État de l’art du projet: WaterWatch
Arrieta Emanuell, Carrijo Alex, Duval Evan, Levesques Jean-Philippe, Vidart Joaquin
Introduction de la problématique
Contexte Général
Environ 70 % de l’eau douce disponible dans le monde est utilisée par l’agriculture, mais seulement 65 % de cette eau est réellement absorbée par les cultures, ce qui entraîne une énorme inefficacité. Cette situation, combinée à la croissance rapide de la population mondiale, l’expansion de l’agriculture irriguée et les effets du changement climatique, exerce une pression énorme sur les ressources en eau douce. Depuis le début du 20ème siècle, la surface des terres irriguées a été multipliée par six, atteignant aujourd’hui plus de 260 millions d’hectares. Cependant, ces systèmes sont souvent inefficaces, avec des pertes d’eau significatives dues à des fuites et une gestion inadéquate.
Par exemple, bien que l’irrigation ne couvre que 20 % des terres cultivées, elle produit 40 % de la nourriture mondiale, ce qui montre son importance cruciale. Les régions comme l’Afrique du Nord, le Proche-Orient, l’Asie Centrale et l’Amérique Latine consacrent une part importante de leurs ressources en eau douce à l’agriculture.
Une grande partie de ces inefficacités est due aux fuites d’eau dans les vastes systèmes d’irrigation, difficiles à détecter et à réparer en raison des conditions hostiles des environnements de production. Ces fuites posent un sérieux problème pour la conservation des ressources en eau et la protection des écosystèmes locaux. [4, 6, 13]
Acteurs concernés
Analyse des rôles et intérêts des différents acteurs concernés :
- Éleveurs :
- Rôle : Acteurs principaux dans la production animale, notamment en Uruguay, où ils exploitent de vastes terrains pour l’élevage. Ils dépendent fortement de l’eau pour abreuver les animaux et irriguer les pâturages via des systèmes de canalisation étendus.
- Intérêts : Assurer un approvisionnement constant et fiable en eau pour maintenir la santé et la productivité de leurs troupeaux. Leur priorité est de garantir que les infrastructures de canalisation soient robustes et efficaces pour éviter les pertes d’eau et réduire les coûts de gestion.
- Céréaliers :
- Rôle : Producteurs agricoles opérant dans des régions où les conditions climatiques rendent l’irrigation indispensable pour maintenir des rendements suffisants. Ils dépendent d’un pompage régulier de grands volumes d’eau pour garantir la viabilité de leurs cultures.
- Intérêts : Maximiser la production tout en minimisant les coûts liés à l’eau. Ils recherchent des solutions technologiques pour optimiser l’irrigation, mais sont confrontés à la difficulté de gérer durablement les ressources hydriques dans des environnements aux conditions peu favorables.
- Maraîchers :
- Rôle : Producteurs de légumes dont les systèmes de production sont particulièrement intensifs et exigeants en eau. Ils doivent maintenir un contrôle strict des systèmes d’irrigation pour garantir des conditions optimales de croissance.
- Intérêts : Garantir une gestion rigoureuse et précise de l’eau pour éviter toute défaillance qui pourrait compromettre la qualité et le rendement des cultures. L’optimisation de l’irrigation est cruciale pour assurer la rentabilité et la pérennité de leur activité.
- Gouvernements et Organisations Non Gouvernementales (ONG) :
- Rôle : Régulateurs et défenseurs des ressources naturelles, impliqués dans la gestion des politiques de l’eau et la régulation de son utilisation dans le secteur agricole.
- Intérêts : Promouvoir des pratiques agricoles durables tout en préservant les ressources hydriques pour les besoins futurs. Ils s’efforcent de trouver un équilibre entre l’utilisation de l’eau pour l’agriculture et la préservation des écosystèmes naturels, tout en répondant aux besoins des communautés locales.
- Communautés locales :
- Rôle : Acteurs directement affectés par la gestion de l’eau, à la fois comme consommateurs d’eau potable et comme participants dans le débat sur l’usage des ressources naturelles.
- Intérêts : Assurer un accès durable à l’eau potable et la protection des aquifères, qui sont menacés par la surexploitation agricole. Elles s’inquiètent des impacts à long terme de la consommation d’eau excessive sur les réservoirs naturels et les écosystèmes environnants.
