion, car les eaux pluviales provenant de rues fortement fréquentées peuvent transporter des métaux, des huiles et des microplastiques. Les recommandations comprennent la mise en œuvre d'une gestion de la qualité de l'eau, comme l'orientation des eaux pluviales, et l'augmentation de l'utilisation de trottoirs perméables et de fossés ouverts comme solutions de drainage des rues. Un nouveau système de drainage basé sur la nature dans les rues de la ville est mis en place, qui comprend la plantation d'un mélange de végétation optimisé le long du trottoir pour améliorer la filtration de l'eau vers le système de collecte d'eau sous-jacent. Ce système est couplé à des capteurs pour la surveillance à distance de la qualité et du débit des eaux pluviales et des inondations dans le système de drainage.

Huit nouvelles zones humides urbaines ont été construites; sept le long des rives du lac Pien-Saimaan et un sur les rives du lac Ruoholampi près de Lappeenranta, ce dernier achevé en septembre 2023. La zone des sept zones humides de Pien-Saimaan comprend trois étangs et une section en forme de ruisseau, qui amène l'eau recueillie par le réseau d'eau du ruisseau vers les zones humides. Les étangs ralentissent le débit de l'eau, ce qui permet aux substances polluantes dans l'eau de Saimaa de se déposer au fond. Les étangs sont construits à différentes hauteurs sur une pente, et comme le niveau de l'eau peut varier considérablement, les piscines ont été munies d'un système pour accueillir les débordements. La zone humide de Ruoholampi empêche les nutriments et les matières solides de s'écouler dans le lac Ruoholampi et de là vers Pien-Saimaa. Il améliore également la biodiversité et, étant construit à proximité d'une école, le bien-être des élèves. D'autres structures de gestion des eaux pluviales basées sur la nature comprennent des bassins de rétention des eaux pluviales (Heinäkatu) et la zone d'infiltration de Koulukatu (le site pilote du projet TransformAr).

Le bassin de rétention Heinäkatu est utilisé pour ralentir le ruissellement des eaux pluviales, afin d'équilibrer les pics d'inondation lors de fortes pluies et d'agir comme tampon de capacité pour le réseau d'égout pluvial. L'eau est recueillie dans la zone de rétention et rejetée dans le système à l'autre extrémité. Dans la zone de rétention, le débit d'eau est ralenti, ce qui permet le dépôt de solides et d'autres polluants, de sorte que l'eau retournée à l'égout pluvial est plus propre. La végétation qui se développe dans les bassins au fil du temps améliore la purification de l'eau et aide à l'évaporation. L'installation se compose de deux bassins avec un barrage en pierre naturelle entre eux. Les bassins sont peu profonds avec une profondeur d'environ 0,5 m et peuvent sécher entre les précipitations. Des tremplins ont été installés au barrage pour encourager une inspection plus étroite des piscines, car la zone est également utilisée comme environnement d'apprentissage pour les élèves d'une école voisine.

La rénovation de la rue Koulukatu comprend une zone de biofiltration des eaux pluviales dans la section verte de la rue, ce qui réduit la quantité d'eaux pluviales rejetées dans les égouts et les masses d'eau non traitées. Les eaux pluviales sont absorbées jusqu'à la nappe phréatique par les couches structurelles de biochar et de calcaire, qui les rechargent.

De plus, à l'usine d'eau souterraine artificielle Huhtiniemi de Lappeenranta, l'eau domestique est produite par infiltration d'eau de surface de la partie ouest du Pien-Saimaa dans les eaux souterraines. Huhtiniemi est la seule installation d'eau souterraine artificielle, sur un total de 10 prises d'eau souterraine, à Lappeenranta. L'eau brute est pompée de Saimaa vers des bassins de filtration sur sable sur la crête de Huhtiniemi, qui sert de filtre naturel qui purifie efficacement l'eau. L'eau est ensuite pompée à partir de puits et subit un traitement d'alcalinisation et une désinfection aux ultraviolets avant d'entrer dans le réseau de distribution d'eau.

En outre, le système de ruissellement urbain sera amélioré et surveillé à l'aide d'un ensemble de nouveaux capteurs et d'une surveillance couplée de la contamination, de la qualité de l'eau et du débit dans le système de drainage. En outre, les résidents auront la possibilité de surveiller les solutions mises en œuvre via une application de crowdsourcing pour smartphone.

