Gestion de l'eau : État de la recherche

ABORDER LA PROBLÉMATIQUE DE L’EAU PAR SA GESTION

1. Gestion de l’eau

Et si on avait plus d’eau, tout simplement en consommant moins, tout en augmentant le confort ?

Notre objectif est d’aborder l’eau par sa gestion. Nous pensons pouvoir mettre en place des systèmes permettant de consommer moins d’eau pour un même usage, afin de pouvoir utiliser cette eau ailleurs.

L’eau est un besoin universel. Son usage est divisé en eaux domestiques (consommation, sanitaires, chauffage, lessives), eaux agricoles (irrigation, élevage) et eaux industrielles.

Environ 4 milliards de m³ d’eau sont consommés par an. Alors que la consommation d’eau domestique est fortement disproportionnée selon les pays (360 L par jour par habitant aux USA, 120 L en Belgique et moins de 25 L dans de nombreux pays africains), l’irrigation reste le secteur le plus consommateur d’eau au monde, alors que les terres agricoles sont en expansions continues.

C'est donc là que nous voulons intervenir.

2. Irrigation

Il existe deux grands types d’irrigation regroupant les techniques actuelles :

a) Les techniques de surface :
- par aspersion

- par ruissellement

- par planches

- par raies

- …

Les pertes de ce système sont très importantes, suites à plusieurs phénomènes :

- perte d'eau par évaporation
- perte d’eau par infiltration excessif entraînant un drainage

- peu de prise en compte du contexte climatique et des terres

Afin d’être efficaces, les techniques d’irrigation modernes génèrent un gaspillage d’eau conséquent.

b) Les techniques de micro-irrigation :

- goutte à goutte (hors sol ou enterré)

- jarres enterrées

Là où une technique d’arrosage par sprinklers a un rendement de 0,9 kg d’aliments pour 1 m³ d’eau, le goutte à goutte en fournit 1,4 kg, et les jarres enterrées 7 kg.

Afin de s’attarder plus en détail sur ces techniques, il est important de comprendre quels sont les besoins en eau d’une plante.

Les besoins en eau des végétaux est équivalent au volume d’eau dissipé par évapotranspiration. Cette évapotranspiration varie évidemment en fonction d’un certain nombre de paramètres tels que le climat, la saison, le type de végétal, l’avancement de la croissance…

Une formule simplifiée permet de définir les besoins en eau pour irriguer un certain type de plantes :

I = (0,33 . (1 + C)) . E_bac

avec I = les besoins en irrigation de la plante

        E_bac = le taux d’évapotranspiration mesuré dans un bac durant 24h

        C = le taux de recouvrement du sol par les plantes, de 0 (semi-recouvert) à 1 (recouvert)

Les où les techniques d’irrigation de surface vont fournir au sol une quantité d’eau bien trop importante sur une courte durée, une jarre enterrée permettra à la plante de prélever la quantité d’eau dont elle a besoin sur un longue durée.

C’est pourquoi nous avons décidé de s’attarder sur la question des jarres enterrées.

3. Les jarres enterrées

La technique est basée sur un système relativement simple de transpiration de l’eau à travers une matière poreuse. Des contenants sont enterrés et prennent le rôle de diffuseurs d’eau. Ces contentant sont généralement désignés sous le nom d’oyas ou de jarres enterrées.

Cette technique d’irrigation permet une autogestion des végétaux par rapport à leurs besoins en eau. Le système racinaire des plantes se développe autour des pot. Les matériaux utilisés comptent sur leur conductivité hydraulique (aptitude d’un milieux poreux a laisser passer un fluide sous l’effet d’un gradient de pression [m/s]) pour diffuser l’eau en limitant à la fois l’évaporation et l’infiltration. On peut par conséquent jouer sur la composition des matériaux en fonction du type de végétation ainsi que sur son stade de croissance.

AVANTAGES :

- rendement 7x supérieur à de l’arrosage classique

- économique

- matériaux accessibles et naturels

- irrigation stable

- irrigation adaptée à la plante

- irrigation adaptée au climat

- moins de mauvaises herbes

- gain de temps

INCONVÉNIENTS 

- pénibilité d’installation : nécessite de creuser à intervalle régulier

- durée de vie limitée : les pores se bouchent

- fragilité du matériau : risque des racines de briser la jarre

- faible visibilité du contentant baisse la gestion de son eau

COMPOSITION : 
 

Historiquement les jarres sont composée principalement d’argile, ce denier étant peu perméable il est conseillé de le mixer avec des matériaux plus perméables ou grossiers tels que :

-Sciure de bois

-Bouse d’herbivore

-sable

-morceaux de poteries brisées

Ces matériaux apportent de la porosité, soit par leur perméabilité, soit en créant des micro-pores en brûlant lors de la cuisson de l’argile.

CUISSON :

Les jarres sont cuites dans a des températures comprises entre +- 700/800 et 1000 degrés Celsius.

Exemple : Une jarre composée a 100 % d’argile atteint une porosité d’environ 18 % quand elle est cuite à 850 degrés.

TRAITEMENT DES SURFACES :

Les surfaces ne doivent en aucun cas être émaillées.

Il est possible de poncer légèrement la surface externe pour augmenter la conductivité hydraulique.