On remarque donc que chaque partie prenante a un intérêt fort dans la gestion efficace et durable de l’eau, qu’il s’agisse d’optimiser les rendements agricoles ou de préserver les ressources naturelles pour les générations futures. Les éleveurs, céréaliers et maraîchers cherchent à maximiser l’efficacité de leur usage de l’eau, tandis que les gouvernements, ONG et communautés locales travaillent à réguler cet usage pour éviter une surexploitation nuisible.
Enfin nous allons analyser les impacts que pourrait avoir notre solutions sur les différents acteurs. Une meilleure gestion de l’eau aurait des effets positifs importants pour chaque partie prenante. Les éleveurs et les producteurs de céréales et de légumes verraient une augmentation raisonnable de la production agricole, qui est plus durable et nécessite un minimum de coûts d’exploitation concernant l’irrigation. Leurs activités agricoles pourraient être plus stables même si leur situation géographique les confrontaient à des saisons difficiles sans précipitations. Ils pourraient également prendre des risques moins importants par rapport aux récoltes perdues si de mauvais systèmes d’irrigation faisaient défaut en raison de l’eau rare. Pour les gouvernements et les ONG, des politiques mises en place permettraient de préserver les systèmes aquifères, avec de l’eau propre accessible pour les générations à venir et une faible pression sur les écosystèmes aquatiques. En outre, les communautés locales bénéficient également des impacts positifs de telles améliorations car elles amélioreraient la sécurité de l’approvisionnement en eau, réduisant ainsi les conflits associés à la répartition de l’eau ainsi qu’à la qualité de vie. Enfin, la gestion durable et équilibrée de l’eau contribuerait à atténuer ses impacts négatifs sur l’environnement, garantissant la durabilité des pratiques agricoles et la protection des écosystèmes naturels.
Éco-Système visé
Pour définir l’écosystème de notre projet, nous réalisons une analyse PESTEL (politique, environnementale, sociale, technologique, économique et juridique) en tenant compte du contexte décrit ci-dessus. Sur le plan politique, nous examinons les réglementations existantes concernant l’utilisation des ressources en eau et les organisations impliquées. Au niveau social, nous analysons les implications de l’utilisation intensive de cette ressource et son impact sur la société en cas d’abus. En ce qui concerne la technologie, nous étudions les technologies actuelles et la manière de développer un projet organique en utilisant les systèmes existants. Nous évaluons également les coûts économiques liés à l’utilisation des systèmes d’eau et les opportunités potentielles de réinvestissement. Enfin, nous prenons en compte les aspects juridiques susceptibles d’influencer le développement de notre solution.
Politique :
L’agriculture, en particulier l’irrigation, est fortement encadrée par la législation. Pour toute exploitation agricole, le prélèvement d’eau pour l’irrigation nécessite une autorisation préalable auprès de la Direction Départementale des Territoires et de la Mer (DDTM). De plus, la création de forages ou de pompages en rivière est soumise à déclaration, et les volumes d’eau prélevés doivent respecter les quotas fixés.
L’irrigation peut être restreinte en cas de sécheresse par des arrêtés préfectoraux, encadrés par l’arrêté-cadre sécheresse, ce qui peut limiter les usages de l’eau par les agriculteurs. Ces restrictions peuvent encourager les exploitants à rechercher des solutions pour mieux gérer et surveiller leur consommation d’eau, comme les technologies de détection de fuites.
Enfin, certains départements, comme le Rhône, offrent des subventions pour aider les agriculteurs à investir dans des technologies liées à la gestion de l’eau. Ces subventions couvrent environ 30 % des coûts éligibles, avec un bonus de 10 % pour les jeunes agriculteurs ayant bénéficié de la Dotation Jeune Agriculteur (DJA). [1]
En Uruguay, la législation sur l’irrigation encourage les agriculteurs à améliorer leur capacité d’irrigation tout en promouvant la durabilité. La récente loi sur l’irrigation facilite les investissements, mais les procédures administratives pour obtenir des autorisations sont longues, et les coûts d’installation restent élevés. Les autorités locales offrent des incitations fiscales, mais l’efficacité de la régulation reste une préoccupation. [16]
Économique :
Les aides directes versées aux agriculteurs dans le cadre de la Politique Agricole Commune (PAC) jouent un rôle crucial dans la viabilité des exploitations agricoles. Entre 2020 et 2022, elles représentaient en moyenne 64 % du revenu courant avant impôt pour les exploitations agricoles en France. Ces aides sont cruciales pour la viabilité financière des agriculteurs, notamment dans certains secteurs comme l’élevage de bovins viande, où elles peuvent atteindre jusqu’à 210 % du revenu courant avant impôt (RCAI). En revanche, d’autres secteurs, tels que le maraîchage, sont moins soutenus (22 % du RCAI) .