Pour préparer le plan de gestion des eaux pluviales, le processus de consultation des parties prenantes a été mené dans le cadre de trois ateliers à l'automne 2019, avec la participation de Lappeenrannan Energiaverkot Oy (un service local de distribution d'eau et d'énergie), de la gestion des biens fonciers de la ville de Lappeenranta, de l'urbanisme, des rues et de l'environnement, des services environnementaux, du contrôle des bâtiments, du service de sauvetage de la Carélie du Sud et du centre ELY du sud-est de la Finlande (un centre de développement régional). Les thèmes des ateliers étaient les eaux pluviales et l'aménagement du territoire, les eaux pluviales et les systèmes d'information, ainsi que la gestion naturelle des eaux pluviales. Les résumés des ateliers ont été utilisés pour produire un ensemble préliminaire de contenus pour le plan de gestion des eaux pluviales, ainsi qu'une liste électronique des documents nécessaires sur lesquels ce plan est basé.

Les contraintes d'espace sont une limitation dans la gestion des eaux pluviales. Le plan de gestion des eaux pluviales note que les structures de gestion de la qualité des eaux pluviales sont généralement dimensionnées pour les fortes précipitations une fois par an ou deux fois par an et permettent une marge supplémentaire de 20% pour le changement climatique, mais dans certains endroits, il pourrait ne pas y avoir assez de place pour gérer même un événement pluviométrique une fois par an. Dans une telle situation, une évaluation coûts/bénéfices de solutions alternatives, telles que celles fondées sur la nature - zones humides urbaines développées à Lappeenranta, a été réalisée. En outre, l'augmentation du nombre de structures d'eaux pluviales augmente également l'effort d'entretien annuel et donc les ressources humaines nécessaires.

Dans les zones urbaines centrales densément construites, un aspect esthétique est important. Le plan suggère de canaliser le ruissellement dans les allées arborées et les parterres de fleurs des rues, équipées de structures d’infiltration, associées à des solutions de drainage souterrain, comme celles en cours de construction à Lappeenranta.

Un facteur limitatif potentiel est la coordination entre les institutions et les acteurs concernés. L’entretien et la gestion des zones humides relèvent de Greenreality, le service municipal de protection de l’environnement et de développement durable de la ville, tandis que d’autres structures de gestion des eaux pluviales, telles que les bassins de rétention des eaux pluviales (Heinäkatu) et la zone d’infiltration de Koulukatu (site pilote du projet TransformAr), sont gérées par le département des rues et de l’environnement urbain dans le cadre de l’entretien des rues et des espaces verts. La coordination entre les responsabilités privées et publiques en matière de gestion des eaux pluviales et de raccordement aux principaux réseaux de drainage dans le cas de propriétés privées peut également constituer un facteur limitant pour le plan. La gestion des eaux de ruissellement provenant des sites industriels est particulièrement préoccupante, en raison du large éventail de polluants qu'elles peuvent rejeter, ce qui nécessite à son tour des solutions au cas par cas.

La construction de zones humides a été particulièrement réussie et ne semble pas avoir souffert de facteurs limitatifs majeurs. La disponibilité des terres n'était pas un problème en raison du déclin des activités agricoles dans la région de Lappeenranta. Le seul facteur limitant temporaire est le temps - il faut environ trois ans pour qu'une zone humide remplisse pleinement ses fonctions de filtration et de régulation de l'eau. Du côté positif, les zones humides ont également des effets panoramiques et augmentent l'attrait récréatif des zones concernées.

Un avantage supplémentaire est la reproductibilité des solutions. La ville de Lappeenranta a rejoint le projet H2020 TransformAr en tant que partenaire du site de démonstration, afin d'améliorer et de démontrer certaines mesures d'adaptation prises dans le cadre du plan de gestion des eaux pluviales. La couverture de ces actions d'adaptation par le projet TransformAr offre une occasion unique de suivre leur développement et d'évaluer leur efficacité et leur transférabilité. Dans cette perspective, un programme de suivi a été développé dans le cadre du projet avec la ville norvégienne de Gjøvik, une ville d'environ 30 000 habitants sur le lac Mjøsa, le plus grand lac de Norvège. Gjøvik a été choisi comme réplicateur pour Lappeenranta en raison de leur vulnérabilité climatique similaire en termes d'urbanisme et de gestion de l'eau. Le projet TransformAr suit la mise en œuvre de la même solution d'adaptation à Gjøvik qu'à Lappeenranta.

Le coût d'entretien des espaces verts comprend l'entretien hivernal, le nettoyage, l'entretien des structures, de l'équipement et de l'ameublement, et la gestion de la végétation. En 2023, le coût global de maintenance des espaces verts s’élevait à 1,69 EUR/m2.

