Dans la commune zurichoise de Fehraltorf, des capteurs ont été placés dans des canalisations et au-dessus du sol pour mesurer les précipitations, les écoulements et le niveau des eaux. Les valeurs enregistrées sont transmises à un serveur Internet, par le biais d’un système radio basse consommation. Le réseau de capteurs sans fil ainsi mis en place par l’Eawag et par l’ETH Zurich est un laboratoire de terrain unique au monde, dédié aux systèmes d’assainissement.

Frank Blumensaat (à dr.) et son collaborateur technique Simon Dicht. (Photos: Kellenberger Kaminski Photographie)

Quand on se promène dans les rues de Fehraltorf, on n’a guère conscience que, en sous-sol, il existe un système qui recueille des données en continu, avant de les envoyer par radio. Dans la commune zurichoise, des capteurs mesurent le niveau des eaux dans les canalisations qui passent sous les trois quarts des rues. Toutes les cinq minutes, les mesureurs de niveau à ultrasons, situés sous les couvercles des regards, transmettent par radio la valeur mesurée à une station de base qui, à son tour, envoie ces données à un serveur Internet.

L’installation de capteurs dans des égouts s’inscrit dans le cadre d’une expérience sur le terrain dirigée par Frank Blumensaat, ingénieur environnement à l’Eawag. «La numérisation nous ouvre de toutes nouvelles possibilités. Grâce à des capteurs dispersés çà et là, nous pouvons mesurer et transmettre de plus en plus de données, en consommant très peu d’énergie», se réjouit le spécialiste de la gestion des eaux urbaines, qui est également docent à l’ETH Zurich. Le dispositif mis en place à Fehraltorf a ceci d’innovant qu’il combine des capteurs résistants et efficients à une solution de transmission des données par un système radio basse consommation, appelé LPWAN pour Low Power Wide Area Network, dans le cadre de l’Internet des objets (Internet of Things, IoT). Le standard LoRa®, qui est utilisé ici, a une grande portée, même si les appareils sont installés sous terre. Il consomme beaucoup moins d’énergie que la téléphonie mobile et coûte bien moins cher.

«Notre laboratoire de terrain en hydrologie urbaine fait appel à des appareils de mesure autosuffisants d’une grande longévité qui transmettent les informations en consommant peu d’énergie. C’est tout à fait innovant», explique Frank Blumensaat. «Jusqu’à présent, les données étaient enregistrées au sein même des appareils, sur de petites cartes aux capacités de mémoire limitées. Il fallait donc se déplacer régulièrement pour aller relever les valeurs.» Le système radio basse consommation économise ces allers et retours. Le projet a démarré en février 2016 par l’installation de cinq pluviomètres. Depuis, l’équipe de l’Eawag a posé une soixantaine de capteurs sur une surface de neuf kilomètres carrés. Il s’avère que cette technologie économe en ressources est tout à fait adaptée pour surveiller la dynamique des systèmes d'assainissement.

Frank Blumensaat (à g.) et son collaborateur technique Simon Dicht.

Prévenir les inondations

Si le laboratoire a été implanté à Fehraltorf, c’est d’une part pour des raisons de proximité, puisque la commune n’est qu’à une quinzaine de kilomètres de Dübendorf et de l’Eawag, et d’autre part parce que l’institut y entretient déjà de bons contacts avec l’industrie locale. Autre point qui a pesé sur la balance: avec ses 7000 habitants, la commune est représentative du système d’assainissement suisse. Les scientifiques souhaitent cerner le plus précisément possible le régime hydrologique en zone urbaine, à commencer par les pluies qui, depuis les rues et les places, se déversent dans les égouts, jusqu’à l’eau qui est acheminée à la station d’épuration, s’écoule dans les cours d’eau ou pénètre dans le sol et fait monter le niveau phréatique. L’objectif est d’obtenir davantage d’informations et surtout des informations localement différenciées sur la dynamique des secteurs difficiles d’accès, pour pouvoir les exploiter judicieusement, par exemple pour anticiper les inondations en cas de fortes pluies ou les contaminations.

Ce réseau de capteurs permet également de découvrir quelles quantités d’eaux usées parviennent dans les ruisseaux, les rivières et les lacs, pour pouvoir réduire au minimum cette pollution. Il sert aussi à identifier et réparer les canalisations non étanches, un travail qui, auparavant, exigeait des mesures complexes et coûteuses. Frank Blumensaat espère que la numérisation aidera les communes, même les moins fortunées, à surveiller efficacement leur système d’assainissement et à prendre des mesures appropriées pour la protection de l'environnement. Ce projet d’une durée de cinq années alimente la formation d’étudiants qui, lorsqu’ils seront ingénieurs, transmettront ces nouvelles connaissances aux bureaux d’études. Dans le cadre du nouveau cours de master qui a été lancé en 2017 et qui porte sur la planification et la modélisation des réseaux d’égouts, les futurs ingénieurs environnement apprennent à utiliser des outils de simulation modernes avec les données haute résolution du laboratoire de terrain.

«La publication de données relatives à l'environnement touche à des aspects sensibles et bien des points restent à clarifier», indique Frank Blumensaat.

Mais le spécialiste met en garde face aux attentes irréalistes vis-à-vis de la transformation numérique. La gestion judicieuse de grandes quantités de données et le développement ultra-rapide de l’Internet des objets sont de vrais défis. Tout comme l’ambition du scientifique de rendre les données collectées accessibles au public, de façon à ce que d’autres chercheurs du monde entier puissent travailler avec. Les questions de la protection des données se posent alors. Si l’on connaît la composition des eaux usées, on peut par exemple en déduire les habitudes de la population locale. «La publication de données relatives à l'environnement touche à des aspects sensibles et bien des points restent à clarifier», indique Frank Blumensaat.