Cette dépendance aux aides rend les agriculteurs vulnérables aux changements dans la politique de subvention et aux conditions économiques, ce qui peut influencer leur capacité à investir dans des solutions technologiques comme la détection de fuites d’eau. Environ 15 % des exploitations françaises sont particulièrement fragiles économiquement, cumulant une faible productivité et une forte dette. Cela pourrait limiter leur accès aux technologies coûteuses sans un soutien financier supplémentaire ou des subventions spécifiques.
D’un autre côté, la rentabilité de certaines exploitations, plus performantes économiquement, peut permettre des investissements plus aisés dans des systèmes de gestion de l’eau, surtout si ces technologies permettent de réaliser des économies d’eau et d’énergie à long terme. [15]
L’Uruguay est en train d’améliorer ses infrastructures agricoles avec des subventions pour moderniser les systèmes d’irrigation. Cependant, le coût des infrastructures d’irrigation reste un frein économique pour beaucoup de petits exploitants. Le gouvernement accorde des exonérations fiscales pouvant couvrir jusqu’à 100 % des investissements dans les systèmes d’irrigation, mais cela reste insuffisant pour certains. [7]
Social :
Les agriculteurs entretiennent une relation étroite avec l’eau, élément indispensable à leurs activités, et gèrent cette ressource depuis des siècles. Face aux enjeux climatiques actuels et aux réglementations imposées par les institutions étatiques, les agriculteurs doivent adopter des pratiques plus durables, en particulier en ce qui concerne l’utilisation de l’eau.
Il existe une forte pression pour réduire la consommation d’eau et améliorer la gestion des ressources naturelles. Les agriculteurs sont donc généralement ouverts à l’adoption de nouvelles solutions qui leur permettent de gérer plus efficacement leurs ressources. L’objectif est non seulement de minimiser les pertes d’eau, mais aussi de réduire les coûts liés aux factures d’eau et d’énergie, tout en renforçant leur engagement en faveur d’une agriculture plus écoresponsable. [11]
En Uruguay, l’agriculture est un pilier culturel, notamment dans les régions rurales. Aujourd’hui la perception de la gestion de l’eau commence à évoluer en raison de sécheresses récurrentes et de l’impact qu’elles ont sur les ressources en eau. Les agriculteurs uruguayens sont également de plus en plus ouverts aux solutions innovantes, mais leur adoption dépend largement des incitations économiques et de la disponibilité des technologies. [16]
Technologique :
En France, les agriculteurs ont accès à diverses technologies pour améliorer la gestion de l’eau, telles que des capteurs de pression, des systèmes de pompage automatisés, et des outils numériques pour suivre la consommation d’eau. Le développement de technologies telles que l’Internet des objets (IoT) et les systèmes de gestion intelligents de l’eau a permis une gestion plus fine des ressources hydriques, bien que l’adoption de ces technologies soit encore limitée dans certaines régions rurales.
Aujourd’hui, pour faire face à ce problème, certaines entreprises proposent des services de remplacement du système de canalisations existants afin d’en installer un nouveau connecté pour avoir des informations sur tout le réseau d’eau à l’instant t. L’inconvénient de ce système est qu’il nécessite le remplacement de tout le réseau d’eau ce qui peut impliquer un coût très important.
D’autres alternatives existent, comme par exemple la détection de fuites par l’acoustique. En effet, la présence d’une fuite provoque un bruit significatif à son emplacement, par conséquent, il existe une méthode à partir d’appareils sensibles au son pour détecter le bruit de l’eau s’écoulant à travers une fissure ou une canalisation endommagée. Cette méthode est peu coûteuse mais nécessite énormément de temps afin de passer au peigne fin tout le réseau d’eau. Elle n’est pas envisageable sur un réseau de plusieurs kilomètres.