NOS EXPÉRIENCES :

Nous avons tout d’abord réalisé un prototype d’oya home-made avec deux pots de fleurs en argile assemblés et étanchéifiés à l’aide de silicone.

Afin de tester si la porosité du matériel laisse bel et bien passer l’eau, nous avons rempli le pot d’eau et observé la réaction du pot.

Petit à petit, on peut observer la surface prendre une couleur plus foncé. C’est l’argile qui se gorge d’eau.

Cependant, après quelques heures d’attentes, aucune eau liquide n’est observable à la surface de l’oya.

L’objet se trouvant à l’extérieur, exposé au soleil, nous pensons que si aucune eau n’est observée, c’est peut-être parce qu’elle s’évapore directement.

Nous réalisons alors à nouveau l’expérience, cette fois-ci à l’intérieur, et nous pouvons alors observer des gouttelettes se former à la surface du pot.

Une question se pose, si les gouttelettes ne sont pas en réalité de la condensation, mais l’argile étant à température de l’air ambiant et n’observant pas de condensation ailleurs dans la pièce, nous en déduisons que l’eau percole en effet sous forme liquide à travers le matériau.

 



L’oya home-made est ensuite placée dans un pot transparent de terre, afin d’essayer d’observer la progression de l’humidité de la terre.

Un pot identique est mis en place avec un système de goutte à goutte par distillation, ainsi qu’un autre sans irrigation afin d’avoir une base de comparaison.

Après de nombreuses heures, aucun changement n’est visuellement observable.

 
Nous pensons alors devoir réitérer l’expérience dans de meilleures conditions.

En coupant en deux un pot et en le collant aux bords, nous pourrons observer directement la progression du niveau de l’eau.

Nous pensons également que précédemment, sans plante, l’eau s’accumulait éventuellement dans la terre, sans s’échapper et empêchait alors l’argile de relâcher l’eau qu’il contient, c’est pourquoi nous plaçons alors une petite plante dans le pot.

Nous attendons pour l’instant le séchage du silicone avant de pouvoir lancer l’expérience.

Pour ces expérimentations, l’idéal serait de pouvoir faire des observations dans des circonstances réalistes, à long terme. Cependant, ne disposant que d’un délai très court, nous essayons de focaliser nos expériences pour pouvoir faire des déductions sur un court terme.

4. Nos améliorations

L’objectif de notre projet est alors de se baser sur le principe existant de jarres enterrées, et de lui apporter une plus value.

Plusieurs pistes s’ouvrent devant nous, que nous explorons actuellement pour nous décider sur savoir dans quelle direction développer de nouveaux prototypes.

Ces pistes ont pour objectif de remédier aux inconvénients du système d’oyas.

FLOTTEURS :

Une des problématiques des jarres enterrées est leur visibilité. Puisqu’elles sont enterrées, il est difficile de connaître facilement leur niveau d’eau, et donc quand les remplir.

L’idée est de mettre en place un flotteur à l’intérieur de l’oya qui en sortirait tout simplement afin d’indiquer le remplissage du contenant.

Il est possible de de gérer cela par un senseur connecté à un Arduino qui pourrait traduire l’information en indication mais nous pensons qu’il est possible d’atteindre un résultat identique avec des moyens bien plus accessibles.

VANNES :

Dans la continuité de la gestion de l’eau contenue dans les jarres, nous pensons qu’il pourrait être intéressant que les oyas puissent gérer par elles-mêmes leur apport en eau.

En effet, quand une jarre est vide, il faut pour le moment la remplir manuellement.

Une solution est de combiner le principe du flotteur à un système de vanne, permettant le contentant de rester toujours plein (exemple sur cette vidéo youtube)

Alors qu’un simple réservoir connecté à l’oya, le remplissant continuellement en eau par gravité semble être une solution évidente et efficace, un système de vanne pourrait permettre une certaine flexibilité.

En effet, certaines plantes n’ont pas forcément besoin d’un apport en eau continu. Afin d’optimiser leur croissance, certaines plantes ont besoin d’un cycle de sécheresse. En proposant un système flexible de vanne, de telles variations pourraient être obtenues, et de manière automatisée.

Cette automation pourrait évidemment être obtenue de manière assez simple grâce à un Arduino et des senseurs, mais nous pensons à nouveau qu’il est plus intéressant de développer un système plus low-tech.

TRAVAIL DU MATÉRIEL

La porosité des jarres est un paramètre important pour assurer le bon fonctionnement du système mis en place.

Nous pourrions nous pencher sur l’étude de la production de la matière argile et de ses additifs, mais il est également possible d’explorer d’autres matériaux. En effet d’autres matériaux sont peut-être (ou non) propices au même usage. Cela pourrait éventuellement répondre aux problèmes de la fragilité du matériau.

Cependant, l’argile fonctionnant très bien ainsi, étant naturel, accessible et dégradable, nous pensons difficile d’innover dans ce domaine.

IMPRESSION 3D

L’impression 3D est également une piste ouverte qui pourrait régler, avec une étude sur la forme, des problèmes liés à l’installation et la fragilité, tout en optimisant le rendement grâce à une surface plus ou moins libre.

Toutefois, ces techniques ne sont pas accessibles partout (!même pas au FabLab ULB!), ce qui est plutôt contraire à nos objectifs.