La construction et l’entretien des zones humides sont planifiés site par site, de sorte qu’aucun chiffre «typique» pour ces coûts ne peut être fourni. Cependant, à titre d'illustration de la gamme des coûts impliqués, l'administration de Lappeenranta a fourni les exemples suivants pour la construction des zones humides:

• Le bassin de rétention de Heinäkatu avait un coût de 44 €/m2 pour une superficie de 3 000 m2, pour un total de 132 000 €. Cela comprend les coûts des matériaux, du transport et de la main-d’œuvre, les coûts de plantation de nouveaux arbres et de la végétation, les travaux de chantier, y compris la gestion de la construction et d’autres tâches de chantier, et les tâches de construction directement supportées par l’administration de la ville.
• La zone d’infiltration de Koulukatu a coûté 340 EUR/m2 pour 245 EUR/m2, pour un total de 83 300 EUR. Cela comprend les coûts des matériaux pour la zone d’infiltration et les tuyaux qui rejettent les eaux pluviales dans la zone, les coûts de transport et de main-d’œuvre connexes, les coûts de plantation de nouveaux arbres et de la végétation, ainsi que les travaux de chantier, y compris la gestion de la construction et d’autres tâches du site, et les tâches de construction directement supportées par l’administration de la ville.
• Enfin, les coûts de surveillance/capteur, y compris les capteurs, les services d’installation, de maintenance, de gestion, de surveillance et de réparation, ainsi que les services de données pendant 26 mois, s’élèvent à 21 000 EUR pour 5 points de surveillance dans 3 domaines.

Les avantages de ces mesures mises en place dans le cadre de cette étude de cas n'ont pas été évalués en termes quantitatifs. Le renforcement du contrôle de la qualité de l’eau présente des avantages évidents pour le bien-être des citoyens et des visiteurs de Lappeenranta, en termes de sécurité sanitaire découlant de normes d’eau fiables pour les usages domestiques et récréatifs, même en présence d’inondations. L’utilisation de solutions fondées sur la nature pour créer des zones humides sur le territoire de la municipalité augmente la disponibilité des espaces verts. Le réseau de zones humides augmente également la biodiversité et fournit un habitat à de nombreux oiseaux et insectes.

La base du leadership direct de la municipalité de Lappeenranta dans le nouveau programme de gestion des eaux pluviales (y compris NBS) découle d'une modification de la Loi sur la gestion de l'eau en 2014. Auparavant, la gestion des eaux pluviales était régie par la Loi sur la gestion de l'eau; à la suite de la modification, la gestion des eaux pluviales est désormais régie par la loi sur l’utilisation des terres et la construction, dans le but et l’objectif de promouvoir la gestion des eaux pluviales dans son intégralité. En vertu de la loi sur l'aménagement du territoire et la construction, la responsabilité de l'organisation de la gestion des eaux pluviales incombe à la municipalité. Cela ne se traduit pas automatiquement par l'inclusion de la propriété privée dans le système, ce qui nécessite une coordination des responsabilités publiques et privées.

En 2018, la propriété du réseau d'eaux pluviales et de certaines parties du réseau d'approvisionnement en eau a été réorganisée (décision du conseil municipal). Après le changement de propriétaire, un accord de service de quatre ans a été signé entre la ville et le service public de l'eau, qui comprenait également l'obligation de préparer un plan de gestion des eaux pluviales à l'échelle de la ville. La gestion des eaux pluviales est guidée par les règlements de zonage, les priorités de la Ville en matière de gestion des eaux pluviales (section 2.2) et le Code du bâtiment. La ville de Lappeenranta est également propriétaire du réseau de drainage des eaux pluviales.

Huit mesures fondées sur la nature sont déjà en place. Le nouveau système de fossé ouvert couplé à des capteurs, au réseau de science citoyenne et à l'enquête devrait être achevé d'ici la fin de 2025, dans le cadre du projet TransformAr. Au total, 11 sites de solutions basées sur la nature, y compris la zone d'infiltration de Koulukatu (site piloteTransformAr), seront mis en œuvre dans le cadre de ce programme.

Les zones humides, si elles sont correctement entretenues, devraient durer indéfiniment. Les capteurs, en revanche, ont une durée de vie relativement courte d’environ un an à 10 ans ou moins, en fonction des conditions spécifiques sur le site d’installation, et devront être remplacés en cas de défaillance (voir Zhu et al, 2023 pour plus de détails).

Sanna Varis

sanna.varis@lappeenranta.fi

Plan de gestion des eaux pluviales de la ville de Lappeenranta (Lappeenrannnan Kaupungin Hulevesien Hallinnan Ohjelma)

Zhu et coll. (2023). Point de vue de l'utilisateur final des capteurs à faible coût pour la surveillance des eaux pluviales urbaines: un réexamen. Sciences et techniques de l'eau 87 (11): 2648-2684. https://doi.org/10.2166/wst.2023.142