L’Uruguay cherche également à adopter des technologies modernes pour la gestion de l’eau, mais l’accès est inégal entre les grandes exploitations et les petits agriculteurs. Les technologies low-tech et les solutions autonomes, comme les systèmes de détection de fuites, pourraient aider à améliorer l’efficacité de la gestion de l’eau dans les zones rurales mal desservies. Cependant, les contraintes économiques freinent parfois leur adoption.
Environnemental :
La gestion durable des ressources en eau est au cœur des préoccupations agricoles actuelles, en particulier dans un contexte de changement climatique et de sécheresses fréquentes. Les pressions environnementales ont conduit à des régulations plus strictes sur les prélèvements d’eau, avec un accent sur la conservation des ressources. Les solutions visant à limiter les pertes d’eau sont donc cruciales pour s’adapter à ces nouvelles conditions. [6]
De même l’Uruguay est fortement affecté par le changement climatique, avec des sécheresses de plus en plus fréquentes qui perturbent les systèmes d’irrigation. La conservation de l’eau est devenue une priorité nationale, avec des efforts pour promouvoir des pratiques agricoles plus durables.
Légal :
En France, la législation sur la gestion de l’eau pour l’agriculture est stricte. Les prélèvements d’eau doivent être autorisés, et les exploitations agricoles doivent se conformer à des règles spécifiques selon les volumes d’eau utilisés. En période de sécheresse, des arrêtés préfectoraux limitent les prélèvements pour protéger les ressources naturelles. La conformité à ces lois est essentielle pour éviter des amendes et des restrictions supplémentaires. Pour ce qui est de l’Uruguay, bien que l’irrigation soit encouragée, les agriculteurs doivent également obtenir des autorisations pour l’utilisation de grandes quantités d’eau. Cependant, les délais administratifs sont un obstacle majeur, et de nombreuses petites exploitations rencontrent des difficultés à se conformer à toutes les exigences légales.[10]
Littérature Scientifique
Pertes d’eau et coûts
La gestion de l’eau est une préoccupation majeure dans l’agriculture, notamment en raison des coûts élevés associés aux infrastructures de distribution d’eau et aux pertes. Aux États-Unis, par exemple, environ 7 000 km de tuyaux doivent être remplacés chaque année, ce qui coûte environ 2,7 milliards de dollars, tandis que les pertes d’eau, estimées à 10 %, entraînent une perte de près de 4,3 milliards de dollars par an [17] . Dans d’autres pays comme l’Angleterre, la France et l’Italie, les pertes d’eau oscillent entre 20 et 30 % [4] . Ces chiffres soulignent la nécessité d’améliorer les pratiques de gestion de l’eau, notamment dans le secteur agricole, où l’augmentation des besoins d’irrigation exerce une pression supplémentaire sur les ressources en eau.
L’efficacité de l’irrigation, qui est un enjeu clé en agriculture, reste relativement faible. Les surfaces irriguées augmentent d’environ 1 % par an, et la demande en eau pour l’irrigation devrait croître de 13,6 % d’ici 2025 [4] . Cependant, entre 8 et 15 % des réserves d’eau douce devraient être détournées de l’agriculture pour répondre aux besoins croissants des usages domestiques et industriels. Actuellement, seulement 55 % de l’eau utilisée pour l’irrigation est effectivement absorbée par les cultures, ce qui souligne l’importance de l’adoption de technologies améliorant l’efficacité de l’utilisation de l’eau.
Équipements et solutions de surveillance technologique
Il existe un manque général de capacités de surveillance avancée et d’analyse en temps réel dans de nombreux systèmes de distribution d’eau. Cependant, des événements clés comme les ruptures de tuyaux ou les ouvertures et fermetures de vannes peuvent être détectés à distance grâce à l’observation des transitoires de pression, qui diffèrent des signaux de pression de fond [17] . Les technologies de détection sans fil ont considérablement progressé, rendant possible le déploiement de réseaux denses de dispositifs à faible coût pour la surveillance en temps réel des infrastructures.
L’adoption de technologies comme le microcontrôleur ESP32 a également ouvert la voie à des systèmes de surveillance plus sophistiqués dans l’agriculture. L’ESP32 offre une connectivité Wi-Fi et Bluetooth, une puissance de calcul et une compatibilité avec divers protocoles de communication [2] . Son fonctionnement en basse consommation et ses blocs de sécurité matérielle en font un choix idéal pour les systèmes de surveillance en temps réel dans les applications de gestion de l’eau.
Produits et solutions existants
Plusieurs solutions visant à automatiser et optimiser la gestion de l’eau dans l’agriculture existent déjà. Par exemple, Lorentz propose des pompes télécommandées, offrant une plus grande flexibilité et un meilleur contrôle du fonctionnement des pompes [12] . Cependant, ces systèmes sont généralement vendus en tant que package avec la pompe, limitant ainsi leur intégration dans les réseaux de systèmes existants.
D’autres solutions innovantes incluent le système « Buena Huella », qui intègre divers capteurs pour une meilleure gestion des bâtiments, tels que des capteurs de niveau d’eau et de température [3] . Des entreprises comme Kivoy fournissent également des pompes à eau connectées, améliorant ainsi la gestion des ressources et l’efficacité des équipements [9] . IrriControl propose des fonctionnalités supplémentaires telles que la surveillance en temps réel de la consommation d’eau et des alertes de panne, contribuant ainsi à une utilisation plus efficace des ressources et à une meilleure fiabilité opérationnelle [8] .
Ces systèmes existants soulignent l’importance de développer des innovations visant à simplifier les dispositifs, à augmenter leur fiabilité et à réduire leur coût. L’utilisation de telles technologies peut conduire à une meilleure gestion de l’eau en agriculture, réduisant à la fois le gaspillage et les coûts d’exploitation [5] .
L’automatisation des pompes agricoles est essentielle pour répondre aux défis posés par l’augmentation de la demande en eau, les inefficacités de l’irrigation et les coûts élevés des pertes d’eau. Le développement et le déploiement de systèmes de surveillance avancés et l’intégration de technologies de contrôle en temps réel, telles que l’ESP32, ont le potentiel d’améliorer considérablement la gestion de l’eau en agriculture. En adoptant ces innovations, le secteur agricole peut mieux gérer les ressources en eau, améliorer le rendement des cultures et réduire les coûts d’exploitation.
Solution proposée
Pour détailler notre proposition de solution, nous commençons par le diagramme suivant, qui illustre ce que nous voulons réaliser. Ensuite, nous expliquerons le système et chacun des éléments nécessaires à son fonctionnement.
Les premiers éléments d’intérêt sont les capteurs, qui seront répartis dans tout le système de canalisation d’eau. C’est ici que surgit l’un de nos premiers défis : trouver une distribution optimale pour eux. Les capteurs sont une partie fondamentale du système de contrôle, car ils sont responsables de surveiller constamment la pression de l’eau dans les tuyaux. Comme mentionné dans [17], lorsqu’une fuite d’eau se produit, il y a une perte de pression dans tout le système, et par la suite, la pression commence à fluctuer de manière à ne jamais se stabiliser complètement. Ce comportement peut être observé dans les figures suivantes :
Comme illustré dans la figure, l’utilisation de capteurs de pression dans le système de canalisation d’eau permet non seulement d’identifier quand des fluctuations de pression se produisent, mais aussi d’apprendre à distinguer quelles fluctuations correspondent à des fuites d’eau ou à l’utilisation normale du système. Cela est important, car l’un des objectifs est de notifier en temps réel l’utilisateur final lorsqu’une fuite se produit, afin qu’il puisse décider des actions à entreprendre en fonction de ses besoins. De plus, notre système vise également à aider à localiser les fuites, car, comme mentionné précédemment, dans les systèmes de canalisation couvrant de grandes étendues de terrain, pouvoir restreindre le lieu et le temps de recherche du problème est d’un grand intérêt pour l’utilisateur. Cela est possible parce que le ou les capteurs qui détectent l’événement en premier sont les plus proches de la fuite, et de cette manière, l’utilisateur pourra localiser plus facilement la zone affectée.Le deuxième élément qui compose notre système est les modules de communication LoRa, qui accompagneront les capteurs de pression au cas où ceux-ci ne disposeraient pas de modules de communication intégrés. Ces modules sont cruciaux, car ils permettent de transmettre les données captées par les capteurs de pression sur de longues distances de manière sans fil, en utilisant la technologie LoRa, qui est connue pour sa faible consommation d’énergie et sa capacité à envoyer des informations à travers de vastes zones.Grâce à ces modules, toutes les informations recueillies par les capteurs seront envoyées de manière efficace et fiable au microcontrôleur, qui est le dernier élément de notre système et le plus important. Le microcontrôleur traitera les données reçues, effectuera les opérations nécessaires et notifiera l’utilisateur final des événements détectés. De plus, le système offrira la possibilité de fermer à distance le flux d’eau pour éviter les pertes en cas de détection de pannes ou de fuites, améliorant ainsi l’efficacité et le contrôle du système de stockage d’eau. Cela se fera via une application web ou mobile qui fournira un environnement convivial pour l’utilisateur final.
Enfin, bien que le système proposé soit axé sur la résolution de certains besoins du secteur agricole, cela n’implique pas que le système ne puisse être mis en œuvre dans d’autres domaines, car il est censé être suffisamment flexible et adaptable à diverses situations. Mais surtout, le système doit être utile, accessible et durable dans le temps.
Références bibliographiques
[1] Aider à la gestion de l’eau. (n.d.). Disponible sur:
https://aides-territoires.beta.gouv.fr/aides/4732-aider-a-la-gestion-de-leau/
[2] Bertoleti, P. (2019). Projetos com ESP 32 e LoRa. Disponible sur:
https://www.google.fr/books/edition/Projetos_com_ESP32_e_LoRa/fnCiDwAAQBAJ?hl=pt-BR&gbpv=1
[3] Buena Huella. (2023). Disponible sur:
https://buenahuella.com.ar/productos.php#monitoreo
[4] Chartzoulakis, K., & Bertaki, M. (2015). Gestion durable de l’eau en agriculture face au changement climatique. Agriculture and Agricultural Science Procedia. Disponible sur:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2210784315000741
[5] De Varennes, E. M., & Mendonça, P. (1970). Automaticité des stations de pompage des réseaux d’irrigation, d’assainissement agricole et de distribution rurale d’eau potable.
[6] Enjeux environnementaux : L’eau, les sols. (2021, 28 mai). Disponible sur:
https://agriculture.gouv.fr/enjeux-environnementaux-leau-les-sols
[7] Farmaland Uruguay. (n.d.). Fiscal incentives for farms in Uruguay. Disponible sur:
https://farmlanduruguay.com/investments/investment-promotion-for-farms-in-uruguay/
[8] IrriControl. (2024). Disponible sur:
https://irricontrol.com.br/servicos/
[9] Kivoy. (2024). Disponible sur:
https://kivoy.com.uy/catalogo/
[10] Le règlement général sur la protection des données (RGPD). (2023, 11 avril). Disponible sur:
https://www.economie.gouv.fr/entreprises/reglement-general-protection-donnees-rgpd
[11] L’eau et l’agriculture. (n.d.). Disponible sur:
https://www.artois-picardie.eaufrance.fr/qui-contacter-a-propos-de/l-eau-et-l-agriculture/
[12] Lorentz. (2024). Produits connectés. Disponible sur:
https://www.lorentz.de/es/productos-y-tecnologia/productos/connected/
[13] Merino, A. (2023). ¿Cuánta agua se destina a la agricultura en el mundo? El Orden Mundial EOM. Disponible sur:
https://elordenmundial.com/mapas-y-graficos/cuanta-agua-se-destina-a-agricultura-mundo/?form=MG0AV3
[14] Pourquoi l’eau est-elle au cœur des enjeux? Quels scénarios possibles dans un contexte de dérèglement climatique? (n.d.). Disponible sur:
[15] Résultat économique des exploitations agricoles et revenu des agriculteurs, une très grande hétérogénéité. (2024, 27 février). Disponible sur:
[16] Scasso, F. (2019, 7 juin). Protéger les terres et la biodiversité en Uruguay. United Nations Development Programme. Disponible sur:
https://www.undp.org/blog/protecting-land-and-biodiversity-uruguay
[17] Whittle, A. J., et al. (2013). Sensor networks for monitoring and control of water distribution systems. In Proceedings of the International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure (Vol. 6). Hong Kong. Disponible